基于悬浮区熔技术的难熔金属生长控制系统研究

论文摘要

难熔金属现已广泛用于电子、电气、机械、仪表、制造、核动力工业和各种高技术研究领域,基于其在市场上的广泛应用及重要性,本论文将先进的计算机控制技术应用到难熔金属的单晶生长,并针对性地提出了一套完整的手动控制与自动控制相切换的难熔金属单晶生长控制系统方案。论文首先简要介绍了难熔金属的特点,接着分别阐述了其目前在功能材料、电子信息材料、能源材料、结构材料、新兴材料等方面的发展前景,然后结合目前难熔金属单晶生长技术的发展历史和现状提出了本课题的研究意义。本论文详细讨论了目前难熔金属所普遍采用的几种生长工艺,并经过比较总结出最理想的难熔金属单晶生长工艺技术——电子束悬浮区熔技术。在此基础上,本课题针对其生长工艺理论设计了相应的机械结构,并提出了速度控制和位置控制双闭环控制模式。根据实际测量的需要,本文给出了满足本控制系统要求的伺服放大器和光栅尺的型号以及硬件控制部分的电路原理图。本控制系统选用基于PC机的DMC-1842运动控制器为上位控制单元,采用美国AMC公司生产的12A8型直流伺服驱动器和北京勇光公司生产的直流伺服电机作为执行元件,通过丝杠螺母将电机的旋转运动转变为直线运动,利用直流电机附带的测速机作为电机的速度检测单元,光栅尺作为直线运动的位置测量元件,构成双闭环的四轴同步运动控制系统。对此,本文详细地阐述了运动控制系统的组成、关键技术和分类,并对运动控制系统的设计方法进行了分析。论文中介绍了运动控制器的特点,根据控制系统的设计要求,设计了有关的硬件电路,构建了“PC机+运动控制器”的数字控制系统。在此基础上,本课题采用VC++6.0语言编写了软件控制程序。本课题将理论研究与实际开发有机地结合起来,成功地实现对难熔金属单晶生长设备的机械设计及控制,同时也对其他材料的晶体生长提供了重要参考。鉴于硬件控制部分所具有的通用性,本课题的研究对于任意单晶生长设备的研发都具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 难熔金属的广泛应用及发展特点
• 1.3 难熔金属单晶生长技术的发展历史和现状
• 1.4 选题背景及研究意义
• 1.5 本章小结
• 2 难熔金属单晶生长技术
• 2.1 单晶生长技术概论
• 2.2 区熔法原理
• 2.3 电子束原理
• 2.4 电子束悬浮区熔原理
• 2.4.1 电子束悬浮区熔技术的优点
• 2.4.2 电子束悬浮区熔技术的影响因素
• 2.5 本章小结
• 3 机械系统与控制系统总体设计
• 3.1 机械系统简介
• 3.1.1 机械系统组成
• 3.1.2 相关外围设备
• 3.2 控制系统总体设计
• 3.2.1 控制系统设计方法
• 3.2.2 运动控制系统分类
• 3.2.3 难熔金属单晶生长控制系统设计
• 3.3 本章小结
• 4 控制系统硬件实现
• 4.1 伺服控制结构
• 4.2 控制系统硬件组成
• 4.2.1 运动控制器
• 4.2.2 转接卡
• 4.2.3 直流伺服放大器
• 4.3 速度控制系统
• 4.3.1 上下两轴的同步控制
• 4.3.2 慢速电机与运动控制器的接口设计
• 4.3.3 慢速电机控制原理
• 4.3.4 快速电机控制原理
• 4.4 位置测量系统
• 4.4.1 光栅
• 4.4.2 编码器
• 4.5 硬件抗干扰
• 4.5.1 供电部分的抗干扰措施
• 4.5.2 信号传输通道的抗干扰设计
• 4.6 本章小结
• 5 控制系统软件开发
• 5.1 控制系统软件总体设计
• 5.2 控制系统软件功能设计
• 5.3 难熔金属单晶生长控制系统软件开发
• 5.3.1 运动控制器软件介绍
• 5.3.2 控制系统软件的实现
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 硬件电路图
• 附录B 难熔金属单晶生长设备及控制柜
• 攻读硕士学位期间发表论文与参与项目