虛擬樣機技術在真空鍍膜機設計中的應用

金昌度

（上海北玻鍍膜技術工業有限公司，上海 201600）

隨著社會經濟的發展，各領域對鍍膜機設計提出了嚴格要求。我國磁控濺射鍍膜機品種質量難以參與國際市場競爭，磁控濺射鍍膜生產線大部分需要從國外進口，目前缺少獨立知識產權的磁控濺射鍍膜機，因此加強鍍膜機研發十分迫切。我國鍍膜機設計缺乏原創思想，而且由于經費短缺導致有關基礎研究開展不足。要建立有關鍍膜機研發中心研究設備關鍵技術，需要較大投資，且難以快速建設研究隊伍。因此，要充分利用信息技術成果，引入虛擬樣機技術進行鍍膜機設計調試，采用創新思想提出原發性創意方案。

1 真空鍍膜機虛擬樣機技術

20世紀70年代前，磁控機設計以理論分析為主要方法，研究者主要采用理論公式解決設計問題。由于邊界結構復雜，用近似理論公式表述得到近似結果，制作實物模型經實驗檢驗后才能應用，設計生產周期長。隨著計算機技術的發展，利用計算機軟件對磁控重要部件仿真，是磁控機設計方法的重要突破，形成了磁控機相關器件設計成熟的計算機軟件。例如，用于電磁高頻設計的有ANSYS等軟件，用于束流動力學計算的有TRANSPORT等軟件。

隨著磁控機研究要求的日益提高，相關軟件的缺點逐漸暴露。例如：程序采用理想化模型，計算結果與實際運行情況有較大差異；基于特定要求開發軟件不能進行整機模擬，程序由既定邊界條件出發進行分析，不能給出整機最佳參數信息；程序運行結果不能為設計人員提供直觀認識，使用中程序要求特定軟件環境，不能滿足設計人員需要。磁控機驗證方案需要很大的經濟投入，現有研究方法不能滿足磁控濺射技術的發展需求。虛擬樣機技術是20世紀90年代后發展的新設計技術，將虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術與計算機輔助設計結合，為產品創意及工藝優化提供虛擬三維環境。研究人員可從綜合集成環境中得到感性與理性認識，通過對產品虛擬加工調試等工程評價，及時發現制造運行中暴露的問題。

虛擬樣機技術借助VR技術代替實物進行產品設計，保證了制造實施的可行性。虛擬樣機技術強調逼真人機交互方式，強調設計中完成產品的加工運行，是全新的設計思想，可以減少實物模型的制造，縮短產品開發周期。虛擬樣機技術通過互聯網實現產品異地設計加工，轉變了企業運營模式。發達國家重視利用虛擬樣機技術改造傳統制造業，如美國通用公司實施虛擬汽車技術后，試驗實物養車減少為18臺。美國波音777通過采用虛擬樣機技術完成整機設計和整機裝配，公司減少了94%的花費，模具設計精度提高10倍。

2 虛擬樣機設計環境體系結構研究

虛擬樣機技術用于鍍膜機設備是將涉及物理場理論計算、信息技術與機械設計等知識結合，在虛擬現實基礎上進行設計[1]。磁控濺射鍍膜機生產線包含真空室、濺射陰極以及供氣系統等子系統。本文設計的ITO玻璃磁控濺射鍍膜機生產線系統為可進行連續式垂直濺射系統，基片架通過靶材形成SiO2+ITO膜，射頻磁控濺射形成SiO2膜，玻璃基片通過離子轟擊處理增強表面特性。真空室為基片鍍膜場所，設有抽空接管、照明裝置等。

磁控濺射鍍膜機物理組成龐雜，涉及機械學、電磁學等學科，需從系統角度建立鍍膜機虛擬樣機替換物理樣機實驗。鍍膜機產品方案設計要建立在系統功能需求基礎上。本文將磁控機物理組成分為執行與控制兩部分，通過子功能與結構集成實現磁控機方案設計。磁控機系統組成前進行子系統執行機構-控制集成，產生可行方案作為磁控機產品設計備選依據。控制子系統與執行動作子系統融合成單元級子系統，與其他單元子系統融合形成單元級子系統聯系，在方案設計階段為磁控機打好基礎。磁控機產品方案設計數學描述遵循功能-結構思維，產品由分系統行為描述確定[2]。分系統方案生成要求在設計基礎上提出系統方案備選集，方案評價以分系統評價指標集為依據，根據評價方法選擇每種分系統優越方案，結合虛擬機技術建立磁控機產品虛擬樣機設計模型。虛擬樣機模型設計階段包括控制子系統面向底層功能仿真建模、系統高層建模等，每部分要在相關工具支持下實施。虛擬機仿真運行應用運行支持環境，子系統按設定仿真模式等進行運行實驗。最后進行仿真結果評估，根據仿真數據優化磁控機虛擬樣機。圖1為產品單元級設計過程。

虛擬樣機技術用于磁控機產品設計需要相應開發流程等支持。目前針對虛擬設計提出多種體系結構，以網絡數據庫為基礎，將可視化仿真軟件與VR技術集成支持產品開發設計。構建虛擬機支持系統對軟硬件環境要求較高，應根據不同用途配置系統。虛擬設計虛擬機系統著重設計動態實時交互性實現，不涉及完整學科領域協同等復雜問題。低成本虛擬樣機系統在中小型制造企業產品創新設計中具有重要的應用價值[3]。本文提出多學科協同虛擬樣機系統進行鍍膜機虛擬設計思想。虛擬樣機支撐環境是支持產品虛擬化設計活動的支撐應用系統環境，可為開發人員、仿真工具協同提供支持。需要解決異構模型互操作與分布式仿真問題，將仿真全面應用于磁控機產品開發，支撐環境集成相關領域多種設計工具，利用仿真模型分析產品的主要功能。

圖1 產品單元級設計過程

3 磁控濺射鍍膜機建模

以磁控濺射鍍膜機為研究對象，建立用于磁控機的運行仿真、制造控制虛擬樣機模型理論，對可能的加工誤差、熱效應等進行動態模擬[4]。對重要零部件實驗研究引入駕馭式計算方法實現磁控機分析，等離子體調節可控可視，建立磁控機分析設計與維修虛擬樣機系統，利用環境進行磁控機創新設計。仿真技術用于虛擬機的目的是把握物理過程整體演進，豐富科研途徑。可視化仿真技術是虛擬樣機開發方式的顯著特點。

虛擬樣機開發是基于模型的完善過程，利用虛擬模型模擬磁控機設計安裝等生命周期過程，使得磁控機性能最優化。虛擬模型要具有層次化和特征參數化等特點。以Engineer軟件為建模工具介紹磁控機虛擬樣機建模過程，設計模型前明確鍍膜機設計意圖，用戶需要宏觀了解模型，包括基本模型特點、組件包含元件大概數量等。為提高建模效率，提出建立零件庫自動建模功能，通過對Pro/E程序開發生成用戶化特征管理界面[5]。Engineer軟件為用戶提供4種二次開發方法，用戶自定義特征是集合數個特征成為群組特征，完整定義群組特征放置參考等，形成為特別情況而生的獨特特征。特征元素樹只能通過Toolkit包編程實現，借助第三方編譯集成環境調試，使用面向對象的風格，在應用程序間以函數調用方式傳輸資料信息。裝配成本在產品成本中占據重要地位。產品設計階段考慮零部件可裝配性等各種因素，根據裝配設計評價可以為產品設計提出合理修改意見，以規劃良好裝配序列為制定產品裝配工藝規程提供指導意見。磁控機是高技術設備，需要在虛擬樣機系統中分析裝配方案。設計人員可使用各種裝配工具對設計機構進行裝配檢驗，獲得合理的裝配方案。

隨著復雜系統仿真應用需求的提高，計算機仿真技術發展到可視化階段。仿真可視化為研究人員提供了觀察數據交互作用的手段。目前，計算機動畫制作分為輔助與生成動畫。關鍵幀動畫通過確定關鍵參數值得到中間動畫幀序列。算法動畫采用算法實現物體運動控制。磁控機虛擬樣機可視化的主要工作為微觀粒子動力學可視化。計算機模擬微觀粒子動力學研究離子運動涉及鍍膜機設計過程，需要進行射頻電源產生電場分析，利用動力學計算結果進行粒子運動可視化，探索物理過程引入磁控機設計過程，以便直觀理解虛擬機設計效果。

4 基于Services分布式交互仿真

鍍膜機產品仿真需要不同學科領域專家協同工作。設計人員分散在各地，需要分布式交互仿真體系支持[6]。DIS是將分散在不同地域的仿真器互聯，構成大規模集成虛擬環境，在網絡化制造等領域應用廣泛。不同地點的設計人員通過分布式制程技術可透明訪問各種信息。DIS系統的任務是定義層次化結構，將異構仿真軟件加入無縫綜合環境中。DIS系統設計原則包括信息傳輸真實性、時空一致性等。DIS涉及可靠性技術、虛擬環境技術等。

目前常用仿真平臺提供集中式協同仿真運行功能，不能支持不同建模人員對仿真模型組裝，需要研究支持磁控機產品分布式仿真技術。多學科協同建模實質是多領域模型互聯操作。分布式協同交互仿真是基于數據交互互聯互操作方案，模型在解算環境中運行，必要時與其他模型交互信息，實現廣泛的協同集成。常用的分布式交互仿真集成實現包括Services技術構建仿真環境等。基于瀏覽器模型的Web應用具有跨平臺性等優點。Web的新技術不斷用于DIS，如Web Services使得Web可作為服務平臺，快速實現各種應用集成。本文提出基于Web Services的DIS服務平臺，仿真應用對外提供可編程服務，服務平臺可利用Internet計算資源解決虛擬樣機分布協同仿真問題。Web服務是服務提供者將應用作為服務部署在Web上，服務請求者通過Internet在Services注冊機構查找Web站點的服務實現與服務綁定。Web服務可視為現有面向Internet的延伸。支持Web服務相關技術標準包括可擴展標記語言（Extensible Markup Language，XML）、通用描述、發現與集成服務（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）等。

仿真平臺標準規范是基于XML定義模型互操作語法。DIS平臺是運用Services體系結構的分布式仿真應用環境。虛擬樣機分布式協同設計仿真平臺功能包括設計知識共享、仿真工具遠程調用等。DIS框架具有很好的靈活性，包括用戶層與中間層。設計人員通過Services技術調用仿真工具ADAMS進行磁控機虛擬樣機協同建模，使用Java API類庫中函數連接MALBTA。ADAMS提供CORBA對象包裝，通過遠程方法調用/互聯網內部對象請求代理協議（RMI/Internet Inter-ORB Protocol，RMI/IIOP）協議連接到Services容器。DIS平臺系統開發不同于基于組件開發方法。分布式仿真平臺開發包括Services實現仿真服務，用戶端應用程序在UDDI中搜索仿真服務，得到需要的仿真結果進行分析。MATLAB應用程序功能是接收輸入超文本標記語言（HyperText Markup Language，HTML）表單仿真參數輸入值，將仿真結果輸出到HTML頁面。調用Web仿真服務需要得到可執行應用程序matlabserver.exe支持，Web服務代理matweb.exe將對MATLAB請求定向到matlabserver.exe進行處理。

5 結語

本文分析磁控鍍膜機功能模型和磁控機虛擬樣機支撐環境體系研究內容，構建支撐環境體系結構框架。根據磁控機特點構建虛擬樣機設計支撐環境體系結構，建立鍍膜機虛擬樣機參數化模型；對磁控機關鍵部件實現程序自動建模功能；為鍍膜機零部件制造提供加工圖紙，改變傳統自部件開始設計方式，并在設計階段進行鍍膜機制造安裝等生命周期分析；將磁控機可視化仿真引入鍍膜機設計，豐富鍍膜機研制方式；充分利用網絡功能實現協同樣機設計。