虚拟样机技术在真空镀膜机设计中的应用

金昌度

（上海北玻镀膜技术工业有限公司，上海 201600）

随着社会经济的发展，各领域对镀膜机设计提出了严格要求。我国磁控溅射镀膜机品种质量难以参与国际市场竞争，磁控溅射镀膜生产线大部分需要从国外进口，目前缺少独立知识产权的磁控溅射镀膜机，因此加强镀膜机研发十分迫切。我国镀膜机设计缺乏原创思想，而且由于经费短缺导致有关基础研究开展不足。要建立有关镀膜机研发中心研究设备关键技术，需要较大投资，且难以快速建设研究队伍。因此，要充分利用信息技术成果，引入虚拟样机技术进行镀膜机设计调试，采用创新思想提出原发性创意方案。

1 真空镀膜机虚拟样机技术

20世纪70年代前，磁控机设计以理论分析为主要方法，研究者主要采用理论公式解决设计问题。由于边界结构复杂，用近似理论公式表述得到近似结果，制作实物模型经实验检验后才能应用，设计生产周期长。随着计算机技术的发展，利用计算机软件对磁控重要部件仿真，是磁控机设计方法的重要突破，形成了磁控机相关器件设计成熟的计算机软件。例如，用于电磁高频设计的有ANSYS等软件，用于束流动力学计算的有TRANSPORT等软件。

随着磁控机研究要求的日益提高，相关软件的缺点逐渐暴露。例如：程序采用理想化模型，计算结果与实际运行情况有较大差异；基于特定要求开发软件不能进行整机模拟，程序由既定边界条件出发进行分析，不能给出整机最佳参数信息；程序运行结果不能为设计人员提供直观认识，使用中程序要求特定软件环境，不能满足设计人员需要。磁控机验证方案需要很大的经济投入，现有研究方法不能满足磁控溅射技术的发展需求。虚拟样机技术是20世纪90年代后发展的新设计技术，将虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术与计算机辅助设计结合，为产品创意及工艺优化提供虚拟三维环境。研究人员可从综合集成环境中得到感性与理性认识，通过对产品虚拟加工调试等工程评价，及时发现制造运行中暴露的问题。

虚拟样机技术借助VR技术代替实物进行产品设计，保证了制造实施的可行性。虚拟样机技术强调逼真人机交互方式，强调设计中完成产品的加工运行，是全新的设计思想，可以减少实物模型的制造，缩短产品开发周期。虚拟样机技术通过互联网实现产品异地设计加工，转变了企业运营模式。发达国家重视利用虚拟样机技术改造传统制造业，如美国通用公司实施虚拟汽车技术后，试验实物养车减少为18台。美国波音777通过采用虚拟样机技术完成整机设计和整机装配，公司减少了94%的花费，模具设计精度提高10倍。

2 虚拟样机设计环境体系结构研究

虚拟样机技术用于镀膜机设备是将涉及物理场理论计算、信息技术与机械设计等知识结合，在虚拟现实基础上进行设计[1]。磁控溅射镀膜机生产线包含真空室、溅射阴极以及供气系统等子系统。本文设计的ITO玻璃磁控溅射镀膜机生产线系统为可进行连续式垂直溅射系统，基片架通过靶材形成SiO2+ITO膜，射频磁控溅射形成SiO2膜，玻璃基片通过离子轰击处理增强表面特性。真空室为基片镀膜场所，设有抽空接管、照明装置等。

磁控溅射镀膜机物理组成庞杂，涉及机械学、电磁学等学科，需从系统角度建立镀膜机虚拟样机替换物理样机实验。镀膜机产品方案设计要建立在系统功能需求基础上。本文将磁控机物理组成分为执行与控制两部分，通过子功能与结构集成实现磁控机方案设计。磁控机系统组成前进行子系统执行机构-控制集成，产生可行方案作为磁控机产品设计备选依据。控制子系统与执行动作子系统融合成单元级子系统，与其他单元子系统融合形成单元级子系统联系，在方案设计阶段为磁控机打好基础。磁控机产品方案设计数学描述遵循功能-结构思维，产品由分系统行为描述确定[2]。分系统方案生成要求在设计基础上提出系统方案备选集，方案评价以分系统评价指标集为依据，根据评价方法选择每种分系统优越方案，结合虚拟机技术建立磁控机产品虚拟样机设计模型。虚拟样机模型设计阶段包括控制子系统面向底层功能仿真建模、系统高层建模等，每部分要在相关工具支持下实施。虚拟机仿真运行应用运行支持环境，子系统按设定仿真模式等进行运行实验。最后进行仿真结果评估，根据仿真数据优化磁控机虚拟样机。图1为产品单元级设计过程。

虚拟样机技术用于磁控机产品设计需要相应开发流程等支持。目前针对虚拟设计提出多种体系结构，以网络数据库为基础，将可视化仿真软件与VR技术集成支持产品开发设计。构建虚拟机支持系统对软硬件环境要求较高，应根据不同用途配置系统。虚拟设计虚拟机系统着重设计动态实时交互性实现，不涉及完整学科领域协同等复杂问题。低成本虚拟样机系统在中小型制造企业产品创新设计中具有重要的应用价值[3]。本文提出多学科协同虚拟样机系统进行镀膜机虚拟设计思想。虚拟样机支撑环境是支持产品虚拟化设计活动的支撑应用系统环境，可为开发人员、仿真工具协同提供支持。需要解决异构模型互操作与分布式仿真问题，将仿真全面应用于磁控机产品开发，支撑环境集成相关领域多种设计工具，利用仿真模型分析产品的主要功能。

图1 产品单元级设计过程

3 磁控溅射镀膜机建模

以磁控溅射镀膜机为研究对象，建立用于磁控机的运行仿真、制造控制虚拟样机模型理论，对可能的加工误差、热效应等进行动态模拟[4]。对重要零部件实验研究引入驾驭式计算方法实现磁控机分析，等离子体调节可控可视，建立磁控机分析设计与维修虚拟样机系统，利用环境进行磁控机创新设计。仿真技术用于虚拟机的目的是把握物理过程整体演进，丰富科研途径。可视化仿真技术是虚拟样机开发方式的显著特点。

虚拟样机开发是基于模型的完善过程，利用虚拟模型模拟磁控机设计安装等生命周期过程，使得磁控机性能最优化。虚拟模型要具有层次化和特征参数化等特点。以Engineer软件为建模工具介绍磁控机虚拟样机建模过程，设计模型前明确镀膜机设计意图，用户需要宏观了解模型，包括基本模型特点、组件包含元件大概数量等。为提高建模效率，提出建立零件库自动建模功能，通过对Pro/E程序开发生成用户化特征管理界面[5]。Engineer软件为用户提供4种二次开发方法，用户自定义特征是集合数个特征成为群组特征，完整定义群组特征放置参考等，形成为特别情况而生的独特特征。特征元素树只能通过Toolkit包编程实现，借助第三方编译集成环境调试，使用面向对象的风格，在应用程序间以函数调用方式传输资料信息。装配成本在产品成本中占据重要地位。产品设计阶段考虑零部件可装配性等各种因素，根据装配设计评价可以为产品设计提出合理修改意见，以规划良好装配序列为制定产品装配工艺规程提供指导意见。磁控机是高技术设备，需要在虚拟样机系统中分析装配方案。设计人员可使用各种装配工具对设计机构进行装配检验，获得合理的装配方案。

随着复杂系统仿真应用需求的提高，计算机仿真技术发展到可视化阶段。仿真可视化为研究人员提供了观察数据交互作用的手段。目前，计算机动画制作分为辅助与生成动画。关键帧动画通过确定关键参数值得到中间动画帧序列。算法动画采用算法实现物体运动控制。磁控机虚拟样机可视化的主要工作为微观粒子动力学可视化。计算机模拟微观粒子动力学研究离子运动涉及镀膜机设计过程，需要进行射频电源产生电场分析，利用动力学计算结果进行粒子运动可视化，探索物理过程引入磁控机设计过程，以便直观理解虚拟机设计效果。

4 基于Services分布式交互仿真

镀膜机产品仿真需要不同学科领域专家协同工作。设计人员分散在各地，需要分布式交互仿真体系支持[6]。DIS是将分散在不同地域的仿真器互联，构成大规模集成虚拟环境，在网络化制造等领域应用广泛。不同地点的设计人员通过分布式制程技术可透明访问各种信息。DIS系统的任务是定义层次化结构，将异构仿真软件加入无缝综合环境中。DIS系统设计原则包括信息传输真实性、时空一致性等。DIS涉及可靠性技术、虚拟环境技术等。

目前常用仿真平台提供集中式协同仿真运行功能，不能支持不同建模人员对仿真模型组装，需要研究支持磁控机产品分布式仿真技术。多学科协同建模实质是多领域模型互联操作。分布式协同交互仿真是基于数据交互互联互操作方案，模型在解算环境中运行，必要时与其他模型交互信息，实现广泛的协同集成。常用的分布式交互仿真集成实现包括Services技术构建仿真环境等。基于浏览器模型的Web应用具有跨平台性等优点。Web的新技术不断用于DIS，如Web Services使得Web可作为服务平台，快速实现各种应用集成。本文提出基于Web Services的DIS服务平台，仿真应用对外提供可编程服务，服务平台可利用Internet计算资源解决虚拟样机分布协同仿真问题。Web服务是服务提供者将应用作为服务部署在Web上，服务请求者通过Internet在Services注册机构查找Web站点的服务实现与服务绑定。Web服务可视为现有面向Internet的延伸。支持Web服务相关技术标准包括可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）、通用描述、发现与集成服务（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）等。

仿真平台标准规范是基于XML定义模型互操作语法。DIS平台是运用Services体系结构的分布式仿真应用环境。虚拟样机分布式协同设计仿真平台功能包括设计知识共享、仿真工具远程调用等。DIS框架具有很好的灵活性，包括用户层与中间层。设计人员通过Services技术调用仿真工具ADAMS进行磁控机虚拟样机协同建模，使用Java API类库中函数连接MALBTA。ADAMS提供CORBA对象包装，通过远程方法调用/互联网内部对象请求代理协议（RMI/Internet Inter-ORB Protocol，RMI/IIOP）协议连接到Services容器。DIS平台系统开发不同于基于组件开发方法。分布式仿真平台开发包括Services实现仿真服务，用户端应用程序在UDDI中搜索仿真服务，得到需要的仿真结果进行分析。MATLAB应用程序功能是接收输入超文本标记语言（HyperText Markup Language，HTML）表单仿真参数输入值，将仿真结果输出到HTML页面。调用Web仿真服务需要得到可执行应用程序matlabserver.exe支持，Web服务代理matweb.exe将对MATLAB请求定向到matlabserver.exe进行处理。

5 结语

本文分析磁控镀膜机功能模型和磁控机虚拟样机支撑环境体系研究内容，构建支撑环境体系结构框架。根据磁控机特点构建虚拟样机设计支撑环境体系结构，建立镀膜机虚拟样机参数化模型；对磁控机关键部件实现程序自动建模功能；为镀膜机零部件制造提供加工图纸，改变传统自部件开始设计方式，并在设计阶段进行镀膜机制造安装等生命周期分析；将磁控机可视化仿真引入镀膜机设计，丰富镀膜机研制方式；充分利用网络功能实现协同样机设计。