金昌度

（上海北玻鍍膜技術(shù)工業(yè)有限公司，上海 201600）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)﹀兡C(jī)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。我國磁控濺射鍍膜機(jī)品種質(zhì)量難以參與國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線大部分需要從國外進(jìn)口，目前缺少獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁控濺射鍍膜機(jī)，因此加強(qiáng)鍍膜機(jī)研發(fā)十分迫切。我國鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)缺乏原創(chuàng)思想，而且由于經(jīng)費(fèi)短缺導(dǎo)致有關(guān)基礎(chǔ)研究開展不足。要建立有關(guān)鍍膜機(jī)研發(fā)中心研究設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，需要較大投資，且難以快速建設(shè)研究隊(duì)伍。因此，要充分利用信息技術(shù)成果，引入虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)試，采用創(chuàng)新思想提出原發(fā)性創(chuàng)意方案。

1 真空鍍膜機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)

20世紀(jì)70年代前，磁控機(jī)設(shè)計(jì)以理論分析為主要方法，研究者主要采用理論公式解決設(shè)計(jì)問題。由于邊界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用近似理論公式表述得到近似結(jié)果，制作實(shí)物模型經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)后才能應(yīng)用，設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)磁控重要部件仿真，是磁控機(jī)設(shè)計(jì)方法的重要突破，形成了磁控機(jī)相關(guān)器件設(shè)計(jì)成熟的計(jì)算機(jī)軟件。例如，用于電磁高頻設(shè)計(jì)的有ANSYS等軟件，用于束流動(dòng)力學(xué)計(jì)算的有TRANSPORT等軟件。

隨著磁控機(jī)研究要求的日益提高，相關(guān)軟件的缺點(diǎn)逐漸暴露。例如：程序采用理想化模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況有較大差異；基于特定要求開發(fā)軟件不能進(jìn)行整機(jī)模擬，程序由既定邊界條件出發(fā)進(jìn)行分析，不能給出整機(jī)最佳參數(shù)信息；程序運(yùn)行結(jié)果不能為設(shè)計(jì)人員提供直觀認(rèn)識(shí)，使用中程序要求特定軟件環(huán)境，不能滿足設(shè)計(jì)人員需要。磁控機(jī)驗(yàn)證方案需要很大的經(jīng)濟(jì)投入，現(xiàn)有研究方法不能滿足磁控濺射技術(shù)的發(fā)展需求。虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)90年代后發(fā)展的新設(shè)計(jì)技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合，為產(chǎn)品創(chuàng)意及工藝優(yōu)化提供虛擬三維環(huán)境。研究人員可從綜合集成環(huán)境中得到感性與理性認(rèn)識(shí)，通過對(duì)產(chǎn)品虛擬加工調(diào)試等工程評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造運(yùn)行中暴露的問題。

虛擬樣機(jī)技術(shù)借助VR技術(shù)代替實(shí)物進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證了制造實(shí)施的可行性。虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)逼真人機(jī)交互方式，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)中完成產(chǎn)品的加工運(yùn)行，是全新的設(shè)計(jì)思想，可以減少實(shí)物模型的制造，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。虛擬樣機(jī)技術(shù)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品異地設(shè)計(jì)加工，轉(zhuǎn)變了企業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。發(fā)達(dá)國家重視利用虛擬樣機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)，如美國通用公司實(shí)施虛擬汽車技術(shù)后，試驗(yàn)實(shí)物養(yǎng)車減少為18臺(tái)。美國波音777通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù)完成整機(jī)設(shè)計(jì)和整機(jī)裝配，公司減少了94%的花費(fèi)，模具設(shè)計(jì)精度提高10倍。

2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)境體系結(jié)構(gòu)研究

虛擬樣機(jī)技術(shù)用于鍍膜機(jī)設(shè)備是將涉及物理場(chǎng)理論計(jì)算、信息技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)結(jié)合，在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。磁控濺射鍍膜機(jī)生產(chǎn)線包含真空室、濺射陰極以及供氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的ITO玻璃磁控濺射鍍膜機(jī)生產(chǎn)線系統(tǒng)為可進(jìn)行連續(xù)式垂直濺射系統(tǒng)，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(qiáng)表面特性。真空室為基片鍍膜場(chǎng)所，設(shè)有抽空接管、照明裝置等。

磁控濺射鍍膜機(jī)物理組成龐雜，涉及機(jī)械學(xué)、電磁學(xué)等學(xué)科，需從系統(tǒng)角度建立鍍膜機(jī)虛擬樣機(jī)替換物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。鍍膜機(jī)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)要建立在系統(tǒng)功能需求基礎(chǔ)上。本文將磁控機(jī)物理組成分為執(zhí)行與控制兩部分，通過子功能與結(jié)構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)磁控機(jī)方案設(shè)計(jì)。磁控機(jī)系統(tǒng)組成前進(jìn)行子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)-控制集成，產(chǎn)生可行方案作為磁控機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)備選依據(jù)?？刂谱酉到y(tǒng)與執(zhí)行動(dòng)作子系統(tǒng)融合成單元級(jí)子系統(tǒng)，與其他單元子系統(tǒng)融合形成單元級(jí)子系統(tǒng)聯(lián)系，在方案設(shè)計(jì)階段為磁控機(jī)打好基礎(chǔ)。磁控機(jī)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)描述遵循功能-結(jié)構(gòu)思維，產(chǎn)品由分系統(tǒng)行為描述確定[2]。分系統(tǒng)方案生成要求在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)方案?jìng)溥x集，方案評(píng)價(jià)以分系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)集為依據(jù)，根據(jù)評(píng)價(jià)方法選擇每種分系統(tǒng)優(yōu)越方案，結(jié)合虛擬機(jī)技術(shù)建立磁控機(jī)產(chǎn)品虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)模型。虛擬樣機(jī)模型設(shè)計(jì)階段包括控制子系統(tǒng)面向底層功能仿真建模、系統(tǒng)高層建模等，每部分要在相關(guān)工具支持下實(shí)施。虛擬機(jī)仿真運(yùn)行應(yīng)用運(yùn)行支持環(huán)境，子系統(tǒng)按設(shè)定仿真模式等進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。最后進(jìn)行仿真結(jié)果評(píng)估，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)優(yōu)化磁控機(jī)虛擬樣機(jī)。圖1為產(chǎn)品單元級(jí)設(shè)計(jì)過程。

虛擬樣機(jī)技術(shù)用于磁控機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要相應(yīng)開發(fā)流程等支持。目前針對(duì)虛擬設(shè)計(jì)提出多種體系結(jié)構(gòu)，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將可視化仿真軟件與VR技術(shù)集成支持產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。構(gòu)建虛擬機(jī)支持系統(tǒng)對(duì)軟硬件環(huán)境要求較高，應(yīng)根據(jù)不同用途配置系統(tǒng)。虛擬設(shè)計(jì)虛擬機(jī)系統(tǒng)著重設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互性實(shí)現(xiàn)，不涉及完整學(xué)科領(lǐng)域協(xié)同等復(fù)雜問題。低成本虛擬樣機(jī)系統(tǒng)在中小型制造企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[3]。本文提出多學(xué)科協(xié)同虛擬樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行鍍膜機(jī)虛擬設(shè)計(jì)思想。虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境是支持產(chǎn)品虛擬化設(shè)計(jì)活動(dòng)的支撐應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境，可為開發(fā)人員、仿真工具協(xié)同提供支持。需要解決異構(gòu)模型互操作與分布式仿真問題，將仿真全面應(yīng)用于磁控機(jī)產(chǎn)品開發(fā)，支撐環(huán)境集成相關(guān)領(lǐng)域多種設(shè)計(jì)工具，利用仿真模型分析產(chǎn)品的主要功能。

圖1 產(chǎn)品單元級(jí)設(shè)計(jì)過程

3 磁控濺射鍍膜機(jī)建模

以磁控濺射鍍膜機(jī)為研究對(duì)象，建立用于磁控機(jī)的運(yùn)行仿真、制造控制虛擬樣機(jī)模型理論，對(duì)可能的加工誤差、熱效應(yīng)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[4]。對(duì)重要零部件實(shí)驗(yàn)研究引入駕馭式計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)磁控機(jī)分析，等離子體調(diào)節(jié)可控可視，建立磁控機(jī)分析設(shè)計(jì)與維修虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，利用環(huán)境進(jìn)行磁控機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。仿真技術(shù)用于虛擬機(jī)的目的是把握物理過程整體演進(jìn)，豐富科研途徑。可視化仿真技術(shù)是虛擬樣機(jī)開發(fā)方式的顯著特點(diǎn)。

虛擬樣機(jī)開發(fā)是基于模型的完善過程，利用虛擬模型模擬磁控機(jī)設(shè)計(jì)安裝等生命周期過程，使得磁控機(jī)性能最優(yōu)化。虛擬模型要具有層次化和特征參數(shù)化等特點(diǎn)。以Engineer軟件為建模工具介紹磁控機(jī)虛擬樣機(jī)建模過程，設(shè)計(jì)模型前明確鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)意圖，用戶需要宏觀了解模型，包括基本模型特點(diǎn)、組件包含元件大概數(shù)量等。為提高建模效率，提出建立零件庫自動(dòng)建模功能，通過對(duì)Pro/E程序開發(fā)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(fā)方法，用戶自定義特征是集合數(shù)個(gè)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(dú)特特征。特征元素樹只能通過Toolkit包編程實(shí)現(xiàn)，借助第三方編譯集成環(huán)境調(diào)試，使用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格，在應(yīng)用程序間以函數(shù)調(diào)用方式傳輸資料信息。裝配成本在產(chǎn)品成本中占據(jù)重要地位。產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段考慮零部件可裝配性等各種因素，根據(jù)裝配設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出合理修改意見，以規(guī)劃良好裝配序列為制定產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程提供指導(dǎo)意見。磁控機(jī)是高技術(shù)設(shè)備，需要在虛擬樣機(jī)系統(tǒng)中分析裝配方案。設(shè)計(jì)人員可使用各種裝配工具對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配檢驗(yàn)，獲得合理的裝配方案。

隨著復(fù)雜系統(tǒng)仿真應(yīng)用需求的提高，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展到可視化階段。仿真可視化為研究人員提供了觀察數(shù)據(jù)交互作用的手段。目前，計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作分為輔助與生成動(dòng)畫。關(guān)鍵幀動(dòng)畫通過確定關(guān)鍵參數(shù)值得到中間動(dòng)畫幀序列。算法動(dòng)畫采用算法實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)控制。磁控機(jī)虛擬樣機(jī)可視化的主要工作為微觀粒子動(dòng)力學(xué)可視化。計(jì)算機(jī)模擬微觀粒子動(dòng)力學(xué)研究離子運(yùn)動(dòng)涉及鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)過程，需要進(jìn)行射頻電源產(chǎn)生電場(chǎng)分析，利用動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行粒子運(yùn)動(dòng)可視化，探索物理過程引入磁控機(jī)設(shè)計(jì)過程，以便直觀理解虛擬機(jī)設(shè)計(jì)效果。

4 基于Services分布式交互仿真

鍍膜機(jī)產(chǎn)品仿真需要不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同工作。設(shè)計(jì)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(lián)，構(gòu)成大規(guī)模集成虛擬環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)化制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員通過分布式制程技術(shù)可透明訪問各種信息。DIS系統(tǒng)的任務(wù)是定義層次化結(jié)構(gòu)，將異構(gòu)仿真軟件加入無縫綜合環(huán)境中。DIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括信息傳輸真實(shí)性、時(shí)空一致性等。DIS涉及可靠性技術(shù)、虛擬環(huán)境技術(shù)等。

目前常用仿真平臺(tái)提供集中式協(xié)同仿真運(yùn)行功能，不能支持不同建模人員對(duì)仿真模型組裝，需要研究支持磁控機(jī)產(chǎn)品分布式仿真技術(shù)。多學(xué)科協(xié)同建模實(shí)質(zhì)是多領(lǐng)域模型互聯(lián)操作。分布式協(xié)同交互仿真是基于數(shù)據(jù)交互互聯(lián)互操作方案，模型在解算環(huán)境中運(yùn)行，必要時(shí)與其他模型交互信息，實(shí)現(xiàn)廣泛的協(xié)同集成。常用的分布式交互仿真集成實(shí)現(xiàn)包括Services技術(shù)構(gòu)建仿真環(huán)境等?；跒g覽器模型的Web應(yīng)用具有跨平臺(tái)性等優(yōu)點(diǎn)。Web的新技術(shù)不斷用于DIS，如Web Services使得Web可作為服務(wù)平臺(tái)，快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用集成。本文提出基于Web Services的DIS服務(wù)平臺(tái)，仿真應(yīng)用對(duì)外提供可編程服務(wù)，服務(wù)平臺(tái)可利用Internet計(jì)算資源解決虛擬樣機(jī)分布協(xié)同仿真問題。Web服務(wù)是服務(wù)提供者將應(yīng)用作為服務(wù)部署在Web上，服務(wù)請(qǐng)求者通過Internet在Services注冊(cè)機(jī)構(gòu)查找Web站點(diǎn)的服務(wù)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)綁定。Web服務(wù)可視為現(xiàn)有面向Internet的延伸。支持Web服務(wù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）、通用描述、發(fā)現(xiàn)與集成服務(wù)（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）等。

仿真平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是基于XML定義模型互操作語法。DIS平臺(tái)是運(yùn)用Services體系結(jié)構(gòu)的分布式仿真應(yīng)用環(huán)境。虛擬樣機(jī)分布式協(xié)同設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)功能包括設(shè)計(jì)知識(shí)共享、仿真工具遠(yuǎn)程調(diào)用等。DIS框架具有很好的靈活性，包括用戶層與中間層。設(shè)計(jì)人員通過Services技術(shù)調(diào)用仿真工具ADAMS進(jìn)行磁控機(jī)虛擬樣機(jī)協(xié)同建模，使用Java API類庫中函數(shù)連接MALBTA。ADAMS提供CORBA對(duì)象包裝，通過遠(yuǎn)程方法調(diào)用/互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部對(duì)象請(qǐng)求代理協(xié)議（RMI/Internet Inter-ORB Protocol，RMI/IIOP）協(xié)議連接到Services容器。DIS平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)不同于基于組件開發(fā)方法。分布式仿真平臺(tái)開發(fā)包括Services實(shí)現(xiàn)仿真服務(wù)，用戶端應(yīng)用程序在UDDI中搜索仿真服務(wù)，得到需要的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。MATLAB應(yīng)用程序功能是接收輸入超文本標(biāo)記語言（HyperText Markup Language，HTML）表單仿真參數(shù)輸入值，將仿真結(jié)果輸出到HTML頁面。調(diào)用Web仿真服務(wù)需要得到可執(zhí)行應(yīng)用程序matlabserver.exe支持，Web服務(wù)代理matweb.exe將對(duì)MATLAB請(qǐng)求定向到matlabserver.exe進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

本文分析磁控鍍膜機(jī)功能模型和磁控機(jī)虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境體系研究?jī)?nèi)容，構(gòu)建支撐環(huán)境體系結(jié)構(gòu)框架。根據(jù)磁控機(jī)特點(diǎn)構(gòu)建虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)支撐環(huán)境體系結(jié)構(gòu)，建立鍍膜機(jī)虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型；對(duì)磁控機(jī)關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)建模功能；為鍍膜機(jī)零部件制造提供加工圖紙，改變傳統(tǒng)自部件開始設(shè)計(jì)方式，并在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行鍍膜機(jī)制造安裝等生命周期分析；將磁控機(jī)可視化仿真引入鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)，豐富鍍膜機(jī)研制方式；充分利用網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)協(xié)同樣機(jī)設(shè)計(jì)。