開(kāi)題報(bào)告--石英晶體真空退火爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　題 目：石英晶體真空退火爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)生姓名： XXXX 學(xué) 號(hào)： XXXXXXXXX </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 XXXXX（教授） </p><p><b>　　1.文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　1.1 關(guān)于石英晶體</p><p>　　石英，一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，主要成分是二氧化硅，化學(xué)式SiO2，常含有少量雜質(zhì)成分如Al2O3，CaO，MgO等，，外觀呈乳白色、灰白半透明狀態(tài)，為半透明或不透明的晶體，質(zhì)地堅(jiān)硬（莫氏硬度為

3、7），密度介于2.22~2.65之間。[1]</p><p>　　石英是地球表面分布最廣的礦產(chǎn)資源之一，其物理、化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)定，用途也相當(dāng)廣泛。早在石器時(shí)代，就有人們用它制作簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工具（如石斧、石箭等）；另外石英晶體對(duì)溫度很敏感，采用它做成測(cè)溫計(jì)的精度可達(dá)到百分之一攝氏度。石英晶體由于其壓電、震蕩、儲(chǔ)存記憶的特性，在機(jī)電領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，下面做簡(jiǎn)要介紹：</p><p>　

4、　1 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)（壓電晶體喇叭）</p><p>　　2 將機(jī)械震動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（門(mén)、窗震動(dòng)報(bào)警）</p><p>　　3石英晶體元器件 石英晶體元器件主要用于通信設(shè)備、微機(jī)系統(tǒng)、家用電器（彩電以及音像）、廣播電視設(shè)備、各種電子儀器儀表等各個(gè)方面。[2]</p><p>　　3.1 石英晶體振蕩器</p><p>　　石英晶體振蕩

5、器，簡(jiǎn)稱為晶振器，它是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)[3]。</p><p>　　石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家用電器和通信設(shè)備中。石英晶體振蕩器是目前精確度和穩(wěn)定度最高的振蕩器，在全球定位系統(tǒng)和移動(dòng)通信等系統(tǒng)中隨處可見(jiàn)。&

6、lt;/p><p>　　3.2 石英晶體濾波器</p><p>　　石英晶體濾波器就是采用石英晶體諧振器作為主要元件而構(gòu)成的濾波器。在石英基片表面配置若干對(duì)金屬電極構(gòu)成的帶通或帶阻濾波器，利用壓電效應(yīng)的能陷入理論，選擇電極振子的幾何尺寸、返回頻率和電極振子間距，控制超聲波的聲耦合，從而達(dá)到濾波的目的。</p><p>　　石英晶體濾波器具有很高的品質(zhì)因數(shù)（數(shù)萬(wàn)以上）、頻

7、率選擇度十分陡峭、阻帶衰減高 、矩形系數(shù)好、頻率溫度穩(wěn)定性好、體積小、損耗低等特點(diǎn)，被公認(rèn)為電子產(chǎn)品的重要部件，其主要功能是作為各種電信號(hào)的提取、分隔、抑止干擾。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品門(mén)類及使用頻段的不斷擴(kuò)展，各種電子設(shè)備之間的干擾也日趨嚴(yán)重，因而濾波器不但是確保電子產(chǎn)品本身正?？煽抗ぷ鞯闹匾考?，而且是減少相互影響、確保正常工作環(huán)境的重要器件，因而，可以毫不夸張地說(shuō)，在具有特定功能的電子產(chǎn)品中均有濾波器的蹤跡可尋。在軍、民用

8、電子設(shè)備中應(yīng)用極其廣泛，特別是在中頻范疇內(nèi)具有不可替代的地位。發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)新型壓電材料、擴(kuò)展帶寬、減少帶內(nèi)延時(shí)波動(dòng)、增大帶外衰減、擴(kuò)充和提高中頻點(diǎn)及線性度、封裝單片尺寸進(jìn)一步小型化和片式化。</p><p>　　4 石英晶體元器件的市場(chǎng)需求</p><p>　　隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和電子整機(jī)的小型化、高性能的發(fā)展趨勢(shì)，石英晶體元器件的市場(chǎng)需求量還將快速增長(zhǎng)。目前全世界電子市場(chǎng)對(duì)石英

9、晶體元器件的總需求量約為55億只，年增長(zhǎng)率為10％。</p><p>　　在電子信息產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，從兒童電子玩具，電子手表，手機(jī)，電視，計(jì)算機(jī)到航空航天中占據(jù)著不可替代的位置。而這些行業(yè)對(duì)石英晶體的質(zhì)量有著極高的要求 ,真空退火是其中間和成品生產(chǎn)的重要工藝過(guò)程。在無(wú)氧化和無(wú)污染狀態(tài)下進(jìn)行消除應(yīng)力或再結(jié)晶退火 ,以消除加工硬化和恢復(fù)塑性。加熱退火處理的方法很多，但采用真空退火對(duì)石英晶體材進(jìn)行退火處理，是晶體加工

10、領(lǐng)域一項(xiàng)較新的技術(shù)和工藝。它以熱處理清潔、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染的特點(diǎn)越來(lái)越引起人們的重視。</p><p>　　1.2 關(guān)于晶體真空退火爐</p><p>　　退火是將鋼材或各種金屬機(jī)械零件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，可以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其目的是為了細(xì)化組織、降低硬度、改善機(jī)械切削加工性能及去除內(nèi)應(yīng)力。在機(jī)械制造行業(yè)，退火通常作為工件制造加工過(guò)程中的預(yù)備熱處理工序

11、。</p><p>　　石英晶體元器件是電子領(lǐng)域不可或缺的重要器件。晶體真空退火爐是石英晶體元器件生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，經(jīng)過(guò)退火處理的石英晶體，消除了在加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力及輕微表面缺陷。毫不夸張的說(shuō)，真空退火爐的溫度控制水平直接決定了石英晶體的質(zhì)量。</p><p>　　本課題為用PLC設(shè)計(jì)石英晶體真空退火爐的電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)課題我查閱了大量的文獻(xiàn)和教材，現(xiàn)在就查閱的資料簡(jiǎn)述一下晶體真空

12、退火爐的現(xiàn)狀和發(fā)展前景。</p><p>　　1.21發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)石英晶體元器件生產(chǎn)線上采用的晶體真空退火爐大部分從國(guó)外進(jìn)口，采購(gòu)價(jià)格、維護(hù)經(jīng)費(fèi)高昂以及維修技術(shù)達(dá)不到等等使得我國(guó)在晶體退火方面倍加難堪。該領(lǐng)域的一些關(guān)鍵性技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)被歐美國(guó)家壟斷，石英晶體又是現(xiàn)代電子信息時(shí)代的必要性元件，鑒于晶體真空退火爐的發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)已有人著手研究和開(kāi)發(fā)，并且已在理論階

13、段取得可觀的成就，投產(chǎn)的退火爐目前售后反饋基本良好，得到了大部分廠家的認(rèn)可，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的長(zhǎng)期空白。</p><p><b>　　玉田真空退火爐照片</b></p><p><b>　　1.3關(guān)于PLC</b></p><p>　　可編程控制器( PLC) 是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、功能較完備的新型控制元件, 其主要

14、優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng), 可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性, 提高生產(chǎn)效率, 所以特別適用于工業(yè)控制[1]。PLC控制的優(yōu)點(diǎn)主要有一下幾點(diǎn)：</p><p>　　(1) 靠性高，抗干擾能力強(qiáng)</p><p>　　可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用PLC構(gòu)成控制系

15、統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。</p><p>　　(2) 功能完善，適用性強(qiáng)</p><p>　　PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái)PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到

16、了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。</p><p><b>　?。?）編程容易</b></p><p>　　PLC作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC

17、的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。</p><p>　　(4) 體積小，重量輕，能耗低</p><p>　　以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。</p>&

18、lt;p>　　本課題要求設(shè)計(jì)石英晶體真空退火爐的控制系統(tǒng)，因此, 在石英晶體真空退火爐研制過(guò)程中, 設(shè)計(jì)了基于 PLC的電氣控制系統(tǒng)，該電控系統(tǒng)以PLC為控制核心,觸摸屏為人機(jī)接口,使系統(tǒng)控制界面友好,簡(jiǎn)單直觀,便于操作。改造后解決了原有電控系統(tǒng)存在的問(wèn)題,保證了控制系統(tǒng)的可靠性,增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的操作性。</p><p>　　2 課題總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 本課題需

19、要解決的問(wèn)題及技術(shù)要求</p><p>　　該控制系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)控制真空機(jī)組中各設(shè)備的啟停，實(shí)現(xiàn)高低兩種真空狀態(tài)。并在高真空狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)多工作區(qū)恒溫控制，應(yīng)有合適的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀況監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置。</p><p>　　2.2 晶體真空退火爐控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案擬定</p><p>　　------真空退火爐的工藝過(guò)程</p><p>　　該退

20、火爐主要由左右兩個(gè)真空室、真空機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成。兩個(gè)真空室可分別獨(dú)立工作?？紤]到石英晶體元件體積較小, 為充分利用真空室內(nèi)工作空間, 將每個(gè)真空室分割成 7個(gè)工作區(qū), 如圖所示, 每區(qū)裝有熱電偶和電阻加熱管, 可單獨(dú)控制該區(qū)的溫度。這樣, 每個(gè)真空室的真空度一致, 但各工作區(qū)的溫度可以是不同的, 使用起來(lái)更加方便。</p><p>　　設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)首先啟動(dòng)機(jī)械泵和分子泵，并打開(kāi)前閥進(jìn)入

21、待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)操作人員在左（右）真空室溫控區(qū)放置晶體元件并設(shè)定好溫度真空度等參數(shù)后，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)始工作，首先關(guān)閉前閥FV，打開(kāi)低閥RV1（RV2），由機(jī)械泵對(duì)左（右）真空室抽低真空；低真空到達(dá)后，關(guān)閉低閥RV1（RV2），打開(kāi)前閥FV，打開(kāi)主閥MV1（MV2），開(kāi)始對(duì)左（右）真空室抽高真空；同時(shí)溫控系統(tǒng)開(kāi)始工作，加熱管加熱，使真空室溫度跟隨設(shè)定曲線，對(duì)晶體元件進(jìn)行退火處理</p><p>　　設(shè)備的工藝過(guò)程主要分為3

22、步：</p><p>　　第1步, 抽真空。真空機(jī)組將真空室由大氣壓抽到低真空( 10 Pa 左右) , 再抽到高 真空(5*10-3Pa 左右) 。</p><p>　　第2步, 溫度控制。由加熱管對(duì)工作區(qū)加熱, 使工作區(qū)的溫度跟隨設(shè)定曲線變化, 對(duì)晶體元件進(jìn)行退火處理。</p><p>　　第3步, 真空釋放。退火時(shí)間到后, 依次打開(kāi)放氣閥和排氣閥將真空釋放,

23、恢復(fù)到大氣壓力后可打開(kāi)爐門(mén)取出晶體元件, 完成真空退火處理。</p><p><b>　　真空系統(tǒng)程序流程圖</b></p><p>　　圖1 真空退火爐工藝過(guò)程</p><p>　　2.3 晶體真空退火爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　選用西門(mén)子的S7-300系列（CPU224CN型）PLC作為控制中心。該系列PL

24、C具有數(shù)字輸入、輸出功能，有豐富的功能指令，14個(gè)24VDC輸入，10個(gè)繼電器輸出端子EM223模塊：擴(kuò)展數(shù)字量模塊，8個(gè)24VDC輸入端子，8個(gè)輸出端子，總共22個(gè)輸入端子，18個(gè)輸出端子，能滿足整個(gè)系統(tǒng)的控制要求。</p><p>　　S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)

25、，具備高速（0.6~0.1μs）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)

26、誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時(shí)，模塊更換，等等）；多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7-300 PLC設(shè)有操作方式選擇開(kāi)關(guān)，操作方式選擇開(kāi)關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫(xiě)用戶程序。具備強(qiáng)大的通信功能，S7-300 PLC可通過(guò)編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易</p><p><b&g

27、t;　　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　西門(mén)子的S7-300系列PLC采用STEP7 4.0編程語(yǔ)言在PC機(jī)上編程，最后下載固化到CPU中。確保了程序的易操作和可靠性。</p><p>　　結(jié)論:晶體真空退火爐及PLC系統(tǒng)控制已經(jīng)投入生產(chǎn)運(yùn)行。實(shí)際表明：PLC控制系統(tǒng)滿足管材退火的生產(chǎn)工藝要求，退火爐加熱效率高，操作方便，產(chǎn)品質(zhì)量高具有清潔、經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染小的特點(diǎn),

28、 具有一定的運(yùn)用和推廣價(jià)值。</p><p><b>　　結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　本課題所設(shè)計(jì)的石英晶體真空退火爐在石英晶體加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可大大提高晶體的生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)中，通過(guò)查閱了大量的資料和老師給予的指導(dǎo)，對(duì)真空退火爐控制系統(tǒng)有了深刻的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，在對(duì)一些結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過(guò)程中，鞏固了所學(xué)的知識(shí)，深刻理解一些結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。最后對(duì)常老師的指導(dǎo)、