Введение к работе
Актуальность темы. В современных экономических условиях особую важность приобретает обшегосударственная задача увеличения объемов выпуска^ а "также улучшения качества радиоэлектронных средств (РХ), включающих используемые при их изготовлении изделия элементной базы. К РЭС следует также отнести и изделия бытовой видеотехники.
Решение данной задачи связано с необходимостью повышения эффективности действующих производств на основе внедрения автоматизированного технологического оборудования, интегрированного в рамках локальных гибких производственных систем.
Производство РЗС представляет сложную технологическую систему, в состав которой входят автономные гибкие производственные системы изготовления элементной базы и узловой сборки и обработки, взаимодействующие посредством соответствующих элементов транспортно-накопительной системы с конвейерными системами заключительной сборки изделия. Особое место в производстве РЭС занимает изготовление элементной базы, номенклатура которой постоянно расширяется, включая широкий перечень интегральных схем (ИС', в том числе большие (БИС) и сверхбольшие схемы (СБИС).
Следует отметить, что в структуре производства РХ присутствует ряд технологических процессов СТП), не реализуемых существующим автоматизированным промышленным технологическим оборудованием, что требует создания соответствующих специальных средств их автоматизации.
К таким ТП, в частности, относятся технологические процессы газофазного осаждения тонких диэлектрических и поликристаллических пленок, используемых в производстве БИС и СБИС, а такие процессы УФ-сушки и ИК-пайки, в значительной мере оказывающие влияние на качество РХ, а также на уровень их эксплуатационной надёжности. Кроме того, практичеовую значимость имеет дальнейшее совершенствование управления гибкой производственной системой сборки печатных узлов, представляющей сложную, с позиции математического описания и анализа технологическую систему, ввиду того, что здесь материальные потоки подвержены одновременному воздействию ка? операций сборки, так и операций ооработади Все это требует проведения исследований в
области моделирования и оптимизации параметров технологичен >-ских объектов и систем в рамках гибкого интегрированного производства.
Таким образом, актуальность темы продиктована необходи- ыоотью обеспечения высокой эффективности функционирования автоматизированного оборудования и производства РЭС на всех его структурных уровнях.
Тематика диссертации связана о реализацией соответствующих разделов "Комплексно-целевой программы по созданию автоматизированных и автоматических производств на предприятиях отрасли в 1986 - 1996 гг." и "Комплексной программы развития производства товаров народного потребления и сферы услуг на 1988 - 2000 годы", соответствует научному направлению Воронежского государственного технического университета "Разработка САПР, роботов, ГАТТ.
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка моделей и алгоритмов управления специальным технологическим оборудованием производства РЭС в условиях гибкого интегрированного производства.
Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования:
-
Системный анализ структуры компьютерно-интегрированного производства РЭС, на примере бытовой видеотехники, определяющий требования к уровню автоматизации локальных технологических ОбЪеКТОВ И 0И0Т6М.
-
Разработка формализованного - описания технологических процессов газофазного осаждения тонких диэлектрических и поликристаллических пленок, а также ИК-пайки как основы Построении математических моделей рационального управления.
-
Алгоритмизация рационального управления режимами работы специального технологического оборудования гибкого интегрированного производства РЭС.
-
Разработка средств моделирования и управления гибкой производственной оиотемой оборки печатных узлов.
Б. Разработка средств прикладного программного обеспечения оиотемы управления специальным технологичеоким оборудованием гибкого интегрированного производства РЭС. '
б. Разработка оредств управления автоматизированным опец-технологическим оборудованием для процеооов осаждения тонких
диэлектрических и поликриоталлических пленок, УФ-сушки и ИК-пайки, сборки печатных узлов.
7. Реализация-разработанных средств управления и спецтех-'
нологического оборудования в производственных условиях.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории графов, теории автоматического управления, теории математического моделирования, математического программирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
модели технологических процессов газофазного' осаждения тонких диэлектрических я поликристзлляческж пленок, процесса ИК-пайки, базирующиеся на фундаментальных физико-химических законах, позволяющие определить необходимые параметры управ-
> ,
алгоритмы рационального управления специальным автоматизированным оборудованием, обеспечивающие его интеграцию в рамках гибких производственных систем;
имитационная модель гибкой производственной системы сборки печатных узлов, отличающаяся воспроизведением в рамках обобщенной моделирующей процедуры технологических процессов сборки и обработки;
оптимизационная модель задачи управления гибкой производственной системой сборки печатных узлов, обеспечивающая формирование рациональных технологических режимов;
элементы прикладного программного обеспечения системы управления специальным технологическим оборудованием интегрированного производства РЭС. .
Кроме того, в работе предложен ряд оригинальных техниче' -ских решений, положенных в основу конструкций соответствующего специального автоматизированного оборудования, защищенных авторскими свидетельствами. "
Практическая ценность. Предложенные в работе модели и алгоритмы положены в основу'при разработке специального оборудования, реализующего технологические процессы изготовления элементной базы и РЭС: осаждения тонких диэлектрических и поликриоталлических пленок, УФ-сушки и ИК-пайки и сборки компонентов печатных узлов.
Внедрение в рамках локальных гибких проиэввдственных сие-
4 тем целого ряда ароматизированных комплексов на базе 1Б единиц спецтехнологического оборудования обеспечило высокий уровень эффективности и качества функционирования гибких производств в НПО "Электроника". Это позволило в три раза увеличить производительность труда.и повысить до двух раз надежность серийно выпускаемых" видеомагнитофонов серии "Электроника", повысить процент выхода годных выпускаемых БИС и СБИС.
Теоретические и практические результаты работы могут быть использованы при решении вопросов автоматизации ' производств изделий электронной техники и радиотехнической аппаратуры.
Основные результаты работы реализованы в НПО "Электроника" в рамках локальных гибких производственных оиотем изготовления элементной базы и РЭС, в чаотнооти, видеомагнитофонов различных моделей, что подтверждено. соответствующим актом внедрения.
Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертации составил более 76 миллионов рублей в ценах 1994 года за счет повышения производительности труда и качества работы соответствующих локальных гибких производственных оиотем.
Апробация работы. Ооновные положения диооертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Физике-термическое оборудование и автоматиаация технологических процессов" . {Москва, 1980) ; отраслевой конференции "Полупроводниковые отруктуры о диэлектричеокой изоляцией и ИС на их основе", (Воронеж, 19&І). . j конференции "Современное состояние и перспективы развития техники контрольно-измерительного и испытательного оборудования", . СВоронеж, 1986 ); конференции "Современное соотолние и перспективы разработки оборудования для поверхностного монтажа", . (Нижний Новгород, 1992) j научно-технической конференции "Состояние и лути повышения надежности видеомагнитофонов", :{ Воронеж, 1994),.« а также на научных семинарах кафедры ABC ВГТУ.
Публикации. По теме диооертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 аатороких свидетельства; .
Личный вклад автора. Ооновные результаты работы получены лично автором. Автором разработаны модели технологических процессов, алгоритмы и оредотва управления. Под руководством и непосредственном участии автора разработано опецтехнологиче> ское оборудование и автоматизированные комплексы для гибкого
интегрированного производства РЭС.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изіоженннхнаІбО страницах машинописного текста, описка литературы из 101 наименования, приложений на 10 страницах, содержит 28 рисунков и 5 таблиц.
_ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во, введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи работы, показаны научная новизна и значи-иость работы, приведены сведения об апробации результатов.
В первой главе рассмотрены пути повышения эффективности производства радиоэлектронных "средств. Определены особенности функционирования гибкого интегрированного производства рас, включающих и элементную базу, проведен анализ отруктуры компьютерно-интегрированного производства РЭС, на примере производства бытовой видеотехники. Особенностями гибкого интегрированного производства РЭС являются его многоноыенклатурность и большое многообразие технологических процессов, включающих сложные химические, физико-термические, прецизионные процессы, характеризующие производство элементной базы и изготовление РЭС.
Основные требования многономенклатурного производства РЭС заключаются в* непрерывном обновлении выпускаемой продукции и необходимости высокой эффективности производства," в сочетании о быстрой переналаживаемостью.
Обеспечение этих требований невозможно без разработки алгоритмов управления -автоматизированным спецтехнологичеоким оборудованием и создания на их основе гибких производственных систем.
Показано, что эффективность производства РЭС, на примере бытовых видеомагнитофонов, эавиоит от качества элементной базы, а частности от качеотва ИС.
Процессы осаждения тонких диэлектрических и поликриотал-яичеекях пленок из газовой фазы определяют качество ' полупроводниковых структур ИС. В связи с чем возникла необходимость в моделировании этих процессов для разработки автоматизированного модуля осаждения тонких диэлектрических и поликристалличе -ких" "плёнок при пониженном давлении.
Постоянное обновление выпускаемой продукции, широкая но-
6 менклатура применяемых ЭРЭ требует .проведения работ, по автоматизации сложных процессов сборки печатных узлов, чем и обусловлена разработка как оредотв управления, так и автоматизированного спецтехнологического оборудования для ГАУ универсальной установки различных типов ЭРЭ.
ГАУ универсальной установки о управлением от ЭВМ выполнен на базе автоматизированного комплекса подготовки и монтажа ЭРЭ на печатные платы, в состав которого включены АРМы, обеспечивающие автоматизированную установку ЭРЭ на печатные платы. Такой ГАУ необходим в серийном производстве РЭА для оборки печатных узлов совмеотно о автоматическими линиями установки ЭРЭ и обеопечивает переналаживаемость ГНС оборки НУ в условиях многономенклатурного производства.
При этом потребовалась разработка системы управления АРМами в рамках ГАУ., а также средств моделирования и управления гибкой производственной оистемой оборки печатных узлов.
Для подготовки выводов ЭРЭ на ГАУ универсальной уотавовки разработаны автоматы подготовки. Сборка печатных узлов по технологии поверхностного монтажа требует применения специального технологического оборудования. Основными процеооами в технологии сборки печатных узлов явлаютоя операции УФ-оушки и ИК-пай-ки печатных узлов.
Анализ функциональной отруктуры компьютерно-интегрированного производства РЭС позволил определить требования, предъявляемые к гибкой проивводотвеввой оиотеме оборки печатных узлов о точки зрения синхронизации ее элементов на уровне материальных и информационных потоков.
Проведенный анализ функционирования интегрированного про- . изводотва РЭС позволил обосновать цели и задачи данной работы.
Вторая глава посвящена разработке и моделирование технологических процеооов производства элементной, базы и РЭС как объектов автоматизации. Рассмотрено моделирование процеооов осаждения диялектричёоких и поликриоталличеоких плевок при пониженном давлении для производства ИС и процеооа ИК-пайки для оборки.печатных узлов по технологии поверхноотного монтажа.
Сущность метода осаждения слоев из газовой фазы состоит в том, что на поверхности, нагретой до заданной температуры,. в результате многофазного яроцеооа образуется твердый продукт в виде тонкой пленки. Взаимодействие отдельных составляющих
процессов газофазного осавдения диэлектрических и поликристаллических .пленок при пониженном давлении представлено моделью, "в" которой определены маршруты их протекания и позволякшей формализованное описание этих процессов.
Формирование интегрировазшой~*мрдели процессов осаждения при пониженном давлении представляется на основе уравнения распределения концентрации активных компонентов в реакторе (рис.1), которое в стационарных условиях запишется:
Di?2Ci- ViVd + tji - 0, (1)
где Dj - коэффициент диффузии і->го компонента; Сі - концентрация активного компонента; V4 - вектор скорости движения компонента;. qt - скорооть образования компонента.
В зазоре между пластинами принимается V-Q, и из уравнет шя (1) получаем:
DiV2 С4 + qt - 0 . (2)
Модель определяет отклонения значений скорости осаждения іа пластине для пленок, процессы осаждения которых протекают id. различным маршрутам.
Скорость осаждения представляет собой велтеину, зависимую it технологических и конструктивных параметров системы.
В контурв управления специальным технологическим оборудо-анием газофазного осаждения тонких диэлектрических и прлик-иоталлич'еских пленок . в качестве контролируемого параметра ыступает скорость осаждения. G. Целью управления является беспечение заданного уровня величины G в условиях активного оэдейотвия; на параметры-управления.
Моделирование процесса ИК-пайки для сборки печатных узлов э. технологии поверхностного монтажа, проведено на основе решена, дифференциального уравнения теплопроводности, позволяющего іределить значения параметров^управления: плотности теплового жжа., температуры для' данных значений скорости движения и элщинывідати, которые' испйпьэуются в контуре управления для элучения рационального профиля температуры, обеспечивающего эебуемое качество пайки в процеосе работы установки (рйс7 Z), . Модель обеспечивает вычисление и контроль температуры в идой точке платы в процеосе ее движения.
Гц «л *ч аЄ-"і
її mi и ік
Рио. 1. Общая схема иодуля осаждения пленок: 1 - реактор; 2- иамеритель давления; 3 - нагреватели; 4 -пневмоуправляемые клапаны; 5 - сиотема управления; в -пластины
Рио. 2. Схема установки УФ-сушки и ИК-паики; 1 - регуляторы температуры; 2 - ИК-лампы; 3 г печатная плата; 4 - точка крепления контрольной термопары; Б - модуль УФ-оуики; в - отражатель; 7 - модуль охлаждения; 8 - конвейер
В третьей главе рассматриваются алгоритмизация микропро
цессорного управления оборудованием и разработка средств авто
матизации.
Спецтехнологическое оборудование для осаждения тонких диэлектрических и поликриоталлических пленок из газовой фазы, ИК-пайки и УФ-сушки предполагает автоматическое управление следующими параметрами процессов: температурой, скоростью расхода газовых смесей, давлением в камере. Управление процессами осаждения, пайки печатных плат производится с помощью ЭВМ в режиме интерактивного обмена через монитор.
Для обеспечения автоматического управления процессом разработаны алгоритмы и программы: интерактивного управления опецтехнологическим оборудованием, измерения скорости конвейера, управления двигателем конвейера, а также регулятора, обеспечивающего автоматическое управление технологическими параметрами, температурой, расходами газа и давлением в реакторе.
Алгоритм работы регулятора обеспечивает ГОД-закон регулирования о возможностью отключения любой составляющей:
Дііі - лищ + Дііді + /Шиї. ' (3)
-і »
где AU4 - приращение полного управляющего воздействия,'
Шщ - пропорциональная составляющая ІВД- закона регулирования;
Дииі - интегральная составляющая ІВД - закона регулирования;
Диді - дифференциальная составляющая ПИД - закона регулирования;
Цп.і - Кп Е; (4)
і
Umi-EKmEj - UM (1-1) + Ки En (Б)
ЦДі - кд ( Еі - Et-i ), (в)
где Кп - коэффициент пропорциональности;
-'at
Ки - - коэффициент уоиления интегральной части;
Кп - —— - коэффициент усиления дифференциальной чаоти; At
Тд - постоянная времени дифференцирования, о; Ти - постоянная времени интегрирования, о; Еі - Твад - Ті - рассогласование между заданным и текущим значением температуры;
At - дискретность работы регулятора. В случае П и ПИ- закона используются соответствующие части приведенного алгоритма.
Коэффициент Ки являетоя переменным и расочитываетоя следующим образом:
[ Ки ( 1 - cijEil) , если а і-Еіі < 1 ,'
ки - { . , <7>
О , еоли а | Еіі > 1
В данной главе представлено автоматизированное опецтехно-логическое оборудование, разработанное на основе предложенных моделей и алгоритмов: гибкий автоматизированный модуль осаждения тонких диэлектрических и поликриоталлических пленок при пониженном даглении, гибкий автоматизированный модуль УФ-оушки и Ж-пайки, а также автоматизированное спецтехнологическое оборудование для сборки печатных узлов.
Гибкая производственная система (ГПС)'сборки печатных узлов (ПУ) включает следующие формальные атрибуты: концентраторы материальных потоков (склад входной, промежуточной, Готовой продукции), обрабатывающие центры (ОЦ), транспортные роботы (ТР), коммуникационную.сеть транспортной системы (ТС), технологические центры сборки (ТЦС), связанные детерминированной транспортной сетью.
Данная технологическая система сборки. (ПУ) асинхронного типа о последовательно-параллельной структурой материальных потоков включает 2 ГАУ: ГАУ автоматической установки ЭРЭ на печатные платы (ГШ) и ГАУ универсальной установки ЭРЭ на Ш.
. ГАУ автоматической установки ЭРЭ на ГШ оснащена ГПМ автоматической установки ЭРЭ с радиальными выводами из ленты, о вклеенными ЭРЭ по типономинадаы и ГШ автоматической уотановки предварительно вклеенных ЭРЭ о осевши выводами. На этом участке имеютоя ГШ вклейки ЭРЭ по типономиналам и по програм-
ГПМ вклейки ЭРЭ по номиналам в
липкую
ленту
Вх.Н
ГПМ ГПМ а)
?аі зо;
1]
ITC ЛЯ В(
IX.
)Р
о>:
Рио.- 3. :>/ Структурная охема гибкой производственной оио-темы оборки печатных узлов
ме. ГАУ универсальной уотановки ЭРЭ на ПП включает ОЦ ГПМ подготовки ЭРЭ и ТЦС доуотановки ЭРЭ на ПП на Сазе АРМ (рио. 3). ' В имитационной модели (ОЦ) и (ТЦС) представлены #d&Carpe-гаты, каждый из которых оснащен входным и выходным накопителем. ...:..
12 "
Имитационная модель ГПС сборки печатных увлов включает следующий набор модулей моделирования:
модуль "транспортный робот" (ТР) имитирует движение ТР в соответствии о характеристиками технологического маршрута;
модуль "агрегат" имитирует производственную операцию, загрузку' и разгрузку входных и выходных накопителей;
модуль "склад" имитирует работу окладов входной, готовой и промежуточной продукции, воспроизводит процессы загруэки и разгрузки ТР на склада/ и самих окладов различными .видами пла-токомплектов и печатных узлов.
В имитационной модели производится вычисление следующих основных статистических показателей функционирования ГАУ: среднее время активности агрегатов и ТР и коэффициенты загрузки; период выпуска изделии; среднее число изделий в накопителях; общее число сбоев каждого элемента ГАУ; число запущенных и выпущенных изделий по номенклатуре и по ваі/.
Имитационная модель использована для анализа вариантов перераспределения материальных потоков . между альтернативными элементами технологического оборудования в оперативных условиях возникновения несанкционированных сбойных оитуаций. Подученные в результате моделирования данные используются в контуре управления локальными технологическими объектами ГАУ оборки печатных узлов.
В четвертой главе приведено описание программного обеспе
чения систем управления автоматизированным технологическим
оборудованием, рассмотрены автоматизированные комплексы произ
водства элементной базы и РЭС, а также изложены результаты их
внедрения. (
Комплекс средств программного обеспечения сиотемы управ- . ления автоматизированным технологическим оборудованием производства РЭС включает три уровня программных оредств. , Первый уровень составляет программное обеспечение управления локальным технологическим оборудованием, имеющее модульную отруктуру и разработанное на языке "Assembler", например, программа интерактивного управления гибким производственным модулем УФ-оуики и ИК-пайки.
Программа включает в себя подпрограммы: "Основное меню", "Ввод и корректировка данных", 'Выбор рабочих зон", ЧІзмере-ниэ температуры в зонах и скорости конвейера", "Вычисление $
13 выдача управляющего воздействия на нагреватели и двигатель
конвейера".- Дій-расчета-управляющих воздействий по заданным
законам регулирования технологических параметров разработана программа "Регулятор", которая состоит из основной программу и библиотеки програшных модулей, включающих:'
RGVKL - модуль первого включения;
PRGL - П-регулятор;
IRGL - И-регулятор;
DRGL - Д-регулятор.
Количество возможных модулей - 16, что соответствует количеству разрядов в модификатореj посредством которого задается структура регулятора. Каждому Ситу модификатора соответствует программный модуль.
На втором уровне программные средотва обеспечивает информационное управление гибкой производственной системой сборки печатных узлов и позволяют следующие задачи:
выдача информации на дисплей по запросу оператора (адреса свободных ячеек, содержимое ячеек накопителей);
автоматизированный учет комплектации, печатных плат, печатных узлов, учет деталей и материалов;
формирование ведомости дефицита, учет прихода-расхода комплектующих;
учет выполнения задания участками.
На третьем уровне комплекс программных средств обеспечивает моделирование и анализ вариантов перераспределения материальных потоков между элементами гибкой производственной системы сборки печатных узяов. Задача оптимального перераспределения материальных потоков в оперативных условиях решается на основе следующей оптимизационной модели, предусматривающей обеспечение максимума выпуска целевого продукта в условиях ограниченного производственного ресурса. Пусть технологическая система включает п технологических центров сборки (ТЦС) (п < р - количеотво работоспособных ТЦС).
Обозначим через lij-интенсивность материалопотока, поступившего на j-й ТЦС с группы, i-x ОЦ,чиоло которых т; tj-время технологического цикла 3-го ТЦС; nj - количеотво техиологиче. -ских циклов, выполняемых ;^ым ТЦС за смену; Oj - пропускная опособнооть j-ro ТЦС. Введем вулевую переменную Xij, которую определим оледующим образом :
14 .
I, если і- и СЦ включен в технологическую систему; О, в противнем случае .
Тогда матемзтнческая модель задачи оптимального перерасп
ределения ЭРЭ на включенный 1-й центр может быть сформулирова
на: . .
Д jE^jljjtjXtj ~> max
т при следующих ограничениях L ljjXij < oj , Xij » {0,1>
i-1
Эта задача дискретного программирования с булевыми переменными решается методом "вектора спада".
Комплекс программных средств внедрен в производство элементной базы и РЭС, в частности,в производство бытовой видеотехники, вместе с автоматизированным оборудованием.
