автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Исследование и разработка транспортных систем для сверхвысоковакуумного сборочного оборудования

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз. N ^ 5

САПЕКО Ншоипн Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТШ ДЛЯ СВЕРХВЮТКОВАКУУМНОГО СБОРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Спешельиость 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств 05.27.07 - Оборудование производства электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисгсаиие ученой степэри - кандидата технических наук

Москва - 1995 г.

Работа выполнена в Московской ордена Лепила, ордена

Октябрьской Революции л ордена Трудозого Красного Знамени

гоотл'Фстаонком техническом университета ж. Н.Э.£аум;»на

Научньг руководитель - докюр технических наук, профессор Деулин е.А.

Официалмшз сп;:снептн - доктор техническая наук, врофэссор Александрова А.Т. - кандидат технически наук Раяипский 8.П.

Ведущчя организация - АООТ "МЗЛЗ"

Зацига состоится UsiOKjj 19У5 года в ж чао. па i-поедакии диссерт-даоиного Совета К. 053.55.01 в Мл,.<овском государственном техническом университете им. Н.Э.Еауг-ача по адресу: 1070Р5, Москва, Б-5, 2-я Бауманская ул.,"дом Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н. 3.Eay:-¿a:ia.

Желающие присутствовать на заците диссертации должки ааАлаговременно известить Совет письмами ваинтересованных организаций на имя председателя Совета. Тел. 267-09-63.

Раш отвыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный пз-чатьп, просим направлять по указанному адресу ка имя Ученого секретаря Совета.

Автореф 1ат разослан "/9" _ 1Q95 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук доцент

Подписано к'печати " ^Г" ^-сгл' 1995 г. Заказ N $ Lüum 1 п.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э.Баумана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из направлений решения острой проблемы удовлетворения потребностей в изделиях электронной техники (ИЭТ) является автоматизация оборудования, эксплуатация технологических линий, обеспечивающих выполнение разнообразных операций в контролируемых средах, в частности в вакууме.

Необходимость массового выпуска новых поколений ИЭТ: приборов твердотельной микроэлектроники, основанных на квантово-размерных эффектах, фотоэлектронных приборов с полупроводниковыми фотокатодаыи, СВЧ приборов и других привела к появлению ряда сверхвысоковакуумных (СВВ) технологических линий, различных по конструкции и степени автоматизации. Однако в большинстве из них не обеспечивается требуемый уровень надежности, что приводит к низкой производительности данного оборудования. Значительная доля потерь (дс 407.) производительности связана с отказами транспортной системы (ТС). Основными причинами этих потерь являются: наличие в механизмах ТС многочисленных кинематических пар, ненадежно функционируют?« в СВВ условиях и являющихся генераторами мелкодисперсных частиц и газов (ухудшающих параметры изготавливаемых приборов); большая длительность устранения отказов внут-рикамерных механизмов, жесткость и сложность структур линий, обилие оригинальных нестандартных узлов в ТС.

Определение комплекса научно-обоснованных принципов построения ТС СВВ автоматизированных 7иний позволит на этапе проектирования избежать ряда конструкторско-технологических ошибок и определить рациональную структуру оборудования. Анализ существующих линий по обработке и сборке электровакуумных приборов (ЭВП) в вакууме показал наличие ряда нетрадиционных функций ТС по сравнению с аналогами из общего машиностроения. Исследование данных функций с использованием результатов в методике расчета и конструирования СВВ транспортно-сборочных устройств, совершенствование элементов существующих ТС и разработка перспективной конструкции ТС актуальны.

Цель работы. Повышение производительности СВВ автоматизированных линий обработки и сборки ИЭТ на базе системного подхода к проектированию их ТС, разработка инженерной методики расчета

ТС: я гхтструкции ТС линии, удовлетворяющей требованиям данного

подхода.

'¿стеди исследования. Аналлз, выбор базовой конструкции ТС и ковой - проводилась матричным методом генеращ : структуры объекта. Выявление путей повышения производительности сЗсру-ованил проводилось с использованием теории производительности ыа^гн и труда Г.А.Шаумяна. Л.И.Волчкевича. При исследовании новых Функций ТС СЗВ линий сборки были использованы положения теоретической механики, теории размерных цепей Н.А.Борода-чевз, П.Ф.Дунаева, моле!сулярно-кинетической теории газов, теории электрического контакта.

Зкспершентальные исследования условий собираемости узлов ВВП и падежного их транспортирования, токоподвода к элементам изделий на приспособлениях-спутниках проводились на СВВ установке в НИИВТ им. С.А.Векшинского. Теоретические и экспериментальные исследования выполнялись с использованием методов теории вероятностей и математической статистики. Обработка результатов исследований осуществлялась на ЭВМ.

Научная новизна. Разработан комплекс научно-обоснованных принципов построения транспортной системы СВВ автоматизированной сборочкой линии. В результате исследований специфических функций СВВ транспортной системы выявлена зависимость характера процесса сборки деталей в СВ вакууме от термодинамического состояния сопрягаемых поверхностей, степени их обезгакенности. разработаны динамическая модель сборки узлов ЭВП. закрепленных в частях спутника, математическая модель суммарной погрешности взаимной ориентации частей спутников на сборочной позиции линии.

Практическая ценность. Разработана методика расчета и конструирования ТС СБЕ сборочного оборудования. Изготовлены и апробированы элементы перспективной ТС гибкой автоматизированной линии сборки'ЭВП в вакууме. Результаты исследований условий собираемости деталей в вакууме и работоспособности электр'-'еских разрывных контактов использованы в многокамерном комплексе фи-нипной обработки и сборки ФЭП. разработанном предприятием п/я А-1614, а также в многопозиционной установке г. алогичного назначения на предприятии п/я Ю-9084.

Апробация работы. По теме работы были сделаны доклады на

научно-технологическом семинаре "Обеспечение и контроль чистоты помещений и технологических сред в производстве изделий мжро-и радиоэлектроники" (МДНТП. Москва, 1988 г.). на Всесоюзной научно-технической конференции "Вакуум-91" (Казань. 1091 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф. 1994 г.), на заседаниях кафедры "Полупроводниковое и электровакуумное машиностроение" МГГУ т. Н.Э. Баумана.

Публикации. Основное содержание работы отражено в статьях и десяти авторских свидетельствах на изобретение.

Объем работы. Диссертация включает.введение, 4 главы, общие выводы и приложения. Содержит 130 страниц машинописного текста. 59 рисунков. 4 таблицы и список литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность нового подхода к проектированию ТС СВВ технологических линий, сформулировали цель и основные положения работы.

В первой главе на основе анализа существующих отечественных и зарубежных СВВ линий, опыта их эксплуатации и положений теории вакуумного привода сформулирован комплекс принципов рационального построения ТС подобного оборудования, показаны их ззалмо-связь с показателями надежности и производительности оборудования.

Вопросам поиска и разраб<""кн научных принципов построения СВВ оборудования были посвящены работы А.Г.Денисова (модульность. структурно-компоновочная оптимизация СВВ комплексов с использованием вакуумно-временных цшслов), Л.И.Волчкевича (дифференциация и концентрация операций на вакуумной линии). А.Т. Александровой. И.Г.Блинова (уменьшение числа кинематических пар в вакууме). Е.А.Деулина. Ю.А.Хруничева (стандартизация и унификация вакуумного привода, надежность по параметру "вакуум"), В.Е.Ммнайчева, В.В.Одинокова. Ю.В.Панфилова (сохранение изделий в ва1:ууме в течение технологического процесса).

Каждый из данных принципов по отдельности или в сочетании с одним или двумя другими эффективно использовался при эксплуатации СВВ оборудования. Однако . отсутствие системного подхода к

проектированию, а также неучет некоторых специфических принципов характерных для СВВ автоматизированных линий не позволили обеспечить требуемый уровень их производительности. Одним из таких принципов является принцип увеличения функциональной нагрузки н транспортную систему линии. Наряду с традиционными функциями, хороктэртли для транспортеров со спутниками линий общего машиностроения. вакуумные ТС сборочных линий обладают рядом новых функций. К этим функциям применительно к транспортеру следует отнести: совмещение деталей перед сборкой, осуществление встречной транспортировки, удаление бракованных деталей, транспортирование с обеспечением раздельности сред обработки, функцию рабочей подачи. Новые функции спутников включают: взаимную ориентацию собираемых деталей, направленную передачу усилий сборки, дифференциацию процесса герметизации, токоподвод к элементам изделия.

С целью выбора перспективной схемы СВВ транспорта, удовлетворяющего требованиям разработанного подхода к проектированию ТС данного класса и обеспечивающего выполнение как традиционных, так и новых функций, были проанализированы различные ТС общего и электронного машиностроения. В результате анализа была выбрана схема транспортера грейферного типа, как обладающего лучшим сочетанием основных эксплуатационных параметров: минимальными путем трения и скоростью скольжения транспортных органов при перемещении изделий на одинаковую величину, минимальным числом кинематических пар в зоне обработки. Уменьшение данных параметров оказывает непосредственное влияние на уровень привносимой дефектности из кинематических пар. позволяет повысить параметрическую надежность по газовыделекию. снижает вероятность заклинивания в парах с вн.лним трением, эксплуатируемых в экстремальных условиях СВ вакуума.

Выбор базовой схемы приспособления-спутника для транспортера грейферного типа проводился с применением матричного метода. В результате рассмотрения конструктивных реализаций сборочных спутников, как множества элементов, упорядоченных по параметрам, определяющим их работоспособность, была опреде. эна область перспективных решений, поиск в которой позволил разработать схемы спутнюсов. техническая новизна которых подтверждена авторскими

свидетельствами на изобретение.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить и обосновать комплекс принципов построения ТС СВВ линий обработки и сборки ИЭГ;

- исследовать основные нетрадиционные функции ТС СВВ сборочной линии;

- разработать динамическую модель сборки частей ЭВП в СВ вакууме с использованием спутников;

- разработать математическую модель совмещения раздельно обрабатываемых частей ЭВП на сборочной позиции СВВ линии;

- провести подбор материала контактной площадки и экспериментально исследовать основные эксплуатационные характеристики разрывных электроконтактов для спутников;

- теоретически определить и экспериментально проверить условия безоткаг ой транспортировки и сборки частей ЭВП на приспособлениях-спутниках ;

- разработать методику расчета и конструирования ТС СВВ автоматизированного сборочного оборудования;

- разработать перспективную конструкцию ТС.

Вторая глава посвящена теоретическому исследован™ новых функций СВВ ТС: совмещение деталей перед сборкой и направленная передача усилий сборки, транспортирование с обеспечением раздельности сред (применительно к транспортеру грейферного типа).

Сборка на СВВ транспортере "о:кет быть проведена при выполнении двух условий: во-первых, собираемые узлы ЭВП, закрепленные в частях спутника должны быть взаимно сориентированы с определенной точностью и, во-вторых, значения динамических параметров должны находиться в определенном диапазоне. При этом известно, что выполнение только одного условия недостаточно для проведения безотказной сборки. На точность взаимной ориентации собираемых частей ЭВП оказывает влияние ряд факторов, которые можно разделить на две группы. К первой относятся факторы, характерные и для невасуумных механизмов: геометрическая неточность изготовления деталей и сборочных единиц, изнашивание кинематических пар. действие усилий зажима и усилий сборки, тепловыделение и охлаждение. Ко второй группе следует отнести специфические фокторы.

характерные для СВВ оборудования:

воздействие, вызванное перепадом давлений в камере и вне' ео, упругие силы от герметизирующих элементов, технологическое воздействие, в частности осаждение тонкопленочных покрытий пр1. напылении, периодические обезгаживающие прогревы до 400°С, вызывающе коробление деталей механизмов. В общем виде зависимость суммарной погрешности от первичных погрешностей, вызванных ука-вашшми факторами, можно представить в виде:

где: А погрешность от и - го фактора, Дтсу- от неточности изготовления деталей транспортного модуля, Д и - от износа, Д3 - от усилий закрепления деталей при сборке транспортного модуля, ДусБ- от усилий при сборке ЭВП, Дт - от изменения размеров при изменении температуры, Д н - настройки, Ду.д. - от действия атмосферного давления, А НАП - от технологических воздействий (напыление и пр.), Дк - от коробления при обезгаживаищих прогревах.

Согласно теории размерных цепей суммарная линейная погрешность определяется через ее проекции на оси декартовых координат. Учитывая случайный характер погрешностей, наиболее точный расчет возможен с привлечением методов теории вероятностей. Суммирование первичных погрешностей осуществляется группами в зависимости от их типа (случайные, независимые коррелированные, функционально зависимые, скалярные, векторные) с учетом долевого влияния каждой через коэффициент приведения. В результате определяется математическое ожидание и дисперсия суммарной погрешности А 2:

И[Аг] = 1с1П[АЛ, с»

2 - Ни

где: Си - коэффициент приведения,

математическое

ожидание и дисперсия I -ой первичной погрешности - отклонения от номинального размера детали, О*- направление, по которому берет-

ся частная производная (X.Y.Z), K¿j - коэффициент корреляции.

Для определения параметров сборки по типовой для СВВ комплексов схеме (рис.1) была разработана динамическая модель на основе теоретических положений динамики твердого тела, дифференциальных уравнений Лагранжа. Движение одной части спутника (верхней) относительно другой согласно модели может быть описано следующими системами уравнений.

При центрировании с использованием заходных конусов и фасок: Х^=ХОК+0,5А t2

Ук =Ут-{0Сок + 0,5№>)ЦЭо , (Б)

где: £ок . Уок - координаты рассматриваемой К-ой точки в момент касания частей спутника, - время сборки с момента касания, 0О - начальный угол между осями частей спутника.

А- (« К feos 00 Vjz №rMÍ]ÍMSe„

"" ^ К wT^

Gcosе ГТЪ jС05Qj _ Ka VVg l _ fíb-GslnfcW __ m< V/iínv^ jcos^' Mm

_ jsLnflo _ fslna[m2-(H-Qlj] Kl^M-V (6) VÍA VÍA rc\A MfrrucosV '

где: - константы, определяемые геометрией и

массой частей спутника, коэффициентом трения í; F - сборочная сила.

При скольжении одной части спутника в отверстии другой с использованием упора (рис.16):

Vi = Ч"' Q - (^(fV7Y52+W3Y5 У Л + Ц R4, Y2-Y1 = хк, VI = , (в)

Ь = we W„ W(íУ5г + Ц,V5 Y3 + w¡4 R4-, со) Y3 = Í, «о)

Y5" = О0+К5О,+ Wf6Y52 + W)7Y5Y3+ lv¡g№,

[

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СВЕРПВЫСОКОвАНЫЫТИНОГО А0Т»ИАТИЗИРОйАННРГО О6ОРЫД0ВАНИЙ1К0МПЛЕКСА)

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ТеиНОЛОГИЧЕСКИМ ОПЕРАЦИЙ

сокгдщение числа кинематических пар с внешним трением во внутрикамерных исполнительмьщ механизм ».л

широк о е испольэовАНиа стандартизованных и ьни^ишуованны* »злоа и деталей

ПОДБОР МАТЕРИАЛОВ И СМАЗОК

сохранение изделий в вакууме в течение ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Увеличение ^инкиионд пьнол НАГРУЗКИ

ИА ТРАНСПОРТА-СбОЯОЧМОб ЫС1Р0ЙСТ80

МОДУЛЬНОСТЬ

ПРОСТОТА АЛГОРИТМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ

СЕКЦИОНИРОв^Ив ТРАКСПОРТНОГО КАНАЛА

миолзкАмерность оворчдовлния

возможности РЕП НЕРАЦИИ вКУТРИ-камериык поверхностей обОРиаояАния

ИСП0ЛЬ30вАЙИ§ СПШ>*1К0в для изгртовгте-Мм* ИЗТ

74

Рио.1. Модель соединения частей спутника о узлами 38П на сборочной позиции СВВ комплекса:

а - на этапе совмещения и центрирования по заходкым конусу и фаске,

0 - при их скольжении по сопрягаемым поверхностям;

Цифрами обозначены:

1 - упор, 2 - катодная часть спутника, 3 - катодный узел, 4 - анодная часть спутника,5 - анодный узел, Б - держатель.

Индексами обозначены геометрические и динамические параметры, : иты-ваемые в модели.

Рис.2. Схема взаимосвязей принципов построения транспортной системы и эксплуатационных параметров СВВ ТК.