автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Обеспечение безотказности и долговечности мехатронных приборов по параметрам промышленной чистоты технологического процесса сборки

4 А > .'7 У 4,7 г

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЙРИБОРОСТРОЕНИЯ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕХАТРОННЫХ ПРИБОРОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧИСТОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ

Специальность: 05.11.14 - "Технология приборостроения"

На правах рукописи

Чернов Александр Алексеевич

Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук, доцент Яковлев С. А.

Санкт - Петербург

1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 5

1. Оценка влияния промышленной чистоты на показатели надежности мехатронных приборов

1.1. Влияние промышленной чистоты на погрешность технологического процесса сборки мехатронных приборов 14

1.2. Описание и анализ основных характеристик аэрозолей 26

1.3. Влияние промышленной чистоты на погрешность функционирования механизмов мехатронных приборов 32

1.4. Методы оценки влияния промышленной чистоты на показатели надежности мехатронных приборов 40 Выводы по разделу 51

2. Математическое описание процессов, протекающих под влиянием промышленной чистоты в механизмах мехатронных приборов

2.1. Качественные характеристики процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием промышленной чистоты в механизмах мехатронных приборов 52

2.2. Моделирование процесса накопления повреждений механизмов мехатронных приборов 59

2.3. Вероятностная матемашческая модель процесса накопления повреждений механизмов мехатронных приборов 66 Выводы по разделу 75

3.Экспериментальное исследование процессов, протекающих под влиянием промышленной чистоты в механизмах мехатронных приборов

3.1. Оценка параметров вероятностных моделей процесса накопления повреждений 76

3.2. Экспериментальная установка для оценки влияния промышленной чистоты на показатели надежности мехатронных приборов 80

3.3. Проверка достоверности вероятностных моделей процесса накопления повреждений по экспериментальным данным 85 Выводы по разделу 91

4. Методы и приборы контроля параметров чистых производственных помещений

4.1. Методы и приборы контроля концентрации аэрозольных частиц в чистых производственных помещениях 92

4.2. Разработка и исследование метода интегрального экспресс-контроля растворимых компонентов в технологической воде 99

4.3. Разработка технических средств экспресс-контроля массовой концентрации растворимых компонентов в технологической воде 107 Выводы по разделу 113

Заключение 115

Литература 116

Приложения 120

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

АЧ - аэрозольные частицы;

ВП - выходной параметр;

НП - накопление повреждений;

ПНП - процесс накопления повреждений;

ПМПС - прецизионные мехатронные приборы и системы;

ПЧ - промышленная чистоты;,

ТП - технологический процесс;

ТВ - технологическая вода;

ТУ - технические условия;

41111 - чистые производственные помещения;

клин - линейная концентрация аэрозольных частиц;

кс - счетная концентрация аэрозольных частиц;

км - массовая концентрация аэрозольных частиц;

кп - поверхностная концентрация аэрозольных частиц;

А0{ - разброс выходного параметра;

ш - математическое ожидание;

а2 - дисперсия;

ёр - диаметр сухой частицы растворенной примеси; ёр - диаметр капли диспергированной воды; г - радиус аэрозольной частицы;

Рп (V) - эмпирическая функция распределения времени работы до отказа;

Ь0Х(Д8) - состояние, в котором разброс ВП вышел за нормируемые допуски; Pj - вероятность непревышения (неперехода) НП на следующий уровень; ^ - вероятность превышения (перехода) НП на следующий уровень;

(1; 1, Ьот) - интегральная функция распределения времени до отказа 1от.

ВВЕДЕНИЕ

Сборочные операции в технологии приборостроения являются наиболее ответственными. Именно на них проявляются различные спроектированные связи деталей и особенности взаимодействия элементов конструкции между собой, определяются итоги всего производственного процесса и окончательно формируются показатели качества приборов. Влияние сборочных операций на качество приборов традиционно рассматривают на основе анализа физических причин отказов в работе приборов, условий их формирования и нарушений, приводящих к отказом. Исследование влияния условий выполнения сборочных операций на процесс формирования показателей качества приборов становится одним из существенных направлений повышения качества приборов в приборостроении сегодня. Это подтверждает и постоянно возрастающее число пуб-

и и о т"\

ликации и исследовании по данной тематике. В таких исследованиях, как правило, анализируют "узкие" места технологического процесса (ТП) сборки конкретной группы приборов. Одним из таких "узких" мест, по нашему мнению, являются выполняемые в пылеконтролируемых производственных помещениях операции технологического процесса сборки прецизионных мехатронных приборов и систем (ПМПС).

Прецизионные мехатронные приборы и системы включают в себя чувствительные элементы, источники энергии, исполнительные механизмы, микроэлектронные устройства, процессоры. Исполнительные механизмы ПМПС представляют собой сложные прецизионные устройства различного функционального назначения, состоящие из большого числа разнообразных деталей, элементов и узлов: микромашин, функциональных преобразователей, релейных элементов, приборных микровентиляторов, миниатюрных подшипников, редукторов, соединительных муфт, ходовых преобразователей, коммутаторов, микродвигателей и т. п.

Влияние условий выполнения сборочных операций в пылеконтролируемых помещениях на показатели качества прецизионных мехатронных приборов и систем хорошо изучено для их электронных устройств, что нельзя сказать об исполнительных механизмах. Особенностью производства исполни-

тельных механизмов ПМПС является всестороннее изучение протекающих в них динамических процессов, игнорирование которых приводит к отказу прибора в целом и даже к его разрушению.

В последнее время наметилась тенденция к миниатюризации исполнительных механизмов прецизионных мехатронных приборов и систем. Исследование отказов ПМПС в процессе эксплуатации, показывает, что значительная часть из них является следствием загрязнения внутренних полостей исполнительных механизмов механическими частицами в процессе производства на стадии сборки.

Особенностью процесса формирования показателей качества исполнительных механизмов прецизионных мехатронных приборов и систем является зависимость их выходных параметров от контактных деформаций и погрешностей геометрической формы элементов. К прецизионным исполнительным механизмам предъявляют высокие требования к точности размеров, взаимному расположению элементов, наличию локальных дефектов поверхностей элементов, стабильности выходных параметров. Если для непрецизионных устройств влияние этих факторов незначительно и ими можно пренебречь, то для прецизионных исполнительных механизмов ПМПС, собранных в пылеконтролируе-мых помещениях, отклонение выходного параметра усугубляется попаданиями микрочастиц, что, в итоге, превышает установленные допуски. Такое отклонение является главной причиной замедления темпов создания серийного и многономенклатурного производства таких приборов и систем, так как невозможно создавать оптимальные условия для всей совокупности выпускаемой группы исполнительных механизмов.

Качество исполнительных механизмов и его главный показатель - надежность - определяется условиями производства и эксплуатации ПМПС и характеризуется свойством безотказности.

Поэтому ТП производства прецизионных мехатронных приборов и систем является критичным технологическим процессом, при котором необходим непрерывный контроль загрязненности атмосферы на сборочных операциях и исследование их влияние на показатели надежности. Известные методы, в на-

стоящий момент, не позволяют описывать влияния загрязненности атмосферы на сборочных операциях на показатели надежности ПМПС при эксплуатации. Поэтому, необходимо разработать и внедрять принципиально новые решения в области технологии проектирования, производства и испытаний прецизионных мехатронных приборов и систем в пылеконтролируемых помещениях, называемые чистыми производственными помещениями (41111).

Численные значения параметров пылеконтролируемых помещений определяются требуемым классом и нормами промышленной чистоты (ПЧ), предъявляемыми к технологическим процессам. Счетная концентрация аэрозольных частиц (АЧ) в воздушной среде таких помещений поддерживается в пределах заданного нормативными документами класса чистоты.

Сложившееся состояние в области технологии производства прецизионных мехатронных приборов и систем в чистых производственных помещениях можнр объяснить следующими причинами.

Во-первых: многообразие типов ПМПС, производимых по единой технологической цепочке, приводит к необходимости учета множества факторов: требования ТУ, особенности конструкции и условия технологии производства, места оптимального контроля ПЧ, метрологические и экономические аспекты контроля ПЧ. До настоящего времени учет этих фактов осуществлялся статистически, на основе анализа опыта производства и длительных ресурсных испытаний ПМПС на внешние воздействие.

Во вторых: большинство работ по исследованию влияния ПЧ на показатели надежности ПМПС носит фундаментальный характер, а прикладные методы исследования отсутствуют. Как правило, в этих работах, рассматривают мехатронные системы в целом, а выявление и анализ той или иной закономерности изменения показателей надежности ПМПС осуществляется при неизменных внешних условиях и иных влияющих факторах, кроме исследуемого, вследствие чего, эти методы оказываются непригодными для оценки влияния ПЧ на показатели надежности ПМПС в реальных условиях сборки в 41111.

В третьих: существующие методы и приборы контроля параметров ЧПП не классифицированы по критериям оперативности и диапазону контроля загрязненности, удовлетворяющих требованиям технологического процесса производства ПМПС в чистых производственных помещениях. Кроме чистого воздуха, в производстве микроэлектронных устройств ПМПС нормируемым параметром является чистота применяемой технологической воды (ТВ). Однако, проведенный анализ технологии очистки элементов чистой ТВ в технологических процессах производства электронных элементов ПМПС (очистка пластин, фотошаблонов, реакторов технологических установок, элементов газовых магистралей, полупроводниковых пластин, используемых в производстве ИС), показал, что часто нет необходимости в получении полной информации о чистоте и составе примесей технологической воды, а требуется лишь иметь оперативные данные о количестве растворенных или диспергированных включений без разделения по природе образования в диапазоне концентраций от 10"9 до

о

10" (по объему). Поэтому необходимо практически иметь на вооружении и использовать интегральные оперативные методы контроля чистоты ТВ в технологическом процессе производстве микроэлектронных устройств прецизионных мехатронных приборов и систем.

Проведенный анализ существующих методов контроля качества приборов, показал, что для оценки влияния промышленной чистоты на безотказность исполнительных механизмов ПМПС наиболее прогрессивными являются диагностические методы неразрушающего контроля, позволяющие без нарушения функционирования подвижных узлов или всей приборной системы в целом, оценить зависимость показателей надежности приборов на любых этапах производства, испытания и эксплуатации. Однако, в случаях, когда невозможно установить влияние промышленной чистоты на безотказность исполнительных механизмов ПМПС путем диагностики, следует применять вероятностно-статистические методы.

В итоге, на сегодняшний момент нет удовлетворительного метода, позволяющего количественно оценить процессы накопления повреждений, протекающих в механизмах мехатронных приборов по причине вариации промышленной чистоты ТП сборки. Поэтому, возникает необходимость в разработке инструментария, позволяющего получать надежные оценки долговечности и безотказности механизмов мехатронных приборов, с учетом изменения промышленной чистоты технологического процесса их сборки, и отличающегося от известных стандартных моделей оценки надежности приборов учетом влияния ее изменения.

В этой связи, разработка метода оценки безотказности и долговечности мехатронных приборов с учетом изменения промышленной чистоты ТП их сборки, а также, метода и технических средств экспресс- контроля параметров промышленной чистоты и чистой технологической воды, приобретает особую актуальность и становится задачей, имеющей важное научное и практическое значение, а внедряемые мехатронные технологии в прецизионном приборостроении требуют нетрадиционных подходов для ее решения.

Решаемая проблема. Повышение безотказности и долговечности мехатронных приборов за счет совершенствования их технологического процесса сборки на базе контроля и обеспечения параметров промышленной чистоты.

Цель работы: Разработка и исследование метода оценки безотказности и долговечности мехатронных приборов по параметрам изменения промышлен- ^ ной чистоты технологического процесса их сборки, а также метода и технических средств экспресс - контроля чистоты технологической воды.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

- анализ отказов мехатронных приборов по степени влияния промышленной чистоты на работоспособность их механизмов, по физическому характеру их проявления и по особенностям процесса протекания, позволяющий уста-

навливать наиболее ответственные сборочно-монтажные операции на этапе технологического проектирования мехатронных устройств;

- разработка метода оценки безотказности и долговечности МП по параметрам изменения промышленной чистоты технологического процесса их сборки, позволяющего на этапе конструкторского проектирования мехатронных устройств повышать точность расчета механических характеристик их узлов, путем дополнительного учета влияния промышленной чистоты ТП их сборки;

- разработка метода и технических средств экспресс - контроля растворенных компонентов чистой технологической воды без разделения их по природе образования, позволяющего оптимизировать ТП изготовления элементов микроэлектронных устройств мехатронных приборов, за счет внедрения автоматизации вспомогательных операций контроля процессов их изготовления.

Новые научные и практические результаты выдвигаемые на защиту:

1. Методика анализа влияния промышленной чистоты технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов на их долговечность и безотказность, на основе аппарата теории случайных величин и оценки ансамбля накопления повреждений (износа).

2. Методика моделирования процесса накопления повреждений (ПНП), протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов, на основе анализа выборочных функций изменения их выходных параметров.

3. Вероятностная математическая модель процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов (при этом начальное состояние повреждений зависит и определяется, в предложенной модели, условиями технологического процесса сборки).

4. Метод интегрального экспресс-контроля растворимых компонентов в технологической воде, а также технические средства его реализации и методика их применения в ТП производства.

Методы и сследовапин. Для решения поставленной, задачи в диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теории вероятностей, системного анализа и теории надежности. Проверка теоретических положений проводилась путем анализа экспериментальной информации методами статистической обработки эмпирических данных.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Разработана экспериментальная установка для проведения тестового диагностирования мехатронных приборов, для установления влияния промышленной чистоты на их исполнительные механизмы.

2. Разработано программное обеспечение расчета и моделирования условий технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов в чистых помещениях.

3. Разработаны технические средства реализации метода экспресс-контроля массовой концентрации растворимых компонентов в технологической воде и методика их применения в ТП производства.

4. Разработана методика выбора оптимальной промышленной чистоты