Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ХЛЫЗОВ Владимир Александрович
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЯ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ УСТАНОВКАХ
05.11.14 - Технология приборостроения А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики.
Научный консультант: доктор технических наук, ГИНДИН Павел Дмитриевич Генеральный директор НПО Альфа
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор САГАТЕЛЯН Гаик Рафаэлович профессор кафедры Технология приборостроение МГТУ им. Н.Э. Баумана кандидат технических наук, доцент ТРУБИЕНКО Олег Владимирович зам. заведующего кафедрой, доцент л
Защита информации ИТ-5 МГУПИ
Ведущая организация: ОАО Научно-исследовательский институт технического стекла Защита состоится л22 ___мая____ 2012 года, в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д212.119.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики по адресу: 107846, г. Москва, ул. Стромынка, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики.
Автореферат разослан л10 __апреля__ 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.119.доктор технических наук, профессор В.В. Филинов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
За последние годы резко увеличились требования современной промышленности к качеству изделий производимых для микро- и оптоэлектроники. В связи с этим в мире широкое распространение получила технология лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) таких материалов как кремний, арсенид галлия, стекло, однако в Российской Федерации насчитываются единицы установок с технологией ЛУТ. Из них можно отметить установку резки тонкого стекла (0,1мм-0,55мм) для защитных стекол космических солнечных батарей в ОАО Сатур, установку ЭПКС-4000 резки стекла на флоат линии в Саратовском институте стекла и промышленные установки РТ-350, РТ-500, о который пойдет речь ниже.
Метод ЛУТ был разработан профессором В.С. Кондратенко в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники. Стоит отметить, что весомый вклад в развитие технологии ЛУТ внесли научные работы_ Гиндина П.Д., Наумова А.С., Seak-Joon Lee.
Преимущества метода ЛУТ заключается в следующем:
- нулевая ширина реза, по сравнению с лазерным скрайбированием;
- высокая производительность процесса, в сравнении с алмазной резкой;
- отсутствие глубины нарушенного слоя, которая существенно влияет на прочность изделий.
Настоящая работа посвящена автоматизации технологических процессов ЛУТ хрупких неметаллических материалов на промышленных установках РТ-350, РТ-500 и др.
Анализ предлагаемых на рынке готовых программных решений для лазерных установок показал, что эти решения являются дорогостоящими и еще не успели в полной мере охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования, используемого на лазерных установках.
В связи с этим, для автоматизации технологического процесса лазерного раскроя хрупких не металлических материалов необходимо разработать, на базе существующих простых систем управления, новую высокоэффективную автоматизированную систему управления, а также программно-аппаратные модули необходимые для автоматизации технологического процесса на промышленных установках.
Таким образом, актуальность данной работы определяется необходимостью разработать принципиально новое программное и аппаратное обеспечение для промышленных установок ЛУТ, позволяющее автоматизировать технологический процесс прецизионной резки широкого класса хрупких неметаллических материалов, и в первую очередь, приборных структур на основе кремния, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, а также стекла для дисплейных панелей. Создание и внедрение автоматизированной системы управления установками ЛУТ и программноаппаратных модулей будет способствовать увеличению функциональности установок, их быстродействие, КПД.
Целью работы является разработка и внедрение новой высокоэффективной системы управления технологическими процессами ЛУТ на промышленных установках РТ-350 и РТ-500, которая позволит автоматизировать процессы разделения кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.
Для решения поставленной цели необходимо выполнить следующие основные задачи:
- сформулировать требования к системе управления и оборудованию, необходимому для автоматизации технологических процессов ЛУТ;
- произвести сравнительный анализ существующих систем управления лазерными установками;
- спроектировать и разработать АСУ ТП в состав, которой входят программные модули необходимые для оборудования лазерной обработки изделий на промышленных установках, обеспечивающих высокую степень чистоты процесса, а также контроль микротрещины и автоматизацию ЛУТ;
- внедрить АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках ЛУТ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. В разработке полнофункциональной АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок, которая позволяет производить раскрой хрупких неметаллических материалов по технологии ЛУТ с высокой производительностью, в отличие от существующих простых систем управления.
2. В разработке нового алгоритма для АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках, с учетом процедуры контроля наличия микротрещины, которая отслеживает полный цикл резки приборных пластин на чипы.
3. В разработке алгоритмов управления для аппаратных модулей, позволяющих автоматизировать процесс ЛУТ на промышленных установках. Для модулей:
устройства нанесения первоначального дефекта (УНПД), видео и ИК контроля положения пластины, блока управления лазером.
4. В разработке схемы нового устройства контроля микротрещины для технологии ЛУТ, которое позволяет определить наличие микротрещины при каждом лазерном резе.
Практическая ценность.
Исследования и разработки по теме диссертации связаны с решением практических задачи автоматизации технологических процессов ЛУТ. Практическая ценность данной работы подтверждена актом внедрения результатов работы на отечественных предприятиях. Разработанная АСУ ТП используется для установок ЛУТ РТ-350 резки кремниевых приборных пластин на чипы, РТ-500 резки дисплейных панелей для приборов и средств отображения информации в кабине пилотов истребителей Су и МиГ и боевых вертолетов Ка в отечественной военной промышленности.
Реализация и внедрение результатов работы.
Разработанная автоматизированная система управления внедрена на российских и зарубежных предприятиях, в том числе:
- на установке резки кремниевых пластин РТ-350 в ОАО МЗ Сапфир г. Москва;
- на установке резки стекла РТ-500 в ОАО Раменское приборостроительное конструкторское бюро г. Раменское;
- на установках резки стекла в Foxconn Technology Group Ltd. (Тайвань);
Апробация работы. Результаты диссертационной работы демонстрировались на международных выставках Высокие технологии XXI века - 2008, Высокие технологии XXI века - 2010, Archimedes 2008, MashMeh 2008, V международный форум Оптические приборы и технологии Ч OPTICS-EXPO 2009, VI международный форум Оптические приборы и технологии Ч OPTICS-EXPO 2010.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Сформулированные требования к АСУ ТП и основным функциональным узлам технологического оборудования для ЛУТ.
2. Программное обеспечение LaserCut - АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.
3. Алгоритмы АСУ ТП ЛУТ и входящих в состав программных модулей управления:
устройством нанесения первоначального дефекта (УНПД), устройством видео контроля позиционирования, устройством управления блоками питания и охлаждения лазеров.
4. Оптимизированные технологические режимы ЛУТ кремниевых пластин и стекла на промышленных установках, полученные экспериментальным путём.
5. Программные модули: УНПД, в том числе для утонённых кремниевых пластин и тонкого стекла, модуль позиционирования приборной пластины, позволяющий производить резку структур с обратной стороны подложки, тем самым, обеспечивая высокую степень чистоты процесса ЛУТ.
6. Схема и алгоритм программно-аппаратного модуля контроля лазерного реза, которое позволяет определить наличие микротрещины для конкретного реза.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 5 публикациях, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
ичный вклад автора.
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит фотографии, схемы и таблицы в общем количестве 60шт.
Во введении показана актуальность выбранной темы, определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость полученных результатов и научные положения, выносимые на защиту. Представлены сведения об апробации и реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены существующие механические и лазерные методы разделения хрупких неметаллических материалов, таких как кремний и стекло.
Основные существующие технологии:
- резка алмазными дисками с наружной и внутренней режущей кромкой;
- штрипсовая резка;
- проволочная резка.
Рассмотрены основные недостатки традиционных технологий:
- большой расход исходного материала (потери до 30%), связанный с большой шириной реза, соизмеримой с толщиной пластины (рис. 1);
- низкая производительность процесса алмазно-абразивной резки исходной заготовки на пластины и последующего шлифования ия полирования;
- необходимость длительного шлифования и полирования поверхности пластины, вызванная относительно большой глубиной нарушенного слоя после алмазноабразивной резки.
Рис. 1. Потери материала при различных видах резки - ширина реза в мм. Проволочная резка, резка алмазным инструментом с внутренней режущей кромкой.
В последнее время, широкое распространение получило новое оборудование для резки приборных пластин на чипы с помощью лазеров с излучением в ультрафиолетовой области спектра, которое вызвало повышенный интерес у производителей СИД. Резка с помощью УФ-лазера предполагает нанесение неглубокого надреза на поверхности подложки и последующего разламывания. На рис. 2 показана фотография торца чипа после лазерного скрайбирования и последующего разламывания. Как и в случае механической резки, при резке УФ-лазером ширина реза имеет достаточно большое значение - порядка 30 мкм, а скорость скрайбирования составляет 25 Ц35 мм/сек. Это существенно выше, чем при механической резке.
Рис. 2. Фотография торца кристалла светоизлучающего диода на сапфировой подложке: а)после резки УФ-лазером б)стекла после обработки с помощью технологии ЛУТ.
азерное скрайбирование уже используется в полупроводниковом производстве.
Однако ожидается, поскольку выгоды при скрайбировании очевидны, что обработка лазером должна заменить традиционные механические методы резки пластин на кристаллы.
азеры находят применения для скрайбирования, резки, и сверления. В прошлом, высокая стоимость, ненадежность и сложность использования лазеров для разделения пластин на кристаллы сделали эти применения не основными в производстве. Сегодня, появление компактных, твердотельных лазеров с высоким КПД, особенно в ультрафиолетовом спектре излучения, изменило эту ситуацию. Лазер теперь получает популярность в областях, где механические методы обработки достигли своего предела.
Особое значение имеет метод разделение кремневых пластин и стекла методом ЛУТ.
Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в следующем.
При облучении поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которого материал является непрозрачным, часть энергии отражается от границы воздух-материал, а остальная часть поглощается и выделяется в виде тепловой энергии в приповерхностном слое материала. При облучении поверхности непрозрачного хрупкого материала лазерным излучением во внешних его слоях возникают значительные напряжения сжатия, которые, однако, к разрушению не приводят.
При выходе нагретого участка из зоны воздействия лазерного излучения начинается охлаждение поверхностных слоев материала. При подаче хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза.
Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию микротрещины, проникающей вглубь материала до внутренних прогретых слоев, испытывающих напряжения сжатия. Таким образом, в материале на границе зон нагрева и охлаждения, то есть в месте максимального градиента температур нагрев - охлаждение, образуется микротрещина (рис. 3). Этот метод был разработан профессором В.С. Кондратенко еще в 80-е годы, однако применялся только в единичном производстве изделий для оптоэлектроники и преимущественно изделий из стекла. Однако в последнее время этот метод раскроя широко используется на установках лазерного управляемого термораскалывания РТ-350 разделения кремниевых приборных пластин на чипы и РТ-500 раскрой стекла для плоских дисплейных панелей.
Рис. 3. Схема образования микротрещины при лазерном управляемом термораскалывании.
Основные преимущества метода лазерного управляемого термораскалывания перед остальными известными методами раскроя стекла для плоских дисплейных панелей (FPD) и кремниевых приборных пластин на чипы (в том числе перед методом лазерного скрайбирования):
- безотходность процесса лазерного управляемого термораскалывания, это означает, что ни одна молекула материала не удаляется в процессе резки;
- метод лазерного управляемого термораскалывания отличается высокой чистотой и не способен загрязнять поверхность FPD и приборных пластин в процессе резки;
- ширина реза при использовании метода лазерного управляемого термораскалывания равна нулю;
- лазерного излучения в данном методе расходуется лишь на разрыв межатомных связей материала;
- повышение механической прочности изделий до пяти раз за счет отсутствия остаточных напряжений и микродефектов вдоль линии реза;
- высокая скорость резки, достигающая до 2 метров в секунду;
- высокая точность раскроя материалов.
По результатам анализа способов резки выбран метод лазерного управляемого термораскалывания как наиболее эффективный метод прецизионной резки кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.
В результате проведённых исследованиях на промышленных установках РТ-350, РТ-500, спроектированных и выпущенных на ОАО МЗ Сапфир, были получены экспериментальным путем следующие оптимизированные технологически режимы, с учетом особенностей установок:
Таблица 1.
Технологические режимы лазерного управляемого термораскалывания полупроводниковых материалов и стекла.
Материал Стекло Кремний Арсенид Режимы ЛУТ галлия Тип лазера, длина волны СО2 ДЛ ДЛ излучения, мкм 10,6 0,807 0,8Размеры пучка, мм 20-25х1,0- 0,8-2х0,3- 0,8-2х0,3-0,1,5 0,Мощность излучения, Вт 50 - 70 100 - 450 100 - 4Толщина материала, мм 0,7 - 2 0,1 - 0,6 0,1 - 0,Скорость резки с микро 120 - 300 100 - 500 100 - 5надрезом, мм/сек Полученные режимы актуальны для лазерного раскроя кремниевых приборных пластин на чипы на установке РТ-350 и стекла для плоских дисплейных панелей на установке РТ-500.
Во второй главе диссертационной работы рассмотрены и проанализированы существующие системы управления установками лазерной резки.
Рассмотрены несколько установок лазерной резки металлов и системы их управления.
Установка M1812-TK1200 M-Series с современной системой управления CNC (ЧПУ) PA8000 (Germany) с вложенным программным обеспечением FastCAM (Australia) и станок лазерной резки металла Mazak Super Turbo-X44 с системой Mazak Smart System Jr. предназначены для автоматического раскроя (резки) листового металла различных видов. Рассмотренные системы управления данными установками не являются универсальными и закреплены за конкретными микроконтроллерами и производителями.
Также необходимо отметить, что они обладают достаточно большой стоимостью.
Рассмотрена универсальная лазерная установка резки приборных пластин из различных материалов (рис. 4). На данной установке используются два лазера с различной длиной волны (СО2-лазер ИЛГН-708 мощностью 50 Вт и полупроводниковый лазер мощностью 250 Вт) и два независимых оптических тракта. Рассмотрена установка лазерной вырезки дисков различного диаметра из кварцевых пластин (рис. 5), полученных после распиловки блоков, взамен их алмазного округления.
Установка лазерной резки приборных пластин выполняет технологический процесс ЛУТ на основе простой системы управления. Установка состоит из двух-координатного столика и котроллера управления LMSC-2 и предполагает нанесения дефекта вручную.
Установка лазерной резки дисков оснащена двух координатным приводом X и С (вращающийся привод), раскрой дисков осуществляется в терминальном режиме управления.
Рис. 5. Фотография Рис. 4. Общий вид установки установки лазерной лазерной резки приборных резки стеклянных пластин методом ЛУТ.
дисков методом ЛУТ.
В результате анализа существующих систем управления были выявлены их достоинства и недостатки. Как показано в Таблице 2, лабораторные программы управления могут выполнять зачастую только простые операции по ЛУТ. Лабораторные системы управления зачастую являются сложными в управлении, т. к. в них используется терминальный режим управления с командной строкой. Такие программы могут послужить основой для разработки новой автоматизированной системы управления для промышленных установок ЛУТ. В свою очередь, более сложные системы управления лазерной резкой металлов закреплены за определенными оборудованием и не являются универсальными и легко переносимыми системами.
Таблица 2.
Системы управления установками лазерной резки.
Система управления Класс Достоинства Недостатки CNC PA8000 (Germany) ЧПУ + Система не рассчитана ссистемойFastCAM(Aust.) система на тех. процесс ЛУТ;
управления высокая стоимость Mazak Smart System Jr. ЧПУ + Поддержка Система не рассчитана система интеграции на тех процесс ЛУТ;
управления с DWG, высокая стоимость CAD системами Системы управления для ЧПУ, Низка Системы сложные в лабораторных установок терминальная стоимость управлении;
УТ система мало функциональны.
управления Также стоит отметить что, эти программные решения еще не успели охватить процесс ЛУТ и его особенности, как технологические, так и специфику оборудования используемого на установках и являются дорогостоящими.
В связи с этим, на установках РТ-350, РТ-500 был проанализирован технологии процесс ЛУТ и сформулированы требования к автоматизированной системе управления установками, выдвинуты требования к оборудованию (программно-аппаратным модулям), позволяющему автоматизировать технологические процессы ЛУТ кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей.
Требования к АСУ ТП состоят в следующем:
- необходимость обладать требуемым функционалом для обеспечения автоматизации ТП по ЛУТ;
- выполнять ЛУТ при заданных скоростях, технологических режимах и одновременном нагревании и охлаждении в зоне резки;
- выполнять полный технологический маршрут ЛУТ определенных заготовок;
- обеспечивать своевременное получение требуемых промежуточных результатов, в том числе за счет платы обратной связи;
- необходимость в автоматизирование следующих операций: выравнивания системы координат по двум точкам в интерфейсном окне управления перемещениями, распознавания реперных меток заготовки, контроля прохождения микротрещины для ЛУТ на установках.
Требования к программно-аппаратным модулям состоят в следующем:
- необходимость нанесение первоначального дефекта на утоненные кремниевые приборные пластины и стекло с давлением 100-500мг, не разрывая технологический маршрут;
- необходимость распознавать реперные метки с лицевой и оборотной стороны приборной пластины;
- способность эффективно идентифицировать заготовки в процессе ЛУТ с отсутствием или наличием микротрещины (МТ) после выполнения реза.
Третья глава посвящена техническим особенностям промышленных установок РТ-350, РТ-500, которые являются передовыми высокотехнологическими комплексами в области отечественной лазерной резки кремниевых пластин и стекла для плоских дисплейных панелей методом ЛУТ, а также оборудованию на этих установках.
Рис. 7. Установка лазерной резки Рис. 6. Установка лазерной резки кремниевых приборных пластин стекла для плоских дисплейных РТ-350.
панелей РТ-500.
На установке РТ-350 используется специально разработанный, немецкой компанией УLIMO GmbHФ, полупроводниковый лазер с длиной волны излучения = 808нм со встроенной оптической системой фокусировки излучения LIMO 450-L4.3x0.05-SL808EX725. Установка РТ-500 оснащена CO2 лазером с длиной волны = 10,6мкм и мощностью 100Вт. Объектив для этой установки выполнен из материала ZnSe и имеет цилиндрическую форму.
Для создания оборудования необходимого для автоматизирования технологического процесса ЛУТ была представлена блок-схема промышленных установок. Из схемы понятно, что для использования УНПД необходима еще одна плата в контроллере управления, которая позволит управлять данным устройством (привод B), также для ИК-камеры и видео-контролирующего устройства ТП ЛУТ необходимо две платы видео захвата, исключая уже установленную плату в ПК (рис.8).
1 - CO2 или 11 - объектив;
полупроводниковый лазер; 12 - УНПД (привод B);
2 - блок питания лазера; 13 - форсунка;
3 - оптический 14 - подложка;
преобразователь; 15 - вакуумный столик;
4 - поворотное зеркало с 16 - координатный стол, контролем мощности; C- привод;
5 - заслонка; 17 - координатный стол, 6 - пневмоцилиндр; X- привод;
7 - поглотитель; 18 - координатный стол, 8 - поворотное зеркало; Y- привод;
9 - видеокамера, ИК-камера; 19 - компьютер с платами 10 ЦZ-привод; управления;
20 - контроллер X,Y,Z,B,CЦ приводов.
Рис. 8. Общая блок-схема промышленных установок ЛУТ Специально для этих установок была разработана автоматизированная система управления. Кроме того, установки были оснащены новыми дополнительными технологическими модулями, которые уменьшают время, затрачиваемое на обработку, одной заготовки и увеличивают производительность лазерной обработки.
Появление в 70-х гг. микропроцессорных систем управления и замена специализированных устройств управления на программируемые контроллеры позволили снизить стоимость роботов в три раза, сделав рентабельным их массовое внедрение в промышленности. Этому способствовали объективные предпосылки развития промышленного производства.
При создании установок РТ-350, РТ-500 были выбраны предметные столы л2D-400250-0, л2D-24-1054-550 и контролер управления LSMC-5 произведенные ООО Рухсервмотор в г. Минске. (Рис. 9а) Рис. 9б. Устройство нанесения Рис. 9а. Контроллер управления первоначального дефекта, алмазная LSMC-5 и предметный стол пирамидка и электропривод.
2D-400-250-0.
Специально для установок РТ-350, РТ-500 было разработано и сконструировано УНПД компанией ООО Рухсервмотор, а также разработан программный модуль управления эти устройством, который входит в состав программы управления установками лазерной резки LaserCut v.7.0. УНПД (рис.9б) - это устройство нанесения первоначального дефекта механическим способом на поверхность материала алмазной пирамидкой. Усилие прижима алмазной пирамидки - это отношение силы поиска упора Fп к ускорению свободного падения. Сила поиска упора рассчитывается в программе LaserCut v.7.0 по формуле (1):
Fп=k*Iм (1),где k - коэффициент пропорциональности, Iм - сила тока в электромоторе УНПД.
Был рассмотрен метод нанесения дефекта с помощью УФ-лазера, который оказался очень эффективным и будет в дальнейшем описан в последующих работах автора.
Для решения задачи позиционирования заготовки на предметном столике установки РТ-350 были использованы две камеры, одна из них в видимом диапазоне Watec WAT902H3 Supreme (Тайвань) - в том случае если приборная пластина (заготовка) установлена структурами вверх (лицевой стороной вверх), другая камера в ИК диапазоне, если приборная пластина расположена лицевой стороной вниз. На установке ЛУТ РТ-3установлена камера разработанная компанией Edmund Optics Ltd. (Германия) модель 1/2" CCD Near IR AnalogCamera CCIR NT56-848 с диапазоном чувствительности в спектре 1460-1625нм (Рис.3) и объективом 1.5X AuxiliaryLensfor VIS 7X ZoomLenses 1,5Х. Данное оборудование позволяет получать 12-ти кратное увеличение изображения пластины на дисплее ПК.
Модуль контроля микротрещины.
Специально для промышленных установок ЛУТ был спроектирован программноаппаратный модуль контроля микротрещины. Был разработан принцип (см. рис. 10а-б) контроля образования микротрещины на основе дополнительной камеры и программного модуля, обрабатывающего изображение (кадры) и выводящего информации об успешном проведенном лазерном резе. В основе данного метода лежит принцип сравнения сегментов полученных изображений, фиксируемых видеокамерой в момент лазерного термо-раскалывания. Алгоритм программного модуля контроля ЛУТ представлен на рис.
Рис. 10б. Изображение Рис. 10а. Принципиальная схема контроля микротрещины в процессе резки.
образования микротрещины с помощью камеры и подсвечивающего лазера.
Рис. 11. Алгоритм программного модуля контроля микротрещины.
В четвертой главе описывается процесс проектирования, разработки автоматизированной системы управления и её внедрение.
Для представления задачи в целом по созданию системы управления был рассмотрен весь технологический процесс резки приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей. Технологический маршрут процесса ЛУТ заготовок состоит из следующих операций:
1. Установка заготовки на предметный столик.
2. Ввод параметров резки: геометрические размеры заготовки, скорость резки, длина реза, координаты точек нанесения первоначального дефекта, его длина, кол-во резов.
3. Прижим заготовки, фиксация.
4. Ручная настройка положения заготовки или поиск реперных меток.
5. Выход столика в зону ориентации (выравнивание по линии реза).
6. Расчет параметров данного реза.
7. Выход столика в зону резки.
8. Резка заготовки по заданным параметрам.
9. Выход столика в исходное положение или поворот столика для следующей резки.
10. Снятие заготовки.
Программное обеспечение, система управления должна реализовывать автоматическое выполнение операций 5-9 или 3-9 в случае автоматического поиска реперных меток.
Также была составлена программно-аппаратная блок схема (рис. 12).
На основе технологического маршрута был составлены алгоритмы (рис. 13) для реализации технологического процесса разделения заготовок методом ЛУТ на промышленных установках РТ-350, РТ-500. Принципиальных отличий в алгоритмах нет, т. к. технологический процесс ЛУТ приборных пластин на чипы очень схож с технологическим процессом ЛУТ плоских дисплейных панелей. Стоит учесть, что в тех случаях, если приборная пластина имеет нанесённые реперные метки, процесс выравнивания заготовки может производиться автоматически.
Имеет смысл отметить, что в случае, если резов более одного, то в момент, когда заготовка перемещается в зону резки, одновременно с этим программа рассчитывает параметры этого реза. В случае если процесс прошел успешно программа завершает свое выполнение и столик выходит в начальное положение, в том случае если рез прошел с дефектом или заколом или не прошел, то программа выполняет алгоритм контроля микротрещины ЛУТ (рис. 11) Рис. 12. Программно-аппаратная блок схема взаимодействия элементов установки.
(структура АСУ ТП) Рис. 13. Алгоритм реализации технологического процесса ЛУТ на установках.
Определено, что программное обеспечение целесообразно стоить на основе модульного принципа (рис.12). Это позволит за счет унификации программных модулей в значительной степени сократить сроки стоимость разработки программного обеспечения при одновременном увеличении его общей надежности.
Выбор аппаратно-программной платформы был обусловлен следующими соображениями:
- анализ распространения программно-аппаратных платформ на промышленных предприятиях и динамики развития этого процесса показывает всё более возрастающую долю компьютеров, аппаратные средства которых позволяют использовать операционную систему семейства Windows;
- интерфейсы в программных средах семейства Windows в высокой степени унифицированы, просты и наглядны;
- существует большой выбор программного обеспечения для различных областей применения;
- системы семейства Windows интенсивно развиваются и совершенствуются.
Окончательный выбор программно-аппаратной платформы был сделан в пользу IBM PC-совместимого компьютера с операционной системой Windows XP как надёжно зарекомендовавшей себя, основанной на технологии NT.
В качестве инструментального средства разработки приложения была выбрана среда разработки Borland Delphi 7. Выбор был сделан из следующих соображений:
- используется синтаксис объектно-ориентированного языка Delphi;
- обеспечивает переносимость исходных кодов, имеет удобную визуальную среду разработки интерфейсных элементов приложений;
- поддержка использования технологии OLE, объектов типа Thread для создания мультизадачных приложений, работа с DLL;
- возможность использования библиотек функций, написанных на С++, поставщиками оборудования;
- удобные средства разработки баз данных различных форматов.
Интерфейс программы, состоящий из двух интерфейсных окон, был разработан с учетом удобства использования оператором установки.
Рис. 14. Интерфейсное окно резка и Рис. 15. Интерфейсное окно перемещения. настройки и терминал.
Основные проблемы и методы их решения при разработке ПО АСУ ТП:
1._Необходимо было ввести компоненты Threads многопоточности для оптимальной и высокопроизводительной работы установок. Эти компоненты позволяют одновременно выполнять несколько операций, например: изменять положение приводов перемещения и рассчитывать данные для текущего реза, производить резку и одновременно производить контроля резки (наличие микротрещины), что значительно ускоряет технологический процесс лазерной резки на установках.
2. Были специально разработаны алгоритм поиска упора и подпрограмма главной программы контроллера управления (ГПКУ) для УНДП, которая позволяет с прецизионной точностью наносить дефект на сверхтонкие материалы, не повреждая их.
3. Использование в системе динамических библиотек DLL и объектов MILImage, позволило управлять перемещением приводов в горизонтальной плоскости в окне изображения с камер. Также по средствам получаемого изображения с камер можно осуществить выравнивания заготовки по двум точкам. В программе управления LaserCut 7.0 существует возможность сохранения изображения и заданий по конкретным заготовкам в текстовом формате.
4.__Использование дополнительной платы обратной связи PCI Card I/O для своевременно получения данных (значений от приводов) и их верификации в значительной мере увеличило скорость резки заготовки.
5. С появлением новых модификаций контроллеров управления LSMC-5 с интерфейсом передачи данных USB 2.0, в программе управления появилась поддержка данного интерфейса, что в значительной мере увеличило скорость загрузки программы и выполнению операций на установках.
6.__Для создания программно-аппаратного модуля контроля зарождения микротрещины и последующего ее перемещения вдоль лини реза был использован элемент Frame Grabber.
ГПКУ является передатчиком команд от основной программы к приводам перемещения, осуществляет контроль положения и выполняет лазерную резку по заданным параметрам на установках. Данная система разработана для серии установок ЛУТ, выполняющих однотипные задачи ЛУТ и оснащенных контроллером управления серии LSMC-5, произведенным ООО Рухсервмотор в г. Минске.
Составлены программы микроконтроллера для различных технологических задач таких, как ЛУТ кремниевых пластин на чипы, ЛУТ силикатного стекла, ЛУТ арсенида галлия.
Автоматизированный технологический процесс раскроя приборных пластин на чипы представляет собой следующую последовательность:
1. Получение приборных пластин в межоперационной таре.
2. Наклейка пластины на плёнку-носитель.
3. Фиксация плёнки с пластиной в рамке-держателе.
4. Фиксация рамки-держателя с пластиной на предметном столике установки.
5. Выход столика в зону ориентации.
6. Распознавание реперных знаков и ориентация пластины по линии реза.
7. Выход столика в зону резки.
8. Резка пластины в первом направлении в автоматическом режиме.
9. Контроль процесса прохождения микротрещины.
9.1. Конец операции (в случае появления закола и остановки задачи оператором).
9.2. Повторный рез.
10. Поворот предметного столика на 90o.
11. Ориентация пластины.
12. Автоматическая резка пластины в перпендикулярном направлении.
13. Выход столика в исходное (нулевое) положение.
14. Снятие пластины.
15._Разделение порезанной пластины на чипы, растягивая плёнку с пластиной с помощью специального устройства.
16. Установка плёнки с чипами в автомат сортировки.
17. Разборка и установка чипов в тару.
18. Передача чипов на установку в корпус.
Программное обеспечение реализует автоматическое выполнение операций 6Ц14 на установке резки приборных пластин. Данный алгоритм операции раскроя приборных пластин может быть использован для включения в существующую линию автоматизированного производства чипов.
АСУ ТП на установках ЛУТ представляет следующий набор программ:
- основная программа, имеющая графическую оболочку, рассчитывающая параметры лазерной резки, отвечающие за получения изображения с камер, и обеспечивающие управление лазером и его блоками питания и охлаждения, а также запускающая главную программу резки, записанную в контроллере управления;
- главная программа контроллера управления (ГПКУ), выполняющая лазерную резку;
- подпрограммы контроллера, отвечающие за независимое включение/выключение лазера, открытие/закрытие клапанов и лазерных затворов, использование устройства нанесения дефекта, перемещение приводов перемещения объектива и предметного столика, а также включение/отключение вакуумного эжектора.
Основная программа находиться на управляющем ПК, ГПКУ и подпрограммы контроллера управления находятся в памяти контроллера.
Интерфейс основной программы состоит из двух окон (рис. 14,15).
При разработке автоматизированной системы управления были поставлены следующие задачи, которые были выполнены. Необходимо было выполнить задачу автоматизации следующих технологических операций:
- выравнивание программно-аппаратной системы координат;
- распознавание реперных меток заготовок;
- автоматическая система контроля микротрещины.
В целом задача автоматизирования ТП лазерной резки кремнёвых чипов, резки серии заготовок (кремниевых приборных пластин) была выполнена.
Следует отметить преимущества АСУ ТП перед другими системами управления:
возможность контроля наличия микротрещины;
увеличенная функциональность промышленных установок;
быстродействие, повышенная производительность в 1,5-2раза в сравнение с простыми и терминальными системами;
модульность системы;
возможность легкого переноса на другие установки ЛУТ оснащенные контроллером управления LMSC-5;
возможность сохранения заданий раскроя кремневых и стеклянных пластин и их изображений.
В настоящий момент ведется разработка дополнительного программного модуля для импортирования данных из IGES, DWG или DXF, и FG-CAD/CAM-систем в 3D-форме, 2D-форме для оперативного создания задания для обработки заготовки на установках ЛУТ.
В заключении обобщены данные по разработке АСУ ТП, аппаратных модулей на промышленных установках, на основании которых сделаны выводы и получены следующие результаты работы:
1. Разработаны алгоритмы АСУ ТП раскроя кремниевых приборных пластин на чипы и стекла для плоских дисплейных панелей на промышленных установках.
2. Создана и внедрена АСУ ТП ЛУТ на промышленных установках раскроя кремниевых пластин РТ-350, раскроя стекла для плоских дисплейных панелей РТ-500.
3. Предложенные алгоритмы являются универсальными и могут быть использованы для промышленных установок выполняющих различные задачи с использованием технологии ЛУТ.
4. Для обеспечения надежности и эффективности программного обеспечения целесообразно строить её по модульному принципу.
5. Сформулированы требования к АСУ ТП ЛУТ для промышленных установок.
6. Разработаны алгоритмы и выполнена программная реализация для аппаратных модулей управления: УНПД и устройством видео контроля позиционирования приборной пластины. Данные устройства позволяют производить лазерную резку утоненных заготовок, а также резку с оборотной приборной пластины.
7. Разработана схема нового высокоэффективного устройства контроля микротрещины, устройство позволяет определить наличие микротрещины при каждом резе приборной пластины.
8. Получены оптимальные режимы ЛУТ: кремния, арсенида галлия и стекла на промышленных установках ЛУТ экспериментальным путем, с учетом существующих режимов для лабораторных установок.
9. Экспериментально подтверждено, что внедренная АСУ ТП ЛУТ увеличивает функциональность промышленных установок, повышает их быстродействие, а также увеличивает качество управляемости.
10. Показана актуальность внедрения автоматизированного технологического процесса ЛУТ кремниевых приборных пластин на промышленной установке РТ350 в состав автоматизированного производства кремниевых чипов.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Гиндин П.Д., Кондратенко В.С., Сорокин А.В., Хлызов В.А. Система видео контроля позиционирования заготовок на установках лазерного управляемого термораскалывания. Приборы, №1 2012. Москва - с. 50-53.
2. Гиндин П.Д., Сорокин А.В., Хлызов В.А. Система управления промышленными установками лазерного управляемого термораскалывания. Автоматизация в промышленности, №2 2012. Москва. - с. 40-42.
3. Гиндин П.Д., Кондратенко В.С., Сорокин А.В., Хлызов В.А. Программа управления для промышленных установок лазерного управляемого термораскалывания. Мехатроника, автоматизация, управление №3 2012.
Москва. - с. 44-47.
Публикации в других изданиях 1. Гиндин П.Д., Кондратенко В.С., Сорокин А.В., Хлызов В.А. Требования к первоначальному дефекту для технологического процесса лазерного управляемого термораскалывания стекла и кремния. НПЖ "Отраслевые аспекты технических наук", №12. 2011. Москва. - с. 24-25.
2. Хлызов В.А. Программно-аппаратный модуль контроля микротрещины на установках лазерного управляемого термораскалывания. НПЖ "Отраслевые аспекты технических наук", №1. 2011. Москва. - с. 15-18.
Подписано к печати 29.04.2012 г. Формат 60 х 84. 1/Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 300м Московский государственный университет приборостроения и информатики 107996, Москва, ул. Стромынка,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям