Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы автоматизации сборки электронной аппаратуры в многономенклатурном производстве. Основные задачи исследований 20
1.1 .Результаты анализа автоматизированного производства электронных модулей (ЭМ) 20
1.2. Основные задачи исследований 30
1.3. Классификация объектов и участников автоматизированного проектирования структур ГАСК сборки электронных модулей 31
1.4. Адаптация конструкций ЭМ к условиям автоматической сборки в ГАСК 37
1.5. Исследование влияния регулярности расположения компонентов (ЭК) на
плате на величину суммарного пути, пройденного столом при монтаже ЭК .41
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Обоснование и разработка методов проектирования технологических структур ГАСК сборки электронных модулей (ЭМ) в многономенклатурном производстве 46
2.1. Методология автоматизированного проектирования технологических структур ГАСК сборки ЭМ 46
2.2. Метод синтеза технологических структур ГАСК и их элементов 61
2.3. Метод технико-экономической оценки эффективности структур ГАСК и их элементов 69
2.4. Основные направления повышения эффективности структур ГАСК 83
Выводы по главе 2 84
Глава 3. Операции сборки в многономенклатурном производстве электронных модулей из однотипных компонентов с их максимальной концентрацией и оптимизацией последовательности монтажа для автоматизированного проектирования технологических структур ГАСК 86
3.1. Синтез технологических переходов сборки ЭМ в ГАСК для каждого типа компонента 89
3.2. Автоматизированное проектирование технологических операций сборки ЭМ из однотипных компонентов с их максимальной концентрацией и оптимизацией последовательности выполнения 104
3.3. Синтез оптимальной технологической операции сборки ЭМ из однотипных компонентов с их максимальной концентрацией и оптимизацией последовательности выполнения 119
3.4. Автоматизация проектирования управляющих программ УТП для автоматизированного монтажа компонентов на плату в ГАСК 128
3.5. Алгоритм автоматизированного проектирования технологических операций сборки ЭМ в ГАСК 137
3.6. Исследование влияния номенклатуры и объема выпуска ЭМ на эффективность монтажных операций ГАСК 142
Выводы по главе 3 145
Глава 4. Разработка, исследование технологического оснащения (СТО) и прогнозирование его основных характеристик для оборудования ГАСК многономенклатурного производства электронных модулей 147
4.1. Обоснование и разработка моделей СТО 148
Модели точности СТО 148
Модели надежности СТО 152
Модели производительности и стоимости СТО 157
Модели динамики координатных систем (КС) АТО с быстродействующими следящими приводами 158
Модель динамики стола КС АТО с шаговым приводом вращения,
микропроцессорной СЧПУ и устройством форсировки разгона КС 182
4.2. Методика исследования СТО с использованием их моделей 192
4.3. Исследование и прогнозирование основных характеристик СТО с использованием их моделей 198
Выводы по главе 4 239
Глава 5. Исследование и прогнозирование основных характеристик оборудования (АТО) ГАСК многономенклатурного производства электронных модулей 244
5.1. Разработка и обоснование моделей АТО сборки ЭМ 244
5.2. Методика исследования АТО сборки ЭМ в ГАСК с использованием их моделей 257
5.3. Анализ результатов исследований АТО с использованием их моделей 259
5.4. Повышение точности, надежности и производительности АТО (на примере ГГМ2.249.005) 279
Выводы по главе 5 280
Глава 6. Подструктуры ГАСК сборки в многономенклатурном производстве электронных модулей из однотипных компонентов для автоматизированного проектирования технологических структур ГАСК 283
6.1. Проектирование групповых технологических процессов АТП сборки ЭМ
из однотипных переходов 284
6.2. Синтез подструктур ГАСК сборки ЭМ из операций с максимальной концентрацией однотипных переходов и оптимизацией последовательности их выполнения. Формирование множества подструктур 296
6.3. Проектирование оптимальных подструктур сборки ЭМ из однотипных компонентов 301
6.4. Алгоритм автоматизированного проектирования подструктур ГАСК
сборки ЭМ из однотипных компонентов 303
6.5.Результаты исследований влияния применяемого оборудования, номенклатуры и объема выпуска ЭМ на эффективность подструктур ГАСК с использованием их моделей 310
Выводы по главе 6 314
Глава 7. Автоматизированное проектирование структур ГАСК сборки в многономенклатурном производстве электронных модулей из разнотипных компонентов с учетом их концентрации, оптимизации последовательности сборки, подструктур, компоновки АТО, транспортных операций 315
7.1. Автоматизированное проектирование технологических операций ГАСК сборки ЭМ из разнотипных компонентов с их концентрацией, оптимизацией последовательности сборки 315
7.2. Синтез компоновки ГАСК сборки ЭМ 333
7.3. Синтез и оптимизация транспортных операций ГАСК сборки ЭМ 351
7.4. Автоматизированное проектирование оптимальных структур ГАСК
сборки ЭМ из разнотипных компонентов 384
7.5. Автоматизация разработки технологической документации оптимальной структуры ГАСК сборки ЭМ 401
7.6. Алгоритм автоматизированного проектирования структур ГАСК сборки ЭМ из разнотипных компонентов 405
7.7. Программный комплекс автоматизированного проектирования и исследования структур ГАСК сборки ЭМ 413
7.8. Результаты исследований структур ГАСК сборки ЭМ с использованием их моделей 416
Выводы по главе 7 445
Общие выводы 449
Список литературы ; 456
- Классификация объектов и участников автоматизированного проектирования структур ГАСК сборки электронных модулей
- Метод технико-экономической оценки эффективности структур ГАСК и их элементов
- Алгоритм автоматизированного проектирования технологических операций сборки ЭМ в ГАСК
- Анализ результатов исследований АТО с использованием их моделей
Введение к работе
Актуальность проблемы
Тенденции развития научно-технического прогресса связывают с широким использованием радио-, видео-, вычислительной электронной аппаратуры (ЭА) бытового и специального назначения. ЭА находит широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Одним из основных устройств любой ЭА являются электронные модули (ЭМ), которые строят на базе печатной платы (1111) и навесного монтажа электронных компонентов (ЭК). Трудоемкость сборки ЭМ составляет до 70 и более % от общей трудоемкости изготовления электронной аппаратуры, поэтому автоматизация производства ЭЯ - актуальна. В промышленности есть для больших программ выпуска малой номенклатуры ЭМ линии (цеха) с высоким уровнем автоматизации сборки ЭЯ (Квант, ТАПЭМ, САМ, МПО ВТ) [занимающие большие площади ( тыс.м2) с большим количеством оборудования (АТО) и рабочих]; комплекты АТО (для автоматизации отдельных наиболее трудоемких операций) и набор оснастки - для ручной сборки ЭЯ малых серий большой номенклатуры. Не решена проблема автоматизации сборки ЭМ небольшими партиями (10 N3a 2500 эя/г) большой номенклатуры (Na 100 тип.эя/г) из-за несовершенства сборочных средств и технологической подготовки. Средства сборки здесь должны обладать гибкостью (программной переналадкой), быть объединены в комплексы (АСбК), ЭМ адаптированы к сборке в АСбК, техпроцессы АТП - индивидуальны (для каждого типа ЭМ), автоматизированы и оптимальны. Наиболее перспективны для этих условий - гибкие автоматизированные сборочные комплексы (ГАСК) [на основе серийного АТО и оснастки (СТО): сборочных центров СБЦ, роботизированных технологических комплексов РТК, гибких производственных модулей ГПМ; автоматизированной транспортно-накопительной системы (транспорта АТР с произвольным выбором адресата); средств вычислительной техники (ВТ)], которые в сравнении с комплектом АТО и ручной сборкой (для аналогичного объема и номенклатуры ЭЯ) имеют меньше АТО, рабочих, площадь, большую загрузку АТО, но дороги и сложны в проектировании. Важно уже на ранней стадии при формировании и выборе структур ГАСК (например, рис.0.1) принять правильное решение. Разработка ГАСК сдерживается отсутствием научно-методической базы. В этой связи представляют особый интерес работы отечественных и зарубежных ученых: а) по проектированию структур АСбК Абалкина В.Н., Алексеева В.Г., Алексеева П.И., Валькова В.М., Волчкевича Л.И., Горнева В.Ф., Краузе Г., Лапина М.С., Лищинского М.Ю., Меткина Н.П., Медведева A.M., Митрофанова СП., Нестерова Ю.И., Норенкова И.П., Рея У., Пономарева В.М., Садовской Т.Г., Серебрянного В.Г., Соломецева Ю.М., Сосонкина В.Л., Фролова В.Н., Шаумяна Г.А., Щпура Г.; б) по обеспечению технологических требований АСбК в АТО и СТО Васильева Г.Н., Дальского A.M., Капустина Н.М., Ка-мышного Н.И., Киселева В.М., Кузнецова М.М., Кузнецова Ю.И., Кулешова B.C., Лакоты Н.А., Лещенко В.А., Малова А.Н., Михайлова О.П., Попова Д.Н., Попова Е.П., Чеканова А.Н., Чиликина М.Г. и многих других. К настоящему времени изучены и исследованы некоторые частные задачи по разработке ГАСК и его элементов (например, принципы организации, управления, построения АТО для подготовки ЭК, сборки), но отсутствует обобщение полученных ранее результатов, нет научно обоснованной теоретической базы, методов и средств технологического проектирования ГАСК сборки ЭЯ. Целью работы является создание научных основ проектирования технологических структур ГАСК многономенклатурного производства ЭЯ, позволивших повысить эффективность использования серийного АТО путем объединения его в ГАСК. Научные основы проектирования структур ГАСК включают (рис.0.2): методы синтеза (для генерирования вариантов) и технико-экономической оценки (анализа, контроля, управления процессом проектирования); методологии (автоматизированного оптимизационного проектирования технологических, транспортных операций, подструктур, компоновки оборудования в комплексе и на их основе - структур ГАСК).
Методы исследования. Работа базируется на системном подходе к моделированию структур ГАСК , их элементов многономенклатурного производства ЭЯ.
Теоретические исследования основаны на использовании: теории производительности, теории надежности машин и автоматических линий, теории множеств, массового обслуживания, математического аппарата интегральных и интегро-дифференциальных уравнений; методов физического, математического, электронного, цифрового моделирования, численного решения на ЭВМ, оптимизации.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена физико-математической постановкой задач и корректным применением методов исследования. С целью проверки и уточнения полученных расчетных соотношений и нелинейных моделей были проведены экспериментальные исследования на специально созданных стендах.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе научного обобщения опыта разработки АСбК созданы научные основы проектирования технологических структур ГАСК многономенклатурного производства ЭЯ для повышения эффективности использования серийного сборочного АТО путем объединения его в ГАСК. Впервые предложены:
синтез технологических структур ГАСК выполнен на основе оптимальных технологических, транспортных операций и компоновки оборудования;
оценка и выбор структур и их компонентов из множества вариантов - по комплексному показателю эффективности (по Ртах); предложенный показатель эффективности Р учитывает особенности изделий (ЭЯ), оборудования (АТО, СТО, АТр), производства (номенклатуру и годовой объем выпуска ЭЯ, брак, незавершенное производство, постоянные и переменные затраты) и технологическую подготовку (проектирование управляющих программ, операционных и маршрутных карт); 3) в технологических операциях вместе с концентрацией разнотипных переходов оптимизирована последовательность их выполнения; 4) выбор оборудования и оснастки для технологических операций выполнен на основе комплексной оценки (точности, надежности, производительности, стоимости); в производительности АТО учтены его загрузка (Кз), выход годных изделий (Ктп), готовность к работе (р ) и трудоемкость;
установлена связь трудоемкости сборки ЭЯ (времени на обслуживание Тобс и переналадку Тпер) с особенностями изделия ЭЯ (типами, количеством ЭК, видом монтажа), оборудования (АТО, СТО) и производства (годовым объемом выпуска); 6) для дифференцированного анализа структур ГАСК и их элементов показатель Р имеет модификации (для операций - Роп, для подструктур - РкЬ для структур - Рк2); 7) в транспортных операциях, исходя из вероятностного характера транспортных потоков и заявок на обслуживание АТО (с использованием СМО), оптимизация выбора количества транспортного оборудования АТр и его марки произведена с учетом требуемой загрузки АТО (К3 ато) и АТр (К3 атр).
Основные научные положения, выносимые на защиту: 1) объединение в структуры ГАСК серийного оборудования (АТО, СТО, АТр) повысившее эффективность его использования в сравнении с группой независимо работающих единиц комплектов АТО (уменьшение единиц оборудования, квалифицированных рабочих, площадей; увеличение загрузки оборудования, его производительности; сокращение сроков сборки изделий; 2) методология автоматизированного проектирования и оптимизации технологических структур ГАСК; 3) метод синтеза структур ГАСК и их элементов, учитывающий особенности изделий и технологической сборочной среды и позволивший объединить серийное оборудование в комплексы ГАСК, повысив эффективность его использования; 4) метод технико-экономической оценки эффективности структур ГАСК, позволивший, благодаря учету особенностей изделий и технологической сборочной среды, количественно определить эффективность вариантов структур (и их элементов) и выбрать из них лучший; 5) синтез технологических структур ГАСК на основе оптимальных технологических, транспортных операций, подструктур и компоновки АТО [технологических операций с концентрацией разнотипных компонентов и оптимизацией их последовательности сборки; транспортных операций с оптимизацией выбора количества транспортного оборудования АТр и его марки при учете требуемой загрузки АТО (К3 ат0) и АТр (К3 атр); подструктур на основе типовых технологических процессов АТП сборки ЭЯ, унифицированных структур и операций сборки ЭЯ из однотипных компонентов]; в) основные направления обеспечения технологических требований ГАСК в сборочном оборудовании и СТО за счет применения в его координатных системах разработанных и исследованных автором быстродействующих следящих приводов.
Практическая ценность и реализация результатов данной работы: предложенные автором методология трех этапного синтеза технологических структур ГАСК; метод синтеза структур ГАСК и их элементов; метод технико-экономической оценки результатов проектирования; методика синтеза технологических [однотипных, разнотипных операций с концентрацией разнотипных переходов, оптимизацией последовательности выполнения переходов, оптимизацией выбора марки и количества АТО и СТО] и транспортных (с учетом вероятностного характера транспортных потоков, оптимизацией выбора марки и количества АТр при обеспечении требуемой загрузки АТО и АТр) операций с оптимизацией выбора лучшей; методики синтеза подструктур и компоновки ГАСК с оптимизацией выбора лучшей; методики обеспечения технологических требований ГАСК в АТО и СТО; методика автоматизации проектирования специального технологического оснащения СТО, позволяющая уменьшить трудоемкость и стоимость разработки СТО; унифицированные структуры ГАСК сборки различных изделий ЭЯ (построенные для штырькового монтажа с ИС2 и ЭРЭ, планарного монтажа с ИС4 и ЭРЭ и комбинированного с ЭРЭ, ИС2 и ИС4) использованы при разработке шаблонов для синтеза структур; алгоритмы автоматизированного проектирования групповых технологических процессов АТП сборки ЭЯ применены при синтезе операций, разработке шаблонов подструктур и унифицированных структур; алгоритмы автоматизированного расчета комплексного показателя эффективности Ркі и Р обеспечили оптимальный выбор соответственно подструктур и структур ГАСК, показателя Роп - оптимальный выбор моделей СТО, АТО, АТр при разработке технологических и транспортных операций ГАСК; алгоритмы автоматизированного проектирования управляющих программ управляющих программ (УТЛ) обеспечили подготовку информации, ее кодирование, контроль, формирование кадров УТЛ монтажа ЭК на плату на АТО с ЧПУ с оптимизацией последовательности монтажа ЭК по минимальному суммарному пути КС, что уменьшило время на ее подготовку; рекомендации по обеспечению технологических требований ГАСК в сборочных АТО и ПР путем замены приводов их КС на разработанные и исследованные автором быстродействующие следящие приводы позволяют увеличить производительность АТО за счет уменьшения вспомогательного времени КС;
- методика автоматизации принятия конструкторско-технологических решений при адаптации изделий ЭЯ к условиям сборки в ГАСК позволяет увеличить долю автоматизированной сборки и уменьшить величину переменных затрат в производстве ЭЯ;
- (СлПр) электрических - с двигателями постоянного или переменного тока и электрогидравлических предложенные электронные средства коррекции в разработанных быстродействующих следящих приводах с цилиндром или гидромотором, а также устройства форсировки шагового двигателя вращения в АТО с шаговым приводом (ШПр) позволили увеличить производительность АТО за счет повышения быстродействия их СлПр, ШПр и уменьшили трудоемкость их наладки.
На основе результатов работы подготовлены и изданы: научные статьи, монография, справочник, авторское свидетельство, учебники и методические пособия (всего 47 наименований; из них 2 учебника и 15 учебных пособий издано через центральные издательства, в том числе Principles of Automation & Automated production processes. - Moscov: Mir Publishers, 1976. - 400 p , Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов: Уч. пособ. - М.: Радио и связь, 1987. - 464 с; Основы автоматики и автоматизация производственных процессов: Учебник. - М.: Машиностроение, 1974. - 368с.
Результаты работы внедрены в НИИ, на заводах, в конструкторских и технологических бюро: МРТЗ (г. Москва), НПО ВТ (г. Минск), НПО им. Масленникова и Экран (г. Самара), эл.механический завод (г. Брест).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15 всесоюзных, отраслевых конференциях и семинарах, в том числе: на всесоюзных научно-технических конференциях в г. Москве: Автоматизация сборочных работ, 1975; Автоматизация сборочных работ в приборостроении, 1975; Приборостроение, 1979; Автоматизация технологических процессов в приборостроении, 1980; Актуальные проблемы современного приборостроения, 1986, 1988 и 1989; Актуальные проблемы информатики, управления и вычислительной техники, 1987;на конференциях в Минске НПО ВТ Автоматизация сборки, 1980-1986 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 печатных работы, в том числе одна монография, один справочник, одно авторское свидетельство, 1 учебник, 15 учебных пособий.
Личный вклад соискателя. Все материалы, представленные в работе, выполнены соискателем. Соавторство относится к разработке программного обеспечения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 333 наименований и приложений.
Работа содержит: 270 стр. текста, 92 рис., 103 таблицы, 26 стр. литературы (315 наименований) и приложения ( приложения - в виде отдельной книги).
Классификация объектов и участников автоматизированного проектирования структур ГАСК сборки электронных модулей
Для классификации ЭК [72] в работе применены следующие конструкторско-технологические признаки: распространенность компонентов (ЭК широкого и не широкого применения); функциональное назначение ЭК (интегральные микросхемы ИС, БИС, СБИС, ЭРЭ, ЧИПы,); форма корпуса ( ИС2 - во втором корпусе, ИС4 - в четвертом, в корпусе PLCC и др.); размеры корпуса и выводов; расположение выводов (одностороннее, двухстороннее, многостороннее); типы и подтипы ЭК (например, ИС2: ИС в корпусе 201.14-2, 565 серии, блоки резисторов и резистивно-конденсаторные сборки Б-20; ИС4:(ИС в корпусе 401.14-2, 402. 16-2, 405.24-2); ЭРЭР с радиальным расположением выводов: конденсаторы керамические, электролитические, транзисторы и пр.); расстояние между рядами выводов ИС2 (7.5, 10.2 и 15 мм ); количество выводов; вид подготовки выводов ЭК; наличие гарантии пайки выводов; вид упаковки ЭК ( в ленте, индивидуальной упаковке, планшетах, россыпью).
Классификация технологических процессов и операций сборки ЭЯ В качестве классификационных признаков приняты (обоснование необходимости и достаточности наборов признаков в приложении П .2): вид монтажа, тип компонента, степень универсальности, уровень автоматизации, номенклатура производства, этапы сборки, виды операций.
На основе анализа существующих процессов и операций сборки ЭЯ и предложенной классификации (см. рис. ГГ. .IT) автоматизированные технологические процессы сборки (АТП ) можно разделить по степени универсальности на типовые, групповые и специальные (индивидуальные); по типу компонента ЭК на - АТП для интегральных микросхем во втором корпусе ИС2, для интегральных микросхем в четвертом корпусе ИС4, - для ЭРЭ с осевым расположением выводов, - для ЭРЭ с радиальным расположением выводов, - для поверхностно монтируемых ЭК; по виду монтажа ЭК на плате - на АТП со штырьковым, с планарным и поверхностным монтажом ; по уровню автоматизации - на АТП автоматизированные, ТП механизированные, ТП ручные и комбинированные; по количеству изготавливаемых типов ЭЯ (номенклатурность производства) -на АТП многономенклатурного, малономенклатурного и безноменклатурного производства. Так как промышленность выпускает ЭЯ, в основном, большой номенклатуры, то в работе для ГАСК приняты АТП многономенклатурного производства. Операции (АТОП) сборки ЭЯ по предлагаемой классификации разделены по этапам сборки на подготовительные, сборочно-монтажные, контрольные, испытательные, влагозащитные; по виду операций - на операции формовки, обрезки, флюсования, лужения выводов, напресовки припоя, координатной установки, обрезки и подгибки выводов, пайки волной припоя, групповым паяльником, лучом лазера, в парогазовой среде, отмывки, сушки, тестового, функционального, параметрического контроля, диагностики, испытаний, тренировки, покрытия лаком и др. влагозащитными средствами.
На основе анализа существующих операций и оборудования к СТО ГАСК производства ЭЯ отнесем автоматические: загрузочные устройства компонентов ЭК и деталей; накопители (АНПП) печатных плат (1111); схваты сборочных роботов, сборочные головки (СГ: монтажные, отрезки, подгибки, пайки, формовки) сборочных АТО; простые приводы (Пр) СГ и следящие приводы (СлПр) координатных систем (КС) АТО, ПР ; приспособления (УФПП) для точной фиксации плат в зоне сборки; устройства для загрузки, выгрузки плат и собранных модулей (УЗВПП). Так, при монтаже ЭК на плату в сборочном центре (СбЦ "Сас1гайс")[например, 73] в качестве специального технологического оснащения (СТО) использованы: монтажная система (1-8 монтажных головок, 1 - 8 головок подрезки, подгибки выводов ЭК; головки оснащены простыми пневматическими приводами вертикального перемещения); координатная система (верхний и нижний манипуляторы сборочного робота, имеющие по две каретки с электрическими следящими приводами); устройство для подачи платы и ее фиксации в зоне сборки; система обеспечения ЭК [автоматическое кассетное загрузочное устройство (АЗУ) с наклонным лотком для микросхем ИС2, вибробункерное АЗУ и ленточные питатели для ЭРЭ; накопитель сотового типа для ЭК со сложным корпусом; накопитель для плат]. Классификация СТО учитывает особенности: изделий ЭЯ (плат), компонентов ЭК и собственно СТО. Для этого в предложенной классификации в качестве классификационных признаков приняты: универсальность, уровень автоматизации, технологическое назначение, тип компонента ЭК, вид и тип СТО, тип привода СТО.
На основе предложенной классификации СТО разделено: по степени универсальности на: специальные, специализированные и универсальные; по виду управления: с ручным, механизированным и автоматическим управлением; по технологическому назначению на: монтажные системы (МС), координатные системы (КС), системы обеспечения (СО) компонентами ЭК, устройства накопления плат (АНпп), устройства подачи платы в зону сборки (УЗВпп), устройства фиксации (УФпп) платы в зоне сборки; по типу привода: с простым (пневматическим или кулачковым), электрическим шаговым, со следящим приводом.
Классификация АТО В классификации автоматического технологического оборудования (АТО) сборки ЭЯ автор предлагает использовать следующие классификационные признаки (см. также рис. ГІ.І6): вид операции; вид монтажа; тип компонента ЭК; уровень автоматизации; требуемый вид упаковки ЭК; тип питателя (автоматическое загрузочное устройство АЗУ для ЭК); количество монтажных систем (сборочных головок); наличие устройств повышения точности совмещения при монтаже; тип привода координатной системы КС; тип привода сборочной головки; тип системы управления и автономность использования АТО.
Метод технико-экономической оценки эффективности структур ГАСК и их элементов
При разработке шаблонов сборочных переходов и операций применены следующие правила:
ЭЯ адаптированы к сборке в ГАСК; компоненты ЭК разделены на группы и подготовлены к сборке с учетом вида упаковки ЭК, метода монтажа ЭК, гарантии пайки их выводов; сборка - на плоскости с вертикальным монтажом компонента; установка ЭК на плату без прокладки; крепление ЭК на плате - подгибкой выводов с противоположной монтажу стороны, пайкой или приклеиванием корпуса ЭК в зависимости от вида монтажа; монтаж - DIP (штырьковый), планарный или поверхностный (SMD); сборка - с базовой деталью (платой 1111); базирование 1111 и ЭК зависит от вида монтажа и точности изготовления компонента или его элементов [фиксация 1111 - на базовые отверстия или за края, фиксация ЭК - за выводы или корпус]; сборка (кроме ЭК не широкого применения)- автоматическая, последовательная, дифференцированная (на каждый тип ЭК - своя головка СГ), подвижная, программно-координатная (позиционирование по программе координатной системы (КС) АТО при монтаже очередного ЭК ; в качестве автоматизированного оборудования применено серийное одно- и многооперационное АТО [11 ЇМ, РТК, СбЦ, автоматы с ЧПУ (Ачпу), сборочные промышленные роботы (ПР)] новое или модернизированное, прошедшее тестирование и отвечающее требованиям ГАСК (АТО оснащено системами накопления и подачи компонентов ЭК, плат ПП, СГ, набором сменных головок; обеспечивает требуемую точность, надежность); операции монтажа выполнены с максимальной концентрацией однотипных переходов и оптимизацией последовательности установки ЭК, оптимизация осуществлена по критерию минимального суммарного пути КС L min; выбор условий (режимов) переходов монтажа однотипных ЭК выполнен с использованием таблиц элементарных технологических операций сборки ЭЯ (см. приложение 5 ! г); предварительный выбор лучшей марки АТО и операции на первом этапе проектирования происходит по комплексному показателю Роп = Роп макс! автоматизация проектирования управляющих программ УТП операций сборки и изготовления документации ТД (выполнена с помощью программного обеспечения, разработанного на основе авторских алгоритмов). При проектировании шаблонов подструктур (групповых АТП) применены следующие правила: АТП сборки ЭЯ в ГАСК автоматизирован; глубина проработки АТП - полная (до переходов включительно); последовательность групповых операций в АТП - фиксирована, зависит от типа ЭЯ и вида монтажа; учет в АТП не только основных (монтажных) операций, но и подготовительных (рихтовка, формовка, иногда лужение выводов ЭК), финишных операций (пайка, отмывка, контроль); ключевой операцией АТП является монтажная; от нее зависит вид, количество подготовительных и финишных операций; пайка выводов ЭК - групповая; вид пайки зависит от вида монтажа (для DIP монтажа - пайка волной припоя; для SMD монтажа -в парогазовой среде и с ИК нагревом; для планарного монтажа - групповыми паяльниками); финишные операции (отмывки, сушки и контроля) также выполняются на автоматизированном оборудовании; вспомогательные операции (распаковка, упаковка, переупаковка, загрузка, разгрузка АТО, транспорта АТр, накопителей) выполняются автоматически ПР или вручную; в АТП учтены все вспомогательные операции (в том числе ручные); производство ЭЯ - многономенклатурное, поэтому операции, входящие в АТП, в общем случае, не синхронизированы по трудоемкости, связь между ними осуществляется через автоматические накопители АН и/или склад АСк с помощью автоматизированного транспорта Атр [самоходных автоматических тележек, подвесных промышленных роботов ПР (трансроботов) или напольных ПР с неподвижным основанием]. Оценка каждого варианта подструктуры ГАСК происходит по комплексному показателю Ркь который включает расчет полной трудоемкости сборки, производительности, количества требуемого оборудования, рабочих, постоянных и переменных производственных затрат. Из множества вариантов выбирается лучшая подструктура, у которой Ркі= Ркімакс. Правила проектирования моделей структур и их элементов: формирование и ограничение множества рассматриваемых марок оборудования АТО, АТр, оснастки СТО; подготовка их основных характеристик для последующего заполнения БЗ; формализованное представление объектов сборки (ЭЯ, ЭК), оборудования и оснастки в виде моделей с соответствующим набором признаков; выделение части признаков (определяющих группу, вид, тип объекта) во вспомогательные модели и их формализация; формализация структурных иерархических связей моделей между собой и с вспомогательными моделями; заполнение КТ БЗ; разработка алгоритмов проектирования на основе методов синтеза и технико-экономической оценки структур ГАСК (АТП и их элементов); для унифицированных структур ГАСК - применение групповых АТП сборки ЭЯ. Подробно синтез отдельных объектов рассмотрен в главах 3, 6, 7 (переходов и технологических операций сборки ЭЯ из однотипных ЭК - в гл. 3; подструктур -в гл. 6; технологических операций сборки ЭЯ из разнотипных ЭК, транспортных операций, компоновки и структур ГАСК - в гл. 7).
Разработанный метод синтеза для автоматизированного проектирования структур ГАСК сборки ЭЯ в многономенклатурном производстве обеспечил получение для любого типа ячейки индивидуального техпроцесса АТП, структуры, ее элементов с возможностью оптимизации.
Благодаря использованию при проектировании структурированных данных в виде КТ БЗ стало возможным для формализованного описания изделий и технологической сборочной среды применение: теории множеств (что упростило процесс построения моделей объектов); стандартных процедур по преобразованию и хранению этой информации; современных многофункциональных систем управления базами данных, что повысило быстродействие системы проектирования, расширило ее функции и возможность к развитию.
Алгоритм автоматизированного проектирования технологических операций сборки ЭМ в ГАСК
Глава посвящена разработке и обоснованию моделей специального технологического оснащения (СТО) ГАСК многономенклатурного производства электронных модулей (ЭМ или ЭЯ); исследованию, прогнозированию, обеспечению технологических требований в СТО. Модели специального технологического оснащения (СТО) необходимы для оценки его возможности использования в структурах ГАСК, для обоснованного выбора СТО при проектировании операций сборки ЭМ, определения путей улучшения (прогнозирования) основных характеристик СТО и обеспечения технологических требований ГАСК в АТО и СТО. Из специального технологического оснащения (СТО) автоматизированной сборки ЭЯ в ГАСК (см. п. 1.2) акцент сделан на автоматических загрузочных устройствах [АЗУ для электронных компонентов (например, рис. 4.1; П.З)], АН накопителях для печатных плат (рис. 4.15 а, б, в; П.7, П.29 ), устройствах загрузки/выгрузки плат (рис. 4.15 з,г; П.7, д), устройствах фиксации платы при сборке (Уфпп, рис. 4.15 д, П. 29), сборочных головках (СГ, рис. П.1; П.28)], координатных системах (КС - устройствах точного многократного позиционирования платы или головки по программе для нахождения места установки очередного ЭК, рис. 4.2; П.4 ).
Основные задачи главы 4: А) обоснование и разработка быстродействующих следящих приводов для КС; моделей динамики КС; моделей производительности, точности, надежности, стоимости КС, АЗУ, Уфпп, СГ; Б) оценка характеристик СТО при исследовании их моделей; В. прогнозирование улучшения характеристик СТО и обеспечение технологических требований ГАСК в СТО.
Основными характеристиками СТО, по которым оцениваются его возможности использования в структурах ГАСК, являются: точность, надежность, производительность, стоимость. В целом, такой подход комплексной оценки СТО для автоматизированного проектирования технологических средств сборки ЭЯ является новым как с точки зрения учета совокупности характеристик, так и моделей для расчета этих характеристик. Отсутствует статистика по допустимым значениям характеристик, а на имеющиеся - сведения противоречивы. По требованиям точности СТО в литературе нет однозначного мнения, например, точность позиционирования (точность КС) по одним источникам [292] должна быть 0,127 мм, по другим [293] - 0,05 мм; точность СГ - 0,05 мм [292] и 0,02 мм [293]. Как показали исследования автора, точность некоторых СТО ниже требуемой (например, захватных устройств СГ). В существующих методиках при проектировании операций (переходов) сборки ЭЯ [например, 292, 293] не учитываются данные по надежности. Время наработки на отказ у СТО ГАСК должно быть не менее эффективного фонда времени (работы АТО, СТО). Выполненные автором исследования показали, что не у всех СТО это время при заданной вероятности безотказной работы [P(t) = 0,95] соответствует требованиям ГАСК.
Поиск путей удовлетворения требований структур ГАСК сборки ЭЯ в СТО по основным характеристикам связан с их оценкой и прогнозированием на моделях производительности, точности, надежности, стоимости СТО. Выбор и обоснование методов обеспечения точности, надежности моделей СТО и АТО даны в данной главе; производительности и производственных затрат - в главе 2; модели СТО и их признаки - в приложении 4; автоматизированное проектирование моделей СТО для операций сборки ЭЯ в ГАСК - в главах 3 (АТОп с КОП из однотипных переходов) и 7 (АТОп с КРП из разнотипных переходов). 4.1. Обоснование и разработка моделей СТО Модели точности СТО Основой для построения моделей точности и надежности СТО служат приведенные ниже формулы 4.0 ч-4.20 [полные модели точности и надежности СТО формируются при объединении признаков, определенных по шаблону и в результате проектирования (проектирование СТО см. гл. 3)]. Погрешности СТО [например, координатной системы (КС), обеспечивающей позиционирование платы; устройства фиксации платы УФПП; загрузочного устройства компонентов (АЗУ), определяющего положение ЭК перед захватом его сборочной головкой (СГ), и положение СГ перед монтажом компонента (ЭК)] яв ляются элементами размерной цепи точности сборки ЭЯ 8С [погрешности совмещения 8С (см. главу 5, модель точности АТО) выводов компонента ЭК с элементами платы 1111 (отверстиями или контактными площадками)]. Из известных в технологии машин и приборов [например, 68, 316] методов обеспечения точности для автоматизированной сборки ЭЯ в ГАСК как альтернативные рассмотрены методы полной и неполной взаимозаменяемости [метод групповой взаимозаменяемости не приемлем из-за большой номенклатуры ЭЯ (разнообразных компонентов ЭК, входящих в изделие), большого количества выводов у каждого ЭК (несколько десятков), а методы пригонки и с компенсирующим звеном - из-за необходимости постоянного участия оператора в сборке]. Выполненные автором исследования показали, что погрешность совмещения sc (поле допуска), рассчитанная методом полной взаимозаменяемости по "максимуму- минимуму" для штырькового (DIP) монтажа с использованием стандартных ЭК (табл. 182 приложения 4 ) оказалась значительно больше допустимой (5 с 0.8 мм), что связано, видимо, с большим числом частных погрешностей, входящих в размерную цепь (по условию надежной пайки вывода ЭК в монтажном отверстии необходимый зазор должен быть в пределах 0.4 - 0.6 мм). Для обеспечения требуемой 8С нужно значительно увеличить точность ЭК и 1111 [при планарном или поверхностном (SMD) монтаже - нужна еще большая точность совмещения]. Метод полной взаимозаменяемости применим при небольшом числе звеньев размерной цепи и достаточном большом допуске на замыкающее звено. При сборке ЭЯ число звеньев размерной цепи велико (до 100 и более), а допуск на замыкающее звено - мал (в зависимости от вида монтажа 0,1 - 0,2 мм). Для ГАСК сборки ЭЯ этот метод не подошел; при его использовании необходимая точность изготовления ЭК, 1111 может выйти за пределы не только экономической, но и технически достижимой точности. Методом обеспечения точности при сборке ЭЯ в ГАСК выбран метод неполной взаимозаменяемости. Его применение позволило расширить допуски на составляющие звенья (для размерных цепей с небольшим числом звеньев на 30-40%, для многозвенных - в 2 и более раза). При этом сборка происходит с риском, так как допуск на замыкающее звено определен вероятностным методом расчета размерных цепей [обычно риск не более 1%)]. Известно[68], что допуск на замыкающий размер 8С равен:
Анализ результатов исследований АТО с использованием их моделей
Результаты исследования изменения величины допустимой 5С от вида монтажа (DIP, планарный, SMD), процента риска сборки и закона распределения погрешностей представлены в виде графиков (рис. 5.1, 5.2) и таблиц (табл.43 -45). Их анализ показал, что при сравнении 6С для разных видов монтажа более жесткие требования предъявляет поверхностный (SMD) монтаж (например, при равномерным законе распределения и одном проценте риска для SMD монтажа 8С= 0,134 мм, для планарного 5С= 0,188 мм, для DIP 8С= 0,268 мм). Графики позволяют также оценить, как изменится допустимая погрешность совмещения при изменении процента риска. К примеру, если не удается обеспечить требуемую точность совмещения при проценте риска 0.27 % (или стоимость обеспечения точности слишком высока), то имеет смысл увеличить процент риска к примеру, до 2 %, тогда для DIP монтажа (при нормальном законе распределения погрешностей СТО) допустимая точность измениться с 0.4 до 0.5 мм (поле допуска увеличится на 25 %). Эта закономерность имеет место для всех видов монтажа, но удельный вес изменения допуска и числовые значения различны. Из результатов исследования видно, что наиболее жесткие требования к точности совмещения получились при равномерном законе распределения (например, для DIP монтажа при одном проценте риска с равномерным законом распределения 8С= 0,268 мм, с треугольным - 8С = 0,38 мм, с нормальным 5С= 0,472 мм). Для одного и того же процента риска и различных законов распределения погрешностей допустимая 8С может измениться почти в 2 раза (например, при одно процентом риске для планарного монтажа при нормальном законе распределения 8С= 0,33 мм, при равномерном 8С= 0,172 мм, т.е. в 1,92 раза). Следовательно, если закон распределения был выбран на основе теоретических данных, то после ввода АТО в эксплуатацию рекомендуется опытным путем (с помощью методов математической статистики и т.д.) проверить гипотезу о законе распределения погрешностей и в случае необходимости уточнить расчет по точности. Зная допустимую погрешность 8С, характеристики точности элементов АТО, модель точности АТО можно определить 8С для каждой марки АТО и сделать вывод о возможности использования АТО в структурах ГАСК в качестве кандидата (все сказанное в равной степени относится и к другим характеристикам АТО надежности, производительности, стоимости). При отрицательном результате тестирования АТО и пожелании пользователя можно дать рекомендацию на его модернизацию (для этого нужны результаты прогноза точности и других характеристик АТО при различном сочетании типов и параметров устройств АЗУ, КС, СГ). Исследования и прогнозирование изменения расчетной величины 5С сборки ЭЯ на АТО с микропроцессорной СЧПУ от сочетания в нем различных типов АЗУ, КС и СГ были выполнены, а их результаты представлены на рис. 5.3. Из них видно, что наиболее сильное влияние на расчетную 8С оказали тип КС и СГ; наибольшую точность (8С=0,33 мм) имеет АТО с КС с ЭЛлШп (или с ГЦ) в сочетании с СГ с механическим захватом и почти всеми типами АЗУ, наименьшую - АТО с КС и ШД вращения, СГ с пневматическим захватом и почти всеми типами АЗУ [за исключением ленточных; при применении пневматического захвата на положение ИС влияет зазор в лотке или в месте захвата ИС (он составляет 0.5 мм; в ленточном питателе такого зазора нет]. Меньшая точность ленточного питателя в сочетании с механическим захватом объясняется тем, что положение ИС в ленте менее точное, чем положение ИС в зоне захвата для других АЗУ.
Исследование, оценка и прогнозирование надежности АТО сборки ЭЯ. Из параметров надежности АТО здесь рассмотрены вероятность безотказной работы [P(t)], коэффициент готовности к работе (р) и время наработки на отказ (Тно). В литературе при проектировании операционной технологии [например, для сборки ЭЯ: 1, 292, 293] выбор АТО, СТО выполнен без учета их надежности; отсутствуют и допустимые значения надежности. Однако исследования автора показали, что надежность по некоторым показателям многих СТО и АТО либо недостаточна, либо лишь близка к требуемому значению.
Результаты исследования влияния на P(t) коэффициента риска и вероятности случайных отказов представлены на рисунке 5.5 и в таблице 53. Из рисунка видно (применительно к серийному АТО марки ГТМ2.249.005 монтажа на плату микросхем ИС2), что уменьшая процент риска и вероятность случайных отказов можно добиться увеличения вероятности безотказной работы АТО (до 10 % ). Здесь же видно, в каких пределах можно изменять вероятность безотказной работы АТО за счет изменения процента риска при сборке (от 81 % до 99,9 %). Для получения высокой вероятности безотказной работы АТО (к примеру, не ниже 98 %) вероятность по случайным отказам и вероятность качественной сборки должны быть не ниже 97%.
Анализ графиков (рис.5.6) и таблиц 54 и 55 влияния типов КС и АЗУ на среднее время безотказной работы показал, что наибольшее значение времени наработки будет у АТО с микропроцессорной СЧПУ, КС с ЭлСлПр и АД (двухфазным), СГ с пневматическим приводом и АЗУ с лотком или с ВБЗУ [ при Р(Т)=0,236 Тно = 6412 час, что соответствует требованиям ГАСК (Тн0 д 5200 час)]. Это объясняется высокой надежностью СЧПУ, АЗУ, СГ и АД и небольшим количеством механических узлов (в рассмотренных исследованиях монтажная система имела одну головку СГ; использование резервных СГ позволит получить еще более высокую надежность - дополнительный резерв). Наименьшее значение времени наработки оказалось у АТО, включающее АЗУ с кареткой, СГ с кулачковым приводом, КС со СлПр с ДПТ (с электромагнитным возбуждением; Тно =1037 час) или трех фазным АД (общего назначения, Тно = 1074 час;); из-за низкой надежности КС, АЗУ, СГ данного типа и наибольшего числа механических узлов (передачи винт-гайка , редукторы, направляющие). Этой надежности АТО для структур ГАСК не достаточно.
