Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ процессов управления в технологических комплексах сборочно-монтажного производства 14
1.1. Состояние и проблематика сборочно-монтажного производства электронных модулей 14
1.2. Неопределенность в задачах оптимизации управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства .22
1.3. Структурирование требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства 33
1.4. Система поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства 42
1.5. Выводы по разделу 1 48
2. Анализ конструктивно-технологических параметров электронных модулей 50
2.1. Тенденции развития электронной компонентной базы 50
2.2. Конструктивно-технологические особенности электронных модулей 56
2.3. Анализ и структурирование функций качества электронных модулей 64
2.4. Методика структурирования функций качества электронных модулей 77
2.5. Выводы по разделу 2 83
3. Разработка моделей управления технологическими комплексами сборочно-монтажного производства .85
3.1. Моделирование технологических комплексов сборочно-монтажного производства в нечеткой среде 85
3.2. Методы формализации в моделях функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства 91
3.3. Формирование моделей управления на основе классификации состояний технологических комплексов сборочно-монтажного производства 97
3.4. Методики и алгоритмы классификации мультимножеств экспертных оценок 103
3.5. Выводы по разделу 3 113
4. Управление процессами нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах СМП 115
4.1. Характеристики процесса нанесения припойных паст в технологии поверхностного монтажа 115
4.2. Разработка методики дозирования припойных паст при автоматизированном нанесении 122
4.3. Выбор режимов оплавления припойных паст в технологии сборки электронных модулей 126
4.4. Организация операционного контроля в производстве электронных модулей 131
4.5. Выводы по разделу 4 138
Заключение 140
Литература 143
Приложение 1 155
Приложение 2 161
Приложение 3 168
- Состояние и проблематика сборочно-монтажного производства электронных модулей
- Тенденции развития электронной компонентной базы
- Моделирование технологических комплексов сборочно-монтажного производства в нечеткой среде
- Характеристики процесса нанесения припойных паст в технологии поверхностного монтажа
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы. Совершенствование систем управление в настоящее время характеризуется активным внедрением современных информационных технологий в практику управления в различных сферах практической деятельности человека. Многообразие архитектурных решений и относительное удешевление обработки информации создали реальные предпосылки перехода от автоматизации отдельных задач к автоматизации множества производственных процессов.
Вместе с тем повышаются требования к качеству проектных и исследовательских разработок при создании автоматизированных систем. Концепция реинжиниринга производственных процессов и нарастающее внедрение систем с архитектурой «клиент-сервер», являющиеся ведущими тенденциями последних лет, обуславливают возрастание роли системного подхода, как при моделировании предметной области, так и при обосновании выбора архитектуры комплекса средств автоматизации. Таким образом, в теории и практике создания производственно ориентированных систем обработки информации наметилась устойчивая тенденция возвращения к обсуждению методологических вопросов, позволяющая задать теоретические ориентиры, необходимые для более осознанной и конкретной инженерной деятельности.
Постоянное усложнение электронных модулей, тенденция к переходу на мелкосерийное многономенклатурное производство в условиях жестких ограничений на затраты и сроки отработки и переналадки технологических процессов приводит к тому, что управление технологическими комплексами (ТК) осуществляется, как правило, в условиях априорной недостаточности. Неопределенность в процесс управления вносят также погрешности и неполнота измерительной информации, шумы, неоднородность
используемых материалов, дрейф параметров технологического оборудования.
Основное содержание алгоритма управления ТК составляет математическая модель процесса. В условиях неопределенности вопрос построения адекватных математических моделей стоит особенно ' остро. Методы разработки адекватных моделей технологических комплексов и процессов производства электронных модулей, а также алгоритмов управления основываются на трудах Бушминского И.П., Лопухина В.А., ДаутоваО.Ш., Чабдарова Ш.М., Гаскарова Д.В., Ильина В.Н., Львовича Я.Е., Фролова В.Н., Благовещенского B.C. Методы разработки эффективных процедур управления качеством производства электронных продукции рассматривались в трудах Варжапетяна А.Г., Семеновой Е.Г., Илларионова О.И., ШубареваВ.А.., Кофанова Ю.Н. Результаты этих исследований важны для обеспечения широкого развития автоматизации ТК производства электронных модулей.
Несмотря на широкий фронт работ в области проектирования и автоматизации управления ТК производства электронных модулей, существующие автоматизированные системы управления технологическими процессами и комплексами в большинстве своем способны лишь поддерживать существующий уровень и малоэффективны в период освоения новых изделий, а также в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.
Отсутствие методологического аппарата и средств автоматизированной обработки информации делает систему управления техническим обслуживанием ТК инертной, не позволяет перейти к эксплуатации технических средств по состоянию, влечет неоправданные дополнительные затраты. Выход из сложившейся ситуации возможен только на основе новых подходов к автоматизации системы управления, и в частности — процессов принятия решения.
Анализ научно-технической и нормативной документации показал:
методы решения проблем неопределенности ориентированы на серийное производство электронных модулей;
сложность моделей технологических комплексов и длительный период их адаптации к реальным условиям затрудняют использование моделей в оперативном режиме;
при разработке моделей управления не все виды неопределенности учитываются и могут быть формализованы традиционными аналитическими и статистическими методами;
разработка моделей управления в условиях неопределенности, как правило, не рассматривается в непосредственной связи с их технической реализацией.
В условиях мелкосерийного производства необходимость эффективного статистического управления производственно-технологическими системами, включая процессы технологической подготовки и собственно производственные процессы, усиливается также и тем, что относительный (в процентном отношении) ущерб от брака при кратко-временных процессах оказывается больше, чем при долговременных.
Таким образом, актуальной является научная проблема повышения эффективности производства электронных модулей путем разработки методов и средств управления ТК, соответствующих тенденциям развития производства электронных модулей и ориентированных на реальную практику их использования.
Указанная проблема усугубляется объективным развитием технологии монтажа и сборки электронных модулей. Возникновение и развитие технологии поверхностного монтажа (ПМ) связана с объективными тенденциями изменения компонентной базы, габаритные размеры и масса которых становятся существенно меньше, а в случае применения интегральных схем, обусловленном повышенными требованиями к функциональности, к тому же, имеют гораздо большее количество выводов.
Эти габаритные и весовые изменения обусловлены повышением спроса на портативные электронные устройства.
Благодаря установке компонентов и микросборок с планарными выводами или не имеющими выводов на поверхность печатной платы технология поверхностного монтажа позволяет (в отличие от традиционного монтажа в отверстия) достичь большей степени автоматизации, более высокой плотности монтажа, уменьшить объем, снизить стоимость и повысить технические характеристики изделий.
При системном синтезе технологических комплексов сборочно-монтажного производства особую актуальность приобретает задача структурирования требований к их показателям функционирования с целью выбора характеристик элементов комплекса из условия минимизации его стоимости при заданном значении показателя функционирования.
Одним из основных подходов определения качества электронных модулей является их многоуровневое представление с формированием соответствующих моделей и описаний. Действительно, говорить о качестве сборки электронных модулей невозможно, не рассматривая при этом состояние компонентной базы, правила и приемы проектирования монтажно-коммутационных оснований, наличие (или отсутствие) технологического оснащения, уровень технологической дисциплины и многое другое.
Качество сборки электронных модулей является, таким образом, одним из элементов достаточно сложной системы взаимосвязанных и взаимообусловленных явлений и процессов, формирующих технические, эксплуатационные и другие параметры изделия, характеризующие в своей совокупности его качество.
В проблеме обеспечения качества сборки электронных модулей на одно из первых мест выходит методология структурирования потребности потребителя по горизонтали и вертикали для всех уровней проблемы. Эта методология получила название «структурирование функций качества».
Таким образом, создание и эксплуатация производственно-технологических систем, ориентированных на сборку радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры, сопровождается значительными проблемами, как общего, так и специфического характера. Используемые сложные и многообразные технологии поверхностного монтажа компонентов электронной аппаратуры находятся в постоянном развитии.
Актуальность решаемой проблемы повышения эффективности сборочно-монтажного производства электронных модулей дополнительно подтверждается следующими направлениями из Перечня критических технологий, утвержденных Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 г.: «Базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии», «Технологии механотроники и создания микросистемной техники», «Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления», «Технологии создания электронной компонентной базы»
Цель исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности сборочно-монтажного производства электронных модулей на основе разработки методик и алгоритмов управления технологическими комплексами в условиях недостаточной и/или нечеткой информации об объектах управления и внешних воздействиях.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены следующие задачи исследования:
анализ состояния и перспектив развития производства электронных модулей в условиях инновационного развития отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы;
разработка методики структурирования (распределения) требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства (СМП) электронных модулей (ЭМ);
разработка элементов системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления ТК СМП на основе нечетких отношений и альтернатив;
анализ организационно-технических особенностей технологических комплексов сборочно-монтажного производства с учетом конструктивно-технологических особенностей электронных модулей,
разработка методик структурирования функций качества электронных модулей;
разработка математических моделей функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний;
разработка методик и алгоритмов кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок;
разработка методик и алгоритмов нечеткого управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей. Методы исследования. Методологическую и общетеоретическую базу
исследований составляют теоретические основы технологии производства радиоаппаратуры, системология, теория принятия решений, методы теории оптимального управления, теории принятия решений, теории множеств и баз данных, теории классификации, численные методы анализа и математического моделирования, теория планирования эксперимента и имитационного моделирования. Основные теоретические результаты подтверждены при внедрении основных выводов и положений диссертационной работы.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
методика распределения требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей;
разработка элементов системы поддержки принятия решений в многокритериальных задачах управления ТК СМП на основе нечетких отношений и альтернатив;
методика структурирования функций качества электронных модулей;
математические модели функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний;
методики и алгоритмы кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок;
методики и алгоритмы «нечеткого» управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей.
Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:
на основе анализа методологии поддержки принятия решения в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей уточнена содержательная направленность отдельных этапов процесса поддержки принятия решения и определены потенциальные возможности использования ситуационного подхода к принятию управленческих решений.
предложены и разработаны методики вероятностной оценки эффективности распределения требований к показателям функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей.
предложена и разработана методика структурирования функций качества электронных модулей, связывающая запросы потребителя с техническими характеристиками электронных модулей, подлежащими реализации в процессе их проектирования и производства.
предложены и разработаны математические модели функционирования технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей в нечеткой среде на основе классификации их состояний.
предложены и разработаны методики и алгоритмы кластерного анализа мультимножеств экспертных оценок альтернативных вариантов технологических комплексов СМП электронных модулей.
разработаны методики «нечеткого» управления на примере процессов нанесения и оплавления припойных паст в технологических комплексах сборочно-монтажного производства электронных модулей Практическая ценность. Практическая ценность полученных в
диссертации результатов заключается в следующем:
выполнен анализ состояния и определены перспективы развития производства электронных модулей в условиях инновационного развития отечественной экономики с учетом тенденций развития электронной компонентной базы.
предложены и разработаны алгоритмы классификации мультимножеств экспертных оценок альтернативных вариантов технологических комплексов СМП электронных модулей.
предложена и разработана инженерная методика дозирования припойной пасты при автоматизированном нанесении.
предложена и разработана инженерная методика выбора режимов термических операций в технологии сборки электронных модулей.
разработана инженерная методика и алгоритм проектирования системы операционного контроля для технологических комплексов сборочно-монтажного производства электронных модулей.
Результаты работы прошли экспериментальную проверку и были внедрены в ОАО «Холдинговая компания «Ленинец», ЗАО «Котлин-Новатор», ООО НПФ «ТОРЭКС», ООО «Пантес», ОАО «Авангард» (г. Санкт-Петербург).
Применение разработанных методик позволило оптимизировать технологические режимы нанесения и оплавления припойной пасты в сборочно-монтажном производстве электронных модулей специального и гражданского применения, уменьшить объем регулировочных работ при
сохранении заданной точности выходных параметров электронных модулей и повысить производительность труда на операциях монтажа и сборки электронных модулей.
Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по специальностям «Управление качеством» и «Инноватика» в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.
Апробация.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных школах-семинарах «Новые информационные технологии» (Москва, 2005, 2007), XXIV межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости сложных технических систем» (Серпухов, 2005), региональной научно-практической конференции «Проблемы сертификации и управления качеством» (Красноярск, 2006), Девятой, Десятой и Одиннадцатой научных сессиях ГУАП (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2007). По материалам диссертационной работы получен грант Правительства Санкт-Петербурга.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 8 статей, из которых 4 опубликовано в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Минобрнауки РФ, 9 тезисов докладов.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 154 страниц, в том числе 16 таблиц и 22 рисунка. Список использованных источников включает 131 наименование.
Состояние и проблематика сборочно-монтажного производства электронных модулей
Переход к модели «открытой экономики» как на внешнем, так и на внутреннем рынке определяет приоритет проблемы конкурентоспособности для промышленной политики государства. Конкурентоспособность производства в рыночных условиях становится объективным индикатором экономической эффективности, который наиболее полно характеризует результаты структурных преобразований в экономике.
В значительной мере это характерно для предприятий оборонно-промышленного комплекса, которые являются и, по-видимому, останутся единственным источником трансфертов высоких технологий в гражданский сектор экономики [1].
Радиоэлектронная отрасль России имеет высокий потенциал развития. Так по данным, приведенным руководителем отрасли Ю.И. Борисовым, объем мирового рынка электронной продукции в 4,4 раза превышает объем рынка нефтепродуктов, в 2,7 раза превышает объем мирового энергетического рынка и в 2,5 раза объем рынка грузоперевозок (рис. 1.1) [2].
Динамика роста объемов производства радиоэлектронной продукции по отраслям применения Резкое увеличение экспорта электронной продукции подтверждает традиционно высокое качество продукции предприятий радиоэлектронного комплекса.
Инновационное развитие оборонно-промышленного комплекса требует новых организационно-технических подходов, предполагает техническое перевооружение предприятий, совершенствование кооперационных связей, развитие субконтрактинга и внедрения ряда технологий [3]. Более того, само техническое перевооружение предприятия и отрасли в целом следует считать лишь инструментом для достижения главной цели - снижения себестоимости при разработке и производстве конкурентоспособной и экспортнопригодной продукции.
При реализации приоритетных национальных проектов, объемы финансирования которых растут в соответствии с изменением масштабов решаемых задач, особую актуальность приобретает проблема создания конкурентоспособной продукции (рис. 1.3) [4, 5].
Рост объемов финансирования приоритетных национальных проектов Проблемы развития сборочно-монтажного производства для предприятий радиоэлектронной отрасли напрямую определяются тенденциями развития радиоэлектронных систем и комплексов, повышением степени их информатизации, расширением спектра решаемых задач, постоянным повышением требований к надежности и эксплуатационной стабильности аппаратуры.
к 2011 г. Возникновение и развитие технологии поверхностного монтажа связана с объективными тенденциями изменения компонентной базы, габаритные размеры и масса которых становятся существенно меньше, а в случае применения интегральных схем, обусловленном повышенными требованиями к функциональности, к тому же, имеют гораздо большее количество выводов [6,7]. Эти габаритные и весовые изменения обусловлены повышением спроса на портативные электронные устройства. В таблице 1.1. представлена динамика роста объемов производства портативных изделий [8].
Другие секторы рынка электронной продукции показывают предполагаемое количество электронной техники, распределенное по следующим критериям: внешние условия, стоимость, массогабаритные характеристики и быстродействие, изменяют границы традиционного рынка и сосредотачиваются на изделиях, выполненных с применением высоких технологий.
В настоящее время для всё большего количества предприятий электронной отрасли становится предпочтительной одна определенная стратегия компоновки - компоненты небольшого размера идеальны для портативных изделий. Они характеризуются нарастающим использованием и в больших электронных системах, таких как коммутаторы, базовые телефонные станции и т.д., так как любая компания предпочитает сосредоточиться на одной стратегии компоновки, а, следовательно, и выбрать единую стратегию сборки для всех типов изделий, которые она производит. Это связано с очевидными преимуществами по хранению и транспортировки компонентов, а также с сокращением времени перенастройки автоматов по установке компонентов.
Дополнительной проблемой сборочно-монтажного производства электронных модулей остается необходимость реализации процессов присоединения корпусов штыревого монтажа, поверхностного монтажа в размер кристалла на одну и ту же плату, поскольку компоненты штыревого монтажа сохранят обоснованность своего применения благодаря их низкой стоимости и/или высокой надежности.
Благодаря установке компонентов и микросборок с планарными выводами или не имеющими выводов на поверхность печатной платы технология поверхностного монтажа позволяет (в отличие от традиционного монтажа в отверстия) достичь большей степени автоматизации, более высокой плотности монтажа, уменьшить объем, снизить стоимость и повысить технические характеристики изделий.
Сравнение объема (дюйм3) и массы (мг) ПМИ и штыревых компонентов, монтируемых в отверстие Очевидные преимущества применения поверхностного монтажа при сборке электронных модулей представляют особый интерес для авиационно-космической и портативной электроники. Прямым следствием уменьшения размеров компонентов является более высокая плотность монтажа, при которой монтаж по традиционной технологии не только более затратен, но и нетехнологичен. Дополнительные преимущества технологии поверхностного монтажа заключаются в более низких затратах на перевозку и хранение компонентов, в требованиях к производственным площадям и технологическому оборудованию.
Производство электронных модулей преимущественно управляется спросом под лозунгом «меньше, быстрее, выше степень интеграции, ниже потребляемая мощность и дешевле». Японская промышленность, главным образом ориентированная на производство бытовой электроники, делает упор на миниатюризацию и уменьшение стоимости. Так, сверхтонкие корпуса ИС толщиной 0,4 мм преобладают в Японии отчасти из-за развитой технологии TAB (крепление интегральных схем на ленте-носителе). В США спрос на компоненты в сверхтонких корпусах относительно низок, а нижний предел толщины составляет 1 мм. В то же время, американская промышленность, ориентированная на производство вычислительной техники, более заинтересована в степени интеграции микросхем и в вопросах быстродействия. Фактически отделить воздействие этих движущих сил технологии затруднительно, так как развитие в одном направлении зачастую сопровождается усовершенствованием и в других аспектах.
Тенденции развития электронной компонентной базы
Анализ конструктивно-технологических параметров электронных модулей, предназначенных для автоматизированной сборки в технологических комплексах сборочно-монтажных производства, будет проводиться по следующим характеристикам элементной компонентной базы: Количество выводов. Увеличение числа выводов является закономерным следствием повышения степени интеграции интегральных схем. На рис. 2.2. показана схема развития технологии корпусирования за период с 1980 по 2000 г., опубликованная компанией National Semiconductor [57]. Число выводов при технологиях корпусирования конца 1990 годов увеличилось практически на два порядка по сравнению с технологией монтажа в отверстия начала 1980-х годов.
Такое увеличение количества выводов не только стимулирует непосредственно развитие новых типов корпусов (в первую очередь, с матричным расположением выводов), но также оказывает решающее влияние на тенденцию к миниатюризации электронных модулей.
Компоненты с матричным расположением выводов. Такие компоненты представляют собой электронные компоненты с межсоединениями, распределенными на нижней стороне по матричной схеме.
Указанные межсоединения выполняются в виде металлических или полимерных шариков, а монтаж компонентов с матричным расположением выводов на печатную плату производится посредством пайки или с использованием токопроводящего клея. Семейство компонентов с матричным расположением выводов включает в себя BGA, CSP и flip chip [58].
Компоненты с матричным расположением выводов представляют новое поколение поверхностно монтируемых изделий, определяющее направление развития технологий поверхностного монтажа на ближайшую и среднесрочную перспективу.
Быстродействие. Развитие вычислительной техники определяет тенденцию к постоянному росту быстродействия электронной компонентной базы. Так, на рис. 2.3 представлена динамика изменения компьютерных систем в миллионах команд в секунду. Компьютеры младших моделей объединяют домашние компьютеры, ноутбуки, офисные компьютеры и рабочие станции. Компьютеры старших моделей объединяют универсальные и среднепроизводительные компьютеры, суперкомпьютеры, некоторые передовые рабочие станции. В обоих случаях быстродействие повышается приблизительно в пять раз каждые пять лет. Такое увеличение быстродействия обеспечивается снижением времени задержки на полупроводниковых кристаллах (рис. 2.4). Тенденция к повышению быстродействия подтверждается прогнозом Ассоциации полупроводниковой промышленности на примере максимальной частоты [59]. Технология поверхностного монтажа делает возможным развитие сборочно-монтажного производства в направлении уменьшения размеров, массы, повышения плотности монтажа, быстродействия и снижения стоимости электронных модулей. Конкурируя с пайков волной, пайка оплавление быстро стала основное технологией соединения при серийном производстве благодаря более высокому уровню годных изделий, производительности и надежности. Корпуса с матричным расположением выводов по сравнению с корпусами с периферийным расположением выводов допускают более мелкий шаг расположения выводов, обеспечивая тем самым более высокую плотность выводов наряду со снижением себестоимости производства, меньшими размерами корпуса и более высокой производительности.
К основным преимуществам корпусов с матричным расположением выводов можно отнести: лучший контроль копланарности, больший пространственный допуск, устойчивость конструкции к внешним воздействиям, более высокий выход годных. Наряду с этим, такие корпуса не лишены недостатков. Среди них: более высокая цена, меньшая надежность паяных соединений, чувствительность к влаге, чрезмерное коробление печатной платы во время пайки оплавлением и разброс коэффициентов термического расширения вследствие более высокой плотности переходных отверстий, сложность проведения операционного контроля, ремонта, отмывки остатков флюса и обеспечения влагозащиты собранного модуля.
Закономерным следствием тенденции к миниатюризации электронных модулей являются CSP и flip chip, которые признаны наиболее перспективными технологиями корпусирования. Конечной целью уменьшения корпуса до размера кристалла является реализация ЗО-корпусирования. Тип монтажа электронных модулей определяется в первую очередь количеством сторон, на которые осуществляется монтаж (одно- или двусторонний), и номенклатурой используемых компонентов. Поэтому описание типов монтажа логично предварить кратким обзором компонентов и корпусов. Основным, наиболее важным для обеспечения качества сборки критерием разделения электронных компонентов на группы является метод их монтирования на плату — в отверстия или на поверхность. Именно он в основном и определяет технологические процессы, которые необходимо использовать при монтаже [7].
Моделирование технологических комплексов сборочно-монтажного производства в нечеткой среде
Актуальность задачи повышения эффективности управления ТК СМП в условиях неопределенности обусловила необходимость разработки соответствующего регулярного аппарата. Анализ функционирования различных систем управления в промышленности, основанных на нечетких моделях выявил высокую эффективность новой интеллектуальной технологии при создании гибких мобильных систем управления сложными плохо формализованными промышленными объектами различного назначения. Вместе с тем, исследования показали, что методология проектирования и средства программно-информационной поддержки подобных систем для решения задач управления СМП РЭА находятся на начальной стадии развития.
Построение эффективной математической модели является одной из важнейших проблем, от решения которой, в конечном счете, зависит эффективность управления современными ТО. Существует два основных подхода к моделированию в нечеткой среде [78, 79]. Первый подход связан с построением нечетких функциональных зависимостей или нечетких функциональных систем, второй — с построением нечетких отношений.
В практических ситуациях зависимость y=F(x) между входом х=(х!,Х2,...,х11) и выходом у ТК задается в виде совокупности дискретных данных, как некоторое семейство точек {(х,,у,)}, i=I,..,N. В случае зашумленности или неточности данных спецификация F может быть только приближенной. Предполагая некоторую структурную форму F, имеющиеся данные можно использовать для идентификации параметров F. Обычный подход к решению задачи идентификации в этом случае состоит в переходе от нечеткой формулировки задачи к четкой через использование «-уровневых множеств нечетких переменных [80]. Так, в [81] рассмотрен случай, когда зависимость между указанными переменными представлена в виде нечеткого линейного уравнения регрессии с неизвестными параметрами. При этом предполагается, что для х, заданы детерминированные значения, а для у- нечеткие.
Задача идентификации ТК заключается в оценке параметров функции у = F(x,,...,xn,a0,...an) = a0+alxl+a2xz+... + a„x„ , (3.1) где — оператор нечеткости. Для оценки параметров используется критерий минимизации отклонения нечетких значений выходного параметра, полученных по (3.1), от его выборочных нечетких значений у,: N У=(](У, -F(x„a0,...,ап))2 -+ min. (3.2) /-і Определяя сс-уровневые (or є [0,lj) множества нечетких коэффициентов т(, для каждого уровня ау(/ = 1,...,т) получаем уравнение регрессии, аналогичное по виду (3.1), но с четкими коэффициентами. Таким образом, исходная задача оценивания коэффициентов нечеткого уравнения регрессии (3.1) сводится к классической задаче оценивания параметров множественной регрессии. При необходимости структурной идентификации ТК СМП обычно строят представление искомых отображений с помощью нечетких гранул [82]. Рассмотрим данные, состоящие из{(х,,.у;)}, i=l,..,N, где X, ={(х,//х (х))} и Y, ={(У,МУІ(УУ)) - выпуклые и нормализованные нечеткие множества на Хи Г соответственно; jux(x)y /JXI(X) - соответствующие функции принадлежности (ФП). Для простоты выкладок предполагаем, чтоX,Yстіг1. Для любого / множество Yt является образом множества ХІ при отображении F, то есть можно использовать принцип продолжения: ViWy Мг,(У) = supMxM) (з.з) при ограничении y=F(x). Соотношение (3.3) словами можно выразить так: чем больше х принадлежит Х{, тем больше у принадлежит Yj. Другими словами, если F сужено на носитель S(XJ множества Xh то F — отображение с нечеткой областью определения — Х{ и нечеткой областью значений Y;. Проблема идентификации состоит в том, чтобы найти функцию F, удовлетворяющую соотношению (3.3). Каждая пара множеств (Х,, ) порождает F, функции F, определенной на S(XJ. Затем все части F, нужно объединить в единственную функцию F. Множество условий для существования четких отображений F лежащих в основе гранулированной спецификации {(X/,Yi)}, имеет вид: Vi, Vx є S(X,),0, (x) = {y\juYt (у) = цХі (Х)}Ф 0, V/,V/Ф /,VxєS(Xt C\Xj) 0,Ф,(х)Г)Ф у) Ф0. При этих условиях функцию F можно (не единственным образом) выбрать из условия: У/,Ухє (5 (Х,),/?(х)єФ,(х). Если F не существует, то для представления гранулированной спецификации вместо четкого отображения F строится нечеткое отношение R. С позиции общей теории систем [83, 84] ТК представляется в виде декартова произведенияD zXxY. Обобщение (3.3) на нечеткое представление приводит к проблеме нахождения нечеткого отношения R наХхГ, построенного из нечетких отношений R, таких, что УУ / г,(з;)=тахтіп( " (-Дя«,( з;)) (3-4) xe.Y В качестве решения (3.4) можно взять прямое произведение R, = X, х Y, (нечеткую гранулу). Тогда (3.4) в компактной форме запишется в виде Yt = X, х Rt, а общее решение определяется как: N V R = [JR, = [JX, х Yt, где J обозначает максимум. «-і i=i Этот подход широко используется в литературе по нечеткому управлению [190]. Используя многозначную импликацию, R, также можно определить следующим образом: MR, (Х, У) = тах(1 - /лх(х), цг (у)), MR, (Х, У) = min(l,l - Мх, ( ) + Mr, О)) N В этом случае общее решение определяется как R = f \R,, где П обозначает максимум. Хотя нечеткое представление нечеткой гранулированной спецификации является наиболее приемлемым в условиях структурной неопределенности модели ТК, аналитический подход остается очень привлекательным. Это объясняется тем, что нечеткое отношение R на XxY может оказаться эквивалентным нечеткозначному отображению F. Такое представление удобно для обобщенных аналитических операций, таких, как интегрирование и дифференцирование. Для получения аналитического представления исходного точечного множества данных объединим нечеткие гранулы, получим нечеткое отношение R, а затем аппроксимируем его с помощью функций (Х-і?)-типа. Эффективность использования нечетких моделей в значительной степени определяется их адекватностью управляемым ТК. Данный вопрос теоретически исследован очень слабо. В [85] рассматриваются вопросы конструирования нечеткого отношения, обладающего свойством хорошего отображения, при этом накладываются трудно реализуемые ограничения на функции принадлежности нечеткого отношения. В [81] получены условия, при которых строго выполняется композиционное правило вывода (3.4), обеспечивающее минимальное значение критерия адекватности = ] ІС"У/0 )-/ 0 ))2, где оценка Yt 1=1 у получена из (3.4). Строгое выполнение композиционного правила означает, что для каждого заданного Х1 выполняется Yt - X, о R, где - знак операции максиминного произведения. Необходимыми условиями адекватности нечеткого отношения являются: регулярность матриц R, нормальность N N множеств и выполнение условий PJX, =0,Р)У, =0. При этом полученные /-1 1=1 результаты справедливы для многомерного ТП, если правила имеют вложенную структуру. Однако это условие часто не выполняется.
Таким образом, получение условий идентифицируемости для нечетких систем представляется актуальным, так как известные работы не в полной мере отражают требования корректности результатов.
Выполнение условий идентифицируемости нечеткой модели, то есть условия единственности решения и устойчивости по отношению к исходным данным, обеспечивается корректной математической постановкой задачи идентификации. В общем случае задача декомпозируется на структурную и параметрическую идентификацию, то есть выбор класса структур, содержащих искомое решение, задание априори области допустимых значений параметров структуры и нахождение их конкретных значений.
Характеристики процесса нанесения припойных паст в технологии поверхностного монтажа
В современном электронном производстве происходит переход к использованию компонентов с меньшими размерами, более сложных (компоненты с матричным расположением выводов, флип-чипы и др.) и более дорогих (микропроцессоры и другие дорогостоящие компоненты). Одновременно с этим необходимо использовать печатные платы с большей плотностью монтажа и бессвинцовые технологии [6, 7]. В этих условиях возрастает актуальность совершенствования технологий сборочно-монтажного производства для повышения качества сборки электронных модулей [119]. Действительно, ремонт и доработка таких модулей с использованием новых компонентов и бессвинцовых технологий представляет значительную проблему. В лучшем случае доработка современных и перспективных электронных модулей займет существенное время, но может привести к повреждению, как печатной платы, так и самих компонентов. Самым выгодным с экономической точки зрения становится производство электронных модулей «с первого раза».
При выборе оборудования для нанесения припойных паст необходимо анализировать и производительность процессов на нем. Так же как неверно при выборе оборудования руководствоваться только его ценой, точно так же неверно руководствоваться исключительно данными времени производственного цикла на оборудовании. Действительно, в промышленности не существует единого подхода к методике подсчета и определения времени производственного цикла оборудования.
В свою очередь, анализ цены оборудования по отношению к производимым электронным модулям показывает, что стоимость оборудования составляет малую долю стоимости создания продукции.
Оборудование, обладающее максимальной дополнительной функциональностью с минимальным влиянием на время производственного цикла, плюс положительным дополнительным влиянием на производительность процесса, имеет явное преимущество в повышении прибыли организации.
Для эффективной оценки фактической производительности оборудования для нанесения припойных паст необходимо учитывать влияние следующих переменных параметров [120, 121].
Время производственного цикла. Производственный цикл включает интервалы времени, затрачиваемые на передачу печатной платы в оборудование, выравнивание, поднятие на высоту, пригодную для печати, возврат в положение для передачи дальше в производственную линию и выход из оборудования. Само нанесение припойной пасты сюда не входит.
Параметры нанесения припойной пасты. Эти параметры включают давление ракелей, расстояние, на которые они передвигаются, и параметры скорости относительного перемещения ракелей и печатной платы.
Эти параметры, в свою очередь, зависят от размеров печатной платы, плотности монтажа компонентов, шага расположения компонентов и состава пасты (эта характеристики очень важны, поскольку скорость перемещения ракелей зависит от реологических параметров припойной пасты). Оптимизация продолжительности производственного цикла нанесения припойной пасты требует использовать такие составы, которые допускают относительно быстрое нанесение.
Чем больше плата, тем больше составляющая параметра расстояния передвижения ракеля в определении продолжительности производственного цикла. Так, если на плату размером 30,5 см припойная паста наносится со скоростью 5 см/сек, то на проход ракелей потребуется 6 сек. При переходе на насту, которую можно наносить со скоростью 20 см/сек на проход ракелей уйдет 1,5 сек.
Нанесение припойной пасты. Влияющими факторами являются как метод (нанесение пасты вручную или при помощи автоматического дозатора), так и размеры апертур и платы, так как именно эти характеристики определяют частоту добавления пасты.
Для работы с сетчатым (экранным) и металлическим трафаретами используются ракели различной жесткости. При работе с сетчатыми трафаретами используют, в основном, полиуретановые ракели с жесткостью от 60 до 80 по Шору. Ракели с жесткостью от 90 до ПО по Шору или металлические ракели обычно используют для нанесения пасты с помощью металлических трафаретов. При работе с трафаретом, на котором имеются только малые апертуры, или при работе с многоуровневым разнотолщинным трафаретом использование полиуретановых ракелей дает лучшее качество печати и уменьшает износ трафарета.
Угол контакта кромки лезвий без нажатия составляет для металлических ракелей 60 , для полиуретановых — 50. Если автомат трафаретной печати оснащен блоком ракелей с контролем балансировки, то угол контакта можно регулировать на ±5 от номинального значения. Сила давления на лезвие должна быть достаточной для того, чтобы удалять с трафарета остатки пасты, но не такой большой, чтобы продавить трафарет и вызвать его преждевременный износ.
Нанесение припойной пасты может проводиться контактным или бесконтактным методом [122]. При контактном методе вся поверхность платы соприкасается с трафаретом. После прохода ракелей и заполнения апертур пастой, трафарет и плата отделяются друг от друга, причем движение должно быть равномерным и направленным по вертикали. При бесконтактном методе между платой и трафаретом в состоянии покоя есть зазор. Во время нанесения припойной пасты ракель прогибает трафарет и тот соприкасается с платой. Плата и трафарет контактируют только в том месте, где ракели давят на трафарет. После продвижения ракелей вперед сетка (или металл) отлипают от поверхности платы. Бесконтактный метод используется для плат с высокой плотностью монтажа, при неравномерной скорости отлипания, высокой скорости печати и использовании сетчатого трафарета. Разные марки припойных паст по разному выходят из трафарета, а бесконтактный метод позволяет пасте «осесть» после нанесения и четко выйти из апертур.
Периодичность и метод очистки трафарета. После прохода ракелей на плате возможны остатки пасты, что связано как с расстоянием вдавливания ракелей в трафарет, так и с недостаточной поддержкой платы снизу. При недостаточной поддержке плата может прогибаться вниз под давлением ракелей, а, следовательно, образуемый угол между лезвиями ракелей и платой не позволит очистить трафарет. Недостаточная поддержка платы может привести к тому, что давление ракелей на плату не будет равномерным из-за прогиба платы.
Процесс нанесения припойной пасты на плату через трафарет предполагает его очистку через определенный интервал времени. Продолжительность этого интервала определяется следующими факторами: дизайн трафарета, покрытие печатной платы, поддержка платы во время нанесения пасты и т.д. [123] Очистку трафаретов на простых платах производят с периодичностью 1 раз после каждый 10-20 проходов ракеля. На платах, где есть компоненты с шагом выводов до 0,5 мм, число проходов снижают до 3-5. в особых случаях очистку производят после каждого нанесения.
