Сборочные операции в технологии приборостроения являются наиболее ответственными. Именно на них проявляются различные спроектированные связи деталей и особенности взаимодействия элементов конструкции между собой, определяются итоги всего производственного процесса и окончательно формируются показатели качества приборов. Влияние сборочных операций на качество приборов традиционно рассматривают на основе анализа физических причин отказов в работе приборов, условий их формирования и нарушений, приводящих к отказом. Исследование влияния условий выполнения сборочных операций на процесс формирования показателей качества приборов становится одним из существенных направлений повышения качества приборов в приборостроении сегодня. Это подтверждает и постоянно возрастающее число пуби и о т" ликации и исследовании по данной тематике. В таких исследованиях, как правило, анализируют «узкие» места технологического процесса (ТП) сборки конкретной группы приборов. Одним из таких «узких» мест, по нашему мнению, являются выполняемые в пылеконтролируемых производственных помещениях операции технологического процесса сборки прецизионных мехатронных приборов и систем (ПМПС).
Прецизионные мехатронные приборы и системы включают в себя чувствительные элементы, источники энергии, исполнительные механизмы, микроэлектронные устройства, процессоры. Исполнительные механизмы ПМПС представляют собой сложные прецизионные устройства различного функционального назначения, состоящие из большого числа разнообразных деталей, элементов и узлов: микромашин, функциональных преобразователей, релейных элементов, приборных микровентиляторов, миниатюрных подшипников, редукторов, соединительных муфт, ходовых преобразователей, коммутаторов, микродвигателей и т. п.
Влияние условий выполнения сборочных операций в пылеконтролируемых помещениях на показатели качества прецизионных мехатронных приборов и систем хорошо изучено для их электронных устройств, что нельзя сказать об исполнительных механизмах. Особенностью производства исполнительных механизмов ПМПС является всестороннее изучение протекающих в них динамических процессов, игнорирование которых приводит к отказу прибора в целом и даже к его разрушению.
В последнее время наметилась тенденция к миниатюризации исполнительных механизмов прецизионных мехатронных приборов и систем. Исследование отказов ПМПС в процессе эксплуатации, показывает, что значительная часть из них является следствием загрязнения внутренних полостей исполнительных механизмов механическими частицами в процессе производства на стадии сборки.
Особенностью процесса формирования показателей качества исполнительных механизмов прецизионных мехатронных приборов и систем является зависимость их выходных параметров от контактных деформаций и погрешностей геометрической формы элементов. К прецизионным исполнительным механизмам предъявляют высокие требования к точности размеров, взаимному расположению элементов, наличию локальных дефектов поверхностей элементов, стабильности выходных параметров. Если для непрецизионных устройств влияние этих факторов незначительно и ими можно пренебречь, то для прецизионных исполнительных механизмов ПМПС, собранных в пылеконтролируе-мых помещениях, отклонение выходного параметра усугубляется попаданиями микрочастиц, что, в итоге, превышает установленные допуски. Такое отклонение является главной причиной замедления темпов создания серийного и многономенклатурного производства таких приборов и систем, так как невозможно создавать оптимальные условия для всей совокупности выпускаемой группы исполнительных механизмов.
Качество исполнительных механизмов и его главный показатель — надежность — определяется условиями производства и эксплуатации ПМПС и характеризуется свойством безотказности.
Поэтому ТП производства прецизионных мехатронных приборов и систем является критичным технологическим процессом, при котором необходим непрерывный контроль загрязненности атмосферы на сборочных операциях и исследование их влияние на показатели надежности. Известные методы, в настоящий момент, не позволяют описывать влияния загрязненности атмосферы на сборочных операциях на показатели надежности ПМПС при эксплуатации. Поэтому, необходимо разработать и внедрять принципиально новые решения в области технологии проектирования, производства и испытаний прецизионных мехатронных приборов и систем в пылеконтролируемых помещениях, называемые чистыми производственными помещениями (41 111).
Численные значения параметров пылеконтролируемых помещений определяются требуемым классом и нормами промышленной чистоты (ПЧ), предъявляемыми к технологическим процессам. Счетная концентрация аэрозольных частиц (АЧ) в воздушной среде таких помещений поддерживается в пределах заданного нормативными документами класса чистоты.
Сложившееся состояние в области технологии производства прецизионных мехатронных приборов и систем в чистых производственных помещениях можнр объяснить следующими причинами.
Во-первых: многообразие типов ПМПС, производимых по единой технологической цепочке, приводит к необходимости учета множества факторов: требования ТУ, особенности конструкции и условия технологии производства, места оптимального контроля ПЧ, метрологические и экономические аспекты контроля ПЧ. До настоящего времени учет этих фактов осуществлялся статистически, на основе анализа опыта производства и длительных ресурсных испытаний ПМПС на внешние воздействие.
Во вторых: большинство работ по исследованию влияния ПЧ на показатели надежности ПМПС носит фундаментальный характер, а прикладные методы исследования отсутствуют. Как правило, в этих работах, рассматривают мехатронные системы в целом, а выявление и анализ той или иной закономерности изменения показателей надежности ПМПС осуществляется при неизменных внешних условиях и иных влияющих факторах, кроме исследуемого, вследствие чего, эти методы оказываются непригодными для оценки влияния ПЧ на показатели надежности ПМПС в реальных условиях сборки в 41 111.
В третьих: существующие методы и приборы контроля параметров ЧПП не классифицированы по критериям оперативности и диапазону контроля загрязненности, удовлетворяющих требованиям технологического процесса производства ПМПС в чистых производственных помещениях. Кроме чистого воздуха, в производстве микроэлектронных устройств ПМПС нормируемым параметром является чистота применяемой технологической воды (ТВ). Однако, проведенный анализ технологии очистки элементов чистой ТВ в технологических процессах производства электронных элементов ПМПС (очистка пластин, фотошаблонов, реакторов технологических установок, элементов газовых магистралей, полупроводниковых пластин, используемых в производстве ИС), показал, что часто нет необходимости в получении полной информации о чистоте и составе примесей технологической воды, а требуется лишь иметь оперативные данные о количестве растворенных или диспергированных включений без разделения по природе образования в диапазоне концентраций от 10″ 9 до о.
10″ (по объему). Поэтому необходимо практически иметь на вооружении и использовать интегральные оперативные методы контроля чистоты ТВ в технологическом процессе производстве микроэлектронных устройств прецизионных мехатронных приборов и систем.
Проведенный анализ существующих методов контроля качества приборов, показал, что для оценки влияния промышленной чистоты на безотказность исполнительных механизмов ПМПС наиболее прогрессивными являются диагностические методы неразрушающего контроля, позволяющие без нарушения функционирования подвижных узлов или всей приборной системы в целом, оценить зависимость показателей надежности приборов на любых этапах производства, испытания и эксплуатации. Однако, в случаях, когда невозможно установить влияние промышленной чистоты на безотказность исполнительных механизмов ПМПС путем диагностики, следует применять вероятностно-статистические методы.
В итоге, на сегодняшний момент нет удовлетворительного метода, позволяющего количественно оценить процессы накопления повреждений, протекающих в механизмах мехатронных приборов по причине вариации промышленной чистоты ТП сборки. Поэтому, возникает необходимость в разработке инструментария, позволяющего получать надежные оценки долговечности и безотказности механизмов мехатронных приборов, с учетом изменения промышленной чистоты технологического процесса их сборки, и отличающегося от известных стандартных моделей оценки надежности приборов учетом влияния ее изменения.
В этой связи, разработка метода оценки безотказности и долговечности мехатронных приборов с учетом изменения промышленной чистоты ТП их сборки, а также, метода и технических средств экспрессконтроля параметров промышленной чистоты и чистой технологической воды, приобретает особую актуальность и становится задачей, имеющей важное научное и практическое значение, а внедряемые мехатронные технологии в прецизионном приборостроении требуют нетрадиционных подходов для ее решения.
Решаемая проблема. Повышение безотказности и долговечности мехатронных приборов за счет совершенствования их технологического процесса сборки на базе контроля и обеспечения параметров промышленной чистоты.
Цель работы: Разработка и исследование метода оценки безотказности и долговечности мехатронных приборов по параметрам изменения промышлен- ^ ной чистоты технологического процесса их сборки, а также метода и технических средств экспресс — контроля чистоты технологической воды.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
— анализ отказов мехатронных приборов по степени влияния промышленной чистоты на работоспособность их механизмов, по физическому характеру их проявления и по особенностям процесса протекания, позволяющий устанавливать наиболее ответственные сборочно-монтажные операции на этапе технологического проектирования мехатронных устройств;
— разработка метода оценки безотказности и долговечности МП по параметрам изменения промышленной чистоты технологического процесса их сборки, позволяющего на этапе конструкторского проектирования мехатронных устройств повышать точность расчета механических характеристик их узлов, путем дополнительного учета влияния промышленной чистоты ТП их сборки;
— разработка метода и технических средств экспресс — контроля растворенных компонентов чистой технологической воды без разделения их по природе образования, позволяющего оптимизировать ТП изготовления элементов микроэлектронных устройств мехатронных приборов, за счет внедрения автоматизации вспомогательных операций контроля процессов их изготовления.
Новые научные и практические результаты выдвигаемые на защиту:
1. Методика анализа влияния промышленной чистоты технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов на их долговечность и безотказность, на основе аппарата теории случайных величин и оценки ансамбля накопления повреждений (износа).
2. Методика моделирования процесса накопления повреждений (ПНП), протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов, на основе анализа выборочных функций изменения их выходных параметров.
3. Вероятностная математическая модель процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов (при этом начальное состояние повреждений зависит и определяется, в предложенной модели, условиями технологического процесса сборки).
4. Метод интегрального экспресс-контроля растворимых компонентов в технологической воде, а также технические средства его реализации и методика их применения в ТП производства.
Методы и сследовапин. Для решения поставленной, задачи в диссертационной работе использованы методы математического моделирования, теории вероятностей, системного анализа и теории надежности. Проверка теоретических положений проводилась путем анализа экспериментальной информации методами статистической обработки эмпирических данных.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
1. Разработана экспериментальная установка для проведения тестового диагностирования мехатронных приборов, для установления влияния промышленной чистоты на их исполнительные механизмы.
2. Разработано программное обеспечение расчета и моделирования условий технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов в чистых помещениях.
3. Разработаны технические средства реализации метода экспресс-контроля массовой концентрации растворимых компонентов в технологической воде и методика их применения в ТП производства.
4. Разработана методика выбора оптимальной промышленной чистоты технологического процесса сборки мехатронных приборов.
Внедрение и использование результатов работы. Методика анализа влияния промышленной чистоты технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов на их долговечность и безотказность, использована при расчетах надежности средств контроля экологии окружающей среды на этапе их проектирования в ГП «Дальняя связь» (г. С. Петербург). Основные результаты диссертационной работы были использованы в ОКР и НИР «Экология», «Защита» в ГП «Дальняя связь» (г. С.-Петербург) и позволили существенно повысить качество устройств, предназначенных для эксплуатации в экстремальных внешних условиях, и к которым предъявляются повышенные требования по надежности.
Также, основные результаты диссертационной работы были использованы в АО «Факел1'' (г. С.-Петербург) при выполнении эскизного проекта диагностической системы «Поиск-03» и в учебном процессе СПГУАП при чтении лекций по обеспечению качества.
Связь диссертации с народнохозяйственными планами. Результаты всех проведенных исследований являются составной частью научно-исследовательских работ, проводимых в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники Российской Федерации и критическими технологиями федерального уровня (производственные технологии) в рамках Межвузовских научно-технических программ Министерства общего и профессионального образования «Точное приборостроение», «Датчики», «Воздушный транспорт» 1996;1997 гг. и в настоящее время продолжаются в рамках программы «Прецизионные мехатронные технологии в приборостроении» (19 982 000гг).
Содержание работы. Во введении изложена проблема, обоснована ее актуальность и поставлена цель исследования.
В первом разделе, на основе опубликованных научно-технических работ, исследован процесс влияние промышленной чистоты технологического процесса сборки на долговечность и безотказность исполнительных механизмов ПМПС.
Во втором разделе разработана методика моделирования процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием аэрозольных частиц в исполнительных механизмах ПМПС. Разработана и исследована вероятностная математическая модель ПНП, протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах ПМПС.
В третьем разделе проведена оценка достоверности вероятностных моделей ПНП, протекающих под влиянием аэрозольных частиц в исполнительных механизмах ПМПС, на основе сопоставления с экспериментальными данными. Приводится описание и функциональная схема разработанной для этих целей экспериментальной установки.
В четвертом разделе рассмотрены методы и приборы контроля параметров чистых производственных помещений. Проведена их классификация по критериям оперативности, диапазону и достоверности контроля. Разработан и исследован метод контроля растворимых компонентов в технологической воде.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием известных методов теории вероятностей и математической статистики, результатами математического моделирования и экспериментальных исследований, применением аттестованной экспериментальной установки и методики испытания.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Москва, МГАТУ, ноябрь 1995 г.- на XXI, XXII Российской молодежной научно-технической конференции, Москва, МГАТУ, апрель 1995, 1996 гг.- на Всероссийской научной конференции «Королевские чтения», Самара, СГАУ, октябрь 1995 г.- на пятой Международной студенческой олимпиаде по автоматическому регулированию и управлению (5th International student Olympiad on Automatic Control), Saint-Petersburg Informatic and Control Society, St. Petersburg, Russia, October 1996; на Всероссийском молодежном научном Форуме, Санкт-Петербург, ноябрь 1995 гна научной сессии аспирантов, СПГУАП, С.-Петербург, 1998 гна ряде научных семинарах НИЛ Теории и техники дисперсных систем СПГУАП в 1995;1998 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в девяти печатных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и 6 приложений. Содержит 120 страниц основного машинописного текста, 20 рисунков, 34 таблицы и списка использованной литературы из 58 наименований.
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ:
1. Приборы контроля концентрации АЧ, удовлетворяющие критериям погрешности и оперативности измерения, возможности перемещения в пространстве, наличия автоматизированного (автоматического) процесса измерения, счетной концентрации АЧ в производственной атмосфере приведены в табл. 4.1.
2. Метод оперативного контроля растворенных и дисперсных включений в воде реализован путем распыления пробы тестируемой технологической воды посредством генератора аэрозоля на капли, осушение полученного потока водного аэрозоля в камере аэродинамического осушения, где при определенных условиях обеспечивается полное испарение влаги, и дальнейшим анализом параметров дисперсной фазы осушенного аэрозоля.
3. В технических средствах контроля загрязнения воды применены для распыления пробы воды ультразвуковые генераторы с вибрирующим соплом (для первого варианта реализации метода) и аэродинамические эжекционные распылители (для второго варианта). Для анализа параметров осушенного аэрозоля использован электроиндукционный датчик, позволивший автоматизировать процесс измерения.
4. Погрешности метода определяется погрешностью измерения концентрации дисперсной фазы аэрозоля датчиком и устранима путем калибровки на измеряемом аэрозоле.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе на базе полученных теоретических и практических результатов разработан метод оценки безотказности и долговечности мехатронных приборов по параметрам изменения промышленной чистоты технологического процесса их сборки. Метод позволяет на этапе конструкторского проектирования мехатронных устройств повышать точность расчетов механических характеристик их узлов, путем дополнительного учета влияния промышленной чистоты Ш сборки. Он позволяет устанавливать наиболее ответственные сборочно-монтажные операции на этапе технологического проектирования мехатронных устройств, оптимизировать промышленную чистоту условий технологического процесса сборки и учитывать влияние ее изменений на их долговечность и безотказность в последствии.
Разработан метод и технические средства экспресс — контроля чистоты технологической воды и методика их применения в технологическом процессе, позволяющие контролировать чистоту технологической воды. Это дает возможность при термической обработке пластин исключать: диффузию растворимых загрязнений в материал подложки, появление плохой адгезии между пленками в многослойных структурах и ухудшение контактных свойств на участках между слоями многоуровневой разводки.
Решение поставленных в работе задач позволяет в промышленных условиях повышать качества изготовления мехатронных приборов в чистых помещениях, путем внедрения, организации, обеспечения и оценки промышленной чистоты на критичных к ее влиянию операциях технологического процесса, по результатам испытаний на этапах проектирования и отработки опытных образцов.
Наиболее существенные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1. В результате анализа сборочно-монтажных операций технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов и их конструктивных особенностей, а также исследования процессов, проп екающих в них под влиянием промышленной чистоты, разработана методика анализа влияния промышленной чистоты технологического процесса сборки исполнительных механизмов мехатронных приборов на их долговечность и безотказность, на основе аппарата теории случайных величин и оценки ансамбля накопления повреждений (износа).
2. Разработана и исследована методика моделирования процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов, на основе иналк и выборат-ных функций изменения их выходных параметров.
3. Разработана и исследована вероятностная математическая модель процесса накопления повреждений, протекающих под влиянием промышленной чистоты в исполнительных механизмах мехатронных приборов (при этом начальное состояние повреждений механизмов мехатронных приборов зависит и определяется, в предложенной модели, условиями технологического процесса их сборки).
4. Разработан и исследован новый метод интегрального экспресс-контроля растворимых компонентов технологической воды, а также технические средства его реализации и методика их применения в ТП производства.
5. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения при выполнении курсового и дипломного проектирования и на практических занятиях на кафедре «Конструирования и управления качеством радиоаппаратуры» .
