Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

На ранних исторических этапах автоматизации автоматическое

управление сводилось к управлению механизмами рабочих и холостых

ходов в пределах рабочего цикла, а также к блокировке работы машины

при неполадках. Такие простейшие функции могли выполнять устройства

на механической или пневмогидравлической основе, которые конструк-

тивно являлись частью исполнительного механизма машины (рис. 1.4, а).

Прогресс вычислительной техники позволил перейти к микропро-

цессорным САУ, где командоаппаратом является управляющая ЭВМ, а

все управляющие связи реализуются различными блоками управления.

САУ выделяется из состава исполнительного механизма (в том числе

дистанционно!), машина из трехзвенной (Дв – Пер – Исп) становится че-

тырехзвенной (рис. 1.4, б); при этом по сложности и стоимости САУ те-

перь сопоставим со всем остальным составом машины. Расширяются

функциональные возможности машин-автоматов в отношении не только

цикловых функций управления, но и обслуживающих (диагностика со-

стояния, переналадка и подналадка и т.п.) (см. разд. 1.7).

В машинах-автоматах имеется полный комплект механизмов рабо-

чих и холостых ходов и САУ, что позволяет полностью устранить уча-

стие человека в работе машины. Однако не всегда это возможно и целе-

сообразно. В ряде случаев автоматическое выполнение некоторых эле-

ментов рабочего цикла, например автоматической загрузки хрупких или

сложной формы изделий, их ориентации в пространстве и т.п., весьма

затруднительны, и эту функцию предпочитают оставлять за человеком.

Полуавтомат – это машина, работающая с автоматическим цик-

лом, для возобновления которого требуется вмешательство человека,

конструктивный признак – отсутствие одного из механизмов рабочих

ходов (загрузки и т.п.).

Вторая ступень автоматизации – это автоматизация в масштабах

системы машин, создание автоматических и автоматизированных линий,

гибких производственных систем (ГПС) и др.

Автоматическая линия (АЛ) — это автоматически действующая

система машин, расположенных, как правило, в технологической после-

довательности и объединенных общими средствами транспортировки

изделий, управления, накопления заделов, удаления отходов и т.п. Имен-

но наличие автоматически действующих межоперационных механизмов

и устройств, а также комплексных САУ является конструктивным при-

знаком АЛ.

АЛ можно рассматривать как машину-автомат более высокого по-

рядка, где подсистему рабочих ходов составляют встроенные в линию

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

машины-автоматы (со своими механизмами рабочих и холостых ходов,

САУ и т.п.); функцию холостых ходов выполняют межстаночные меха-

низмы транспортировки, накопления заделов и т.д.; управляющую под-

систему образуют разнообразные механизмы и устройства межагрегатно-

го управления (рис. 1.5).

АЛ обычно не переналаживаются или могут переналаживаться на

узкую номенклатуру однотипной продукции.

ГПС – это автоматическая система машин с широкими возможно-

стями переналадки на выпуск разнообразной продукции.

При переходе к системам машин становятся невозможными САУ на

механической и пневмогидравлической основе, ведущим здесь является

микропроцессорное управление.

Третья ступень автоматизации – комплексная автоматизация на

уровне участков и цехов, предприятий в целом.

Автоматическим называется цех, в котором основные производст-

венные процессы выполняются на АЛ или ГПС с автоматическими свя-

зями между ними. Структурная схема автоматического цеха приведена на

рис. 1.6. Здесь транспортировка межлинейная, а функции управления в

основном организационно-экономические – посредством автоматизиро-

ванных систем управления производством (АСУП) на базе ЭВМ. Чем

выше степень автоматизации, тем выше быстродействие и производи-

тельность, но оборудование дороже и менее надежно.

Приведем примеры сравнительных характеристик различных по

степени автоматизации вариантов оборудования одинакового функцио-

нального назначения.

Пример 1. Имеется корпусная деталь (рис. 1.7), на верхней плоскости

которой необходимо получить 30 одинаковых резьбовых отверстий, выполнив

сверление (t

= 1,0 мин), зенкование фасок (t

= 0,1 мин) и нарезание резьбы

= 0,6 мин).

В условиях неавтоматизированного производства такая обработка может

быть осуществлена на радиально-сверлильном станке (рис. 1.8). Здесь автомати-

чески выполняются функции вращения шпинделя и его подачи. Все остальные

функции в пределах рабочего цикла: подвод и отвод шпинделя с инструментом;

подъем и поворот траверсы; радиальное перемещение шпиндельной бабки по

траверсе; установка и закрепление детали, ее открепление и съем, замена инстру-

мента; включение, переключение режимов и т.д. – выполняет рабочий.

Устройства управления обслуживают лишь дискретные элементы цикла в

пределах одного рабочего хода инструмента при обработке элементарной по-

верхности. Переход с одного элемента рабочего цикла на другой, включая отвод,

установку инструмента на новую глубину обработки, производится человеком.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Рис. 1.5. Структурная схема АЛ

Рис. 1.6. Структурная схема автоматического цеха

Рис. 1.7. Корпусная

деталь

Рис. 1.8. Радиально-сверлильный станок:

1 – основание; 2 – колонна; 3 – траверса;

4 – шпиндельная бабка; 5 – пульт ручного управления;

6 – обрабатываемая корпусная деталь; 7 – стол

Особенностью универсальных станков является отсутствие совмещения

операций. Это одноинструментальные станки, поэтому время рабочих ходов цик-

ла равно суммарной длительности всех элементов обработки. Ограниченные воз-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

можности человека почти исключают и совмещение вспомогательных функций

по установке деталей, замене инструмента, его подводу и отводу и т.д.

Итак, при отсутствии совмещения действий во времени

51)6,01,00,1(30)(30

321р

=++=++= tttt мин.

Обычно при работе на универсальных станках основное технологическое

время составляет лишь 25…30 %, тогда t

= 120 мин.

Длительность рабочего цикла как интервал времени выдачи одного изделия

(корпусной детали) с произведенной обработкой составит

170

хр

=+= ttT мин ≈ 3 ч.

При этом 30 % времени работает станок, а человек простаивает, и наоборот.

В этом примере отмечены все недостатки неавтоматизированного

производства: низкая производительность оборудования; монотонный

ручной труд.

Как автоматизировать процесс? Часто приходится слышать, что для

этого достаточно поставить у станка промышленный робот, который

возьмет на себя ручной труд, и компьютер, который будет выполнять все

умственные функции. Это глубокое заблуждение. Конструкция и компо-

новка радиально-сверлильного станка так же идеально "подогнаны" к

человеку, как костюм лучшего портного. Ни с роботом, ни с компьюте-

ром станок без коренной переделки работать не сможет.

Рассмотрим уже сложившиеся инженерные решения по автоматиза-

ции обработки отверстий.

На рис. 1.9 показан многооперационный станок-полуавтомат с ЧПУ,

на котором также можно обработать заданную корпусную деталь. Ради-

ально-сверлильный станок и станок с ЧПУ будут иметь одинаковые:

структуру рабочего цикла, порядок выполнения элементов обработки,

технологический комплект инструмента. Однако они разительно отлича-

ются как по компоновке, так и по конструкции.

Рис. 1.9. Многооперационный станок-полуавтомат с ЧПУ

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В станке с ЧПУ автоматизированы все вспомогательные относи-

тельные перемещения: подвод и отвод инструментов, координатная пере-

становка инструментов и детали, последовательность выполнения всех

элементов цикла, переключение технологических режимов, управление

перемещениями и т.д. Рабочий лишь снимает готовую деталь, устанавли-

вает и закрепляет новую заготовку и включает станок. Далее весь рабо-

чий цикл выполняется автоматически по командам с пульта программно-

го управления. Комплект инструментов находится в инструментальном

магазине, их замена также автоматизирована, изменение координат обра-

ботки проводится перемещением стола по двум координатам в горизон-

тальной плоскости.

При обработке на данном станке рабочий может обслуживать не-

сколько станков, в связи с чем повышается производительность труда.

Продолжительность обработки, если не применены иные конструк-

ции инструмента, существенно не меняется. При любом объеме инстру-

ментального магазина станок остается одноинструментным, т.е. одно-

временно может работать только один инструмент, совмещение рабочих

и холостых ходов во времени отсутствует, поэтому производительность

по сравнению с обработкой на обычном универсальном станке увеличит-

ся не более чем на 40…60 %. Это достигается интенсификацией вспомо-

гательных действий благодаря их автоматическому выполнению.

Однако в пределах первой ступени автоматизации имеются иные

технические решения, прежде всего использование принципа совмеще-

ния операций, применение многоинструментальной и многопозиционной

обработки, что может быть реализовано только в условиях автоматизиро-

ванного производства, так как человек производить одновременно не-

сколько операций и координировать работу нескольких инструментов не

в состоянии.

На рис. 1.10 показан многопозиционный агрегатный станок-

полуавтомат. Станок имеет три рабочие позиции, в которых каждая деталь

проходит последовательно операции сверления отверстий, зенкования фа-

сок, нарезания резьбы, и одну холостую – для загрузки и съема деталей. На

каждой позиции одновременно обрабатываются все отверстия с помощью

многошпиндельных насадок с инструментами. Обработка проводится во

время стоянки поворотного стола, на холостой позиции в это время идет

замена деталей. Таким образом, в данном многопозиционном станке-

полуавтомате время рабочих ходов определяется не суммой всех перехо-

дов, а длительностью лишь одного из них – сверлением отверстия

= t

= 1 мин). Следовательно, для рассматриваемого примера оно со-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.10. Многопозиционный агрегатный станок-полуавтомат:

1 – обрабатываемая корпусная деталь; 2 – направляющие силовых головок;

3 – силовые головки; 4 – центральная колонна; 5 – станина горизонтальной

силовой головки; 6 – центральная станина; 7 – поворотный стол;

8 – многошпиндельная насадка

кращено по сравнению с одноинструментальным станком в ∼ 50 раз! Бла-

годаря совмещению сокращены и холостые ходы цикла: все подводы и

отводы проводятся одновременно, инструмент не заменяется, загрузка и

съем совмещены во времени с обработкой. Несовмещенные холостые ходы

цикла складываются из времени быстрого подвода и отвода лимитирующей

силовой головки (сверлильной) и поворота стола – t

= 0,25 мин. В итоге

длительность рабочего цикла T = 1,25 мин.

Сочетание автоматизации цикла и совмещения операций позволяет

повысить производительность по сравнению с универсальными станками

в десятки раз! Однако дается это за счет универсальности. Радиально-

сверлильный станок быстро переналаживается на обработку широкого

круга изделий; обрабатывающий центр – труднее, но без принципиаль-

ных трудностей. Многопозиционный агрегатный станок очень сложно

переналаживается и может быть эффективно использован только в усло-

виях массового и крупносерийного производства.

Отметим, что многопозиционный агрегатный станок-полуавтомат

(см. рис. 1.10) по своим конструктивно-компоновочным формам не по-

хож ни на универсальный радиально-сверлильный станок (см. рис. 1.8),

ни на станок с ЧПУ (см. рис. 1.9), хотя обрабатываемые детали совер-

шенно идентичны.

Обработку корпусных деталей можно выполнять и на АЛ из агре-

гатных станков (рис. 1.11), реализуя тем самым вторую ступень автома-

тизации.

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Обработка изделий на АЛ про-

водится в стационарных приспособ-

лениях, где деталь фиксируют и за-

жимают.

Перемещение с позиции на по-

зицию выполняет шаговый конвейер.

Цикл работы АЛ: 1) ход конвейера

вперед, перемещение деталей на один

шаг; 2) фиксация и зажим деталей в

приспособлениях; 3) быстрый подвод

всех силовых головок с многошпин-

дельными насадками; 4) обработка,

которая начинается одновременно на

всех рабочих позициях; в это время

происходят установка очередной за-

готовки на первую, загрузочную по-

зицию и возврат шагового конвейера;

5) быстрый отвод силовых головок;

6) разжим и расфиксация деталей.

Если дифференцировать сверле-

ние отверстий на две части с выпол-

нением на разных позициях, рабочий

цикл линии будет Т = 0,9 мин, т.е.

производительность по сравнению с радиально-сверлильным станком

повысится почти в 200 раз!!!, но переналадка практически невозможна.

Пример 2. Имеется кремниевая пластина (подложка) толщиной 0,2 и

диаметром 76 мм, на которой групповым методом изготовляются топологии ин-

тегральных микросхем (далее пластина будет разрезана). Все интегральные схе-

мы многослойные, с высочайшей степенью точности совмещения слоев. На

предшествующей операции поверх топологии предыдущего слоя наносится тон-

кое светочувствительное покрытие – фоторезист. Необходимо засветить (экспо-

нировать) этот фоторезист сквозь фотошаблон, на котором нанесена топология

последующего слоя. При этом фотошаблон предварительно совмещается по ре-

перным знакам с пластиной, содержащей предыдущий слой.

На рис. 1.12 показана конструктивная схема неавтоматизированной уста-

новки экспонирования кремниевых пластин, включающая в себя: осветитель 2, от

которого световые лучи через систему зеркал, линзу и фотошаблон 4 попадают на

подложку, засвечивая фоторезист; предметный столик 5, на котором закрепляется

(вакуумным прихватом) подложка; механизм 6 подачи и прижима подложки и

фотошаблона; манипулятор 3 для совмещения подложки и фотошаблона; поворот-

ный корпус 1 с микроскопом.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.11. АЛ из агрегатных

станков:

1 – обрабатываемая корпусная

деталь; 2 – шаговый транспортер;

3 – приспособление; 4 – силовая

головка; 5 – многошпиндельная

насадка; I – X – номера силовых

головок

Рис. 1.12. Неавтоматизированная установка

контактного экспонирования кремниевых пластин:

а – общая схема; б – схема предварительной ориентации пластины по углу;

в – схема поворотного приспособления; I – IV – номера позиций

Установка показана в положении рабочего процесса – экспонирования дли-

тельностью t

= 60 с. Все вспомогательные операции и управление выполняются

рабочим вручную. После выключения осветителя подложка и фотошаблон рас-

крепляются, корпус поворачивается на 180°, в рабочей позиции оказывается вза-

мен осветителя микроскоп; подложка укладывается в кассету, t

х2

= 10 с. Новый

цикл начинается с укладки новой подложки на столик, далее манипулятором

шаблон совмещается по реперным знакам с подложкой при наблюдении в микро-

скоп, идет закрепление на столике. Корпус снова поворачивается на 180° так, что

в рабочей позиции снова оказывается осветитель; t

х1

= 60 с.

Итого: Т = 60 + 60 + 10 = 130 с, из них ручного времени t

х1

+ t

х2

= 70 с, т.е. 55 %.

Ускорение холостых ходов можно получить специальным шаблоном с предвари-

тельной ориентацией подложки по лыске (см. рис. 1.12, б) или поворотным при-

способлением с поз. I – IV (см. рис. 1.12, в), но время холостых ходов нельзя со-

кратить менее чем на 10…20 c, вce равно лимитирующими по быстродействию

будут не рабочие, а холостые ходы, прежде всего совмещение шаблона с подлож-

кой. Ускорение ухудшает точность совмещения.

Схема полуавтомата для совмещения и экспонирования показана на

рис. 1.13. Здесь человек выполняет только совмещение с помощью манипулятора

и нажатие кнопки сигнала к продолжению цикла в конце процесса. Суммарное

время холостых ходов t

= 18 с; технологический процесс неизменный, поэтому

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Т = t

+ t

= 60 + 18 = 78 с. Точность совмещения вручную осталась на уровне

2…3 мкм. Чтобы полностью автоматизировать рабочий цикл, пришлось ради-

кально переконструировать оборудование (рис. 1.14). Это установка не контакт-

ной, а проекционной литографии. Вместо манипулятора установлен двухкоорди-

натный предметный стол, фотошаблон расположен стационарно. Повысилась

точность совмещения, но уменьшилась производительность, так как единовре-

менно засвечивается не вся подложка, а ее отдельный участок.

Автоматизация процессов микролитографии может быть осуществлена на

автоматизированной линии (рис. 1.15).

Рис. 1.13. Полуавтомат контактного экспонирования кремниевых пластин:

1 – осветитель; 2 – фотошаблон в захвате манипулятора; 3, 8 – соответственно

приемная и исходная кассеты; 4, 7 – соответственно отводной и подающий лотки;

5 – неподвижный предметный столик; 6 – позиция предварительной ориентации

На линии выполняются три по-

следовательные операции изготовле-

ния интегральных микросхем.

1. Нанесение на пластину слоя

фоторезиста (капельная подача, цен-

трифугирование с формированием

слоя равномерной толщины, сушка

слоя).

2. Экспонирование слоя фото-

резиста сквозь фотошаблон.

3. Проявление фоторезиста (уда-

ление травлением засвеченных участ-

ков и задубливание оставшихся).

В результате топологический

рисунок фотошаблона оказывается

перенесенным на слой фоторезиста в

виде системы взаимосвязанных

"окон".

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.14. Полуавтомат проекционного

экспонирования кремниевых пластин:

1 – осветитель; 2 – фотошаблон; 3, 7 –

соответственно приемная и исходная

кассеты; 4, 6 – соответственно отводной и

подающий лотки; 5 – двухкоординатный

предметный стол