Введение_06 (Старые лекции)

1ВВЕДЕНИЕ. Предмет и задачи курса. Назначение и функцииСАУ.Вашему вниманию представляется курс «Системы автоматического управлениятехнологическим оборудованием», в котором мы будем изучать основы проектированиясовременных систем управления оборудованием для реализации электронных технологий.В.1. Особенности оборудования для реализацииэлектронных технологийОборудование электронных технологий появилось в процессе естественной эволюции оборудования для производства электровакуумных и полупроводниковых приборов.Первоначально эти технологические машины имели предметную специализацию, т.е.

были предназначены для выпуска определенных классов приборов (линии производстваламп накаливания, линии сборки, заварки и откачки приемно-усилительных ламп, цеха изаводы по выпуску цветных кинескопов, интегральных схем и т.п.). Затем сформировались технологические переделы и соответствующее им оборудование (машины термовакуумной обработки, оборудование для фотолитографии, оборудование для нанесения тонких пленок и др.). Это технологические машины получили наименование – оборудованиепроизводства электронной техники, а реализуемые ими технологии - электронными. Название это – скорее от предмета обработки (электронных приборов), чем от инструментатехнологии, в большинстве машин электронный или ионный луч как инструмент не используется. Постепенно, помимо основных объектов производства – изделий электроннойтехники, электронные технологии стали применяться для широкого класса изделий.

Тонкие пленки стали использовать в металлообработке для упрочнения инструмента, методыфотолитографии и обработки монокристаллов кремния породили новую отрасль - микромеханику и т.д.Мы под терминами – электронные технологии и оборудование электронных технологий понимаем широкий класс достаточно универсальных технологий и оборудования,зародившийся для производства электровакуумных и полупроводниковых приборов и интегральных схем:− оборудование для термовакуумной обработки, включая средства получения вакуума ;− оборудование для фотолитографии, включая машины для ионной имплантации;− оборудование для нанесения тонких пленок в вакууме.Рассмотрим специфические особенности электронных технологий, точнее, оборудования для их реализации.Короткий период эволюции оборудования электронных технологий приводит ктому, что многие технические решения еще не достаточно отработаны и не доведены длительной практикой массовой эксплуатации, как, например, в металлорежущем оборудовании.

В специальном технологическом оборудовании электронной техники сменилось неболее трех - четырех поколений. Не устоялись как конструктивные решения отдельныхисполнительных механизмов и устройств, так и структурно-компоновочные решения всейтехнологической машины. Это объясняет особую важность начальных этапов проектирования, когда разрабатывается техническое предложение машины, выбирается перечень ееэлементов и структура их объединения в единую систему.Уникальность технологических процессов, проводимых подчас на грани физических возможностей, требует в тоже время, тщательной отработки технических решенийотдельных исполнительных механизмов. Поэтому, как альтернатива технологическойспециализации оборудования в целом, широко развивается унификация отдельных исполнительных механизмов и других устройств и подсистем, например, магнетронных источников и блоков питания к ним, вакуумных систем и их элементов и т.п.

Появилось, так называемое, кластерное оборудование, когда машина комплектуется из унифицированныхРябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru2элементов и подсистем со стандартизованным механическим, энергетическим, информационным и программным интерфейсом.Это также повышает важность и относительную трудоемкость начальных этаповпроектирования и заставляет уже на этих этапах решать вопросы аппаратной и программной совместимости элементов.Сложность и многомерность технологий делает подчас просто невозможнымуправление машиной вручную.

Управление идет в масштабах времени и координат, немыслимых для человека и микропроцессорные средства управления становятся неотъемлемым элементом машины. Вполне естественно, что машины для производства микропроцессоров в первую очередь и стали управляться с использованием средств микропроцессорной техники.В свое время, в СССР для автоматизации технологического оборудования электронной техники разработан ряд семейств достаточно универсальных микропроцессорныхконтроллеров, таких как семейство УТК (УТК-5, 6,7) или семейство Орион (Орион 3,4,5).В настоящее время эти контроллеры, естественно, морально устарели и, в связи с тяжелымположением в электронном машиностроении, достойной замены им в России пока нет.

Зарубежом широко выпускаются промышленные контроллеры и рабочие станции на платформе IBM PC, которые могут эффективно выполнять функции центральных, узловых илокальных контроллеров в САУ.Эти средства управления помимо набора основных функций по управлению технологическим процессом, могут реализовать целый ряд дополнительных, таких как обеспечение безотказности и «живучести» машины, диагностику основных элементов, выявление причин неисправностей, предсказание остаточного ресурса и т.п. Такие функции САУпри их разумном выборе могут резко повысить эффективность эксплуатации машины.Новые приводы и средства управления даже в сложившемся оборудовании,имеющим за своей спиной столетний период конструктивной отработки, приводят к революционным преобразованиям структурно-компоновочного решения и перераспределениюфункций между механическими, электронными и программными компонентами оборудования.Появление прецизионных преобразователей электрической и иных видов энергии вкоординатные перемещения, как за счет использования обратных связей, так и изначальнокинематически точных все более вытесняют традиционные кинематические цепи, но требуют, в свою очередь, специальных средств управления энергетическими потоками.

Кинематические связи заменяются связями между энергетическими потоками, а эти связимогут быть организованы как жесткой структурой блоков энергопитания или блоковуправления, так и связями в программном обеспечении. Но для этого структуры этих блоков должны быть достаточно гибкими, чтобы допускать подобные связи.

Таким образом,новые приводы и средства управления могут реализовать все свои преимущества лишь врамках достаточно гибких структур.Среди таких приводов можно отметить вращательные и линейные шаговые двигатели, ставшие основным типом привода практически во всем прецизионном оборудованииэлектронной техники, в частности, оборудовании микролитографии. Эти приводы кинематически точны, а введение обратных связей и дробление шага перемещения позволяютполучать позиционирование с точностью до долей микрометра.Применение ферромагнитных жидкостей коренным образом изменило возможности гидравлических приводов, стало возможным в следящих приводах достичь точностейв доли микрометра.В.2.

Состав оборудования для реализации электронныхтехнологийЛюбая технологическая машина обрабатывает материальные, энергетические иинформационные потоки. По тому, для обработки какого из потоков целевым образомРябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru3предназначен элемент или подсистема машины, все их можно разделить на систему целевых механизмов машины, систему энергообеспечения или энергопитания и системууправления (рис. В.1.).Рис.

В.1. Состав технологической машины.Целевые или исполнительные механизмы ИМ непосредственно взаимодействуют сполуфабрикатами и заготовками. На входе таких механизмов материальный поток М (заготовки, технологические среды обработки). Для своей работы целевые механизмы нуждаются в потоке энергии Э того или иного вида (электроэнергия, пневмопривод, гидропривод и т.п.). Основное назначение энергетического потока – совершение работы попредписанному технологией преобразованию свойств полуфабрикатов.Основная задача системы энергообеспечения заключается в питании исполнительных механизмов тем или иным видом энергии. Для этого система получает поток энергииизвне и преобразуя и модулируя его должным образом, передает к ИМ.Система автоматического управления САУ преобразует информационные потоки.Ее основная задача или основная целевая функция – на основе информации о состоянииобъекта управления И (состоянии системы целевых механизмов и системы энергообеспечения) выдать такие управляющие воздействия, чтобы технологическая машина функционировала в соответствии с предписанной или директивной технологией.В развитом исполнительном механизме также можно выделить свою подсистемуисполнительных механизмов, энергообеспечения и управления.

На рис. 1.1. это отраженов виде рекурсии, когда структура технологической машины многократно отображена вструктуре исполнительного механизма.Соединены между собой и взаимодействуют подсистемы и элементы машины через материальные, энергетические и информационные потоки. Для каждого элемента илиподсистемы можно выделить: целевой интерфейс, определяющий его назначение и способвзаимодействия в системе; механический интерфейс, определяющий расположение, крепление и подключение элемента к материальным потокам; энергетический интерфейс, определяющий виды и характеристики и правила взаимодействия питающих его потоковРябов Владимир Тимофеевич.