close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Larin 026AAC61D1

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Практикум
Санкт-Петербург
2014
УДК 681.2
ББК 39.56
Т38
Рецензенты:
кафедра приемных устройств и автоматики
Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского;
доктор технических наук, профессор Ю. З. Бубнов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве практикума
Авторы: В. П. Ларин, В. П. Пашков, О. Л. Смирнов,
Б. Г. Филатов, Д. К. Шелест
Т38 Технология приборостроения: практикум / под ред.
В. П. Ларина, В. П. Пашкова. – СПб.: ГУАП, 2014. – 208 с.
ISBN 978-5-8088-0914-7
Изложены учебно-методические материалы, предназначенные
для студентов технических специальностей, проходящих технологическую подготовку по кафедре микро- и нанотехнологий аэрокосмического приборостроения. Практикум содержит 13 лабораторных работ, выполнение которых позволит студентам получить необходимые
практические навыки в области современных методов технологического проектирования и технологий изготовления. Лабораторные работы сгруппированы по трем циклам: исследование методов технологического преобразования материалов и комплектующих и проектирование технологических процессов; изучение моделей технологических операций и выполнение моделирования виртуального процесса;
изучение методов обработки экспериментальных данных, проведение
технологического эксперимента и обработка полученных результатов. Цикл лабораторных работ для конкретного направления (специальности) подготовки формируется преподавателем на основе предусмотренного учебным планом объема лабораторных занятий и учебной
программы технологической дисциплины.
УДК 681.2
ББК 39.56
ISBN 978-5-8088-0914-7 © Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2014
Предисловие
Технологическая подготовка является одной из основных составляющих образовательных программ высшего профессионального образования инженеров и бакалавров технических специальностей и направлений. Еще большую значимость имеет технологическая подготовка бакалавров по направлениям 12.03.01 –
«Приборостроение» и 11.03.03 – «Конструирование и технология
электронных средств». Настоящий лабораторный практикум предназначен для формирования у обучающихся практических навыков технологического проектирования и реализации тех компетенций, предусмотренных образовательными стандартами, которые
соответствуют предметной области решения профессиональных задач в соответствии с проектно-конструкторским и производственно-технологическим видами профессиональной деятельности.
Выполнение лабораторных работ, входящих в данный лабораторный практикум, позволит получить дополнительные теоретические
знания по важным разделам технологии, а главное, приобрести умения выполнять экспериментальные исследования и овладеть методиками планирования технологических исследований, выполнения
задач технологического проектирования на основе моделирования,
анализа и оценки результатов проведенных экспериментов.
Лабораторные работы практикума выполняются в лабораториях кафедры микро- и нанотехнологий аэрокосмического приборостроения. Для каждого направления или специальности формируется цикл лабораторных работ, в соответствии с объемом часов,
предусмотренных учебным планом и на основе перечня, приведенного в программе учебной дисциплины.
Методические указания к выполнению лабораторных работ
практикума составлены на основе типового шаблона, предусматривающего, помимо основных теоретических сведений и описания
работы, наличие вариантов заданий, требования к отчетам, контрольные вопросы для самоподготовки и перечень литературы, доступной в Информационной системе кафедры (электронный учебно-методический фонд).
Настоящий лабораторный практикум содержит обширный теоретический материал, что позволит расширить его область применения. Многие из программ лабораторных исследований могут
быть использованы для решения соответствующих задач курсового
проектирования, при выполнении технологической части дипломных проектов специалистов и бакалаврских проектов.
3
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА ПАРТИИ ИЗДЕЛИЙ,
ЗАПУСКАЕМЫХ В СБОРОЧНУЮ ПРОИЗВОДСТВЕННУЮ
СИСТЕМУ
Цель работы: определение рационального размера партии изделий, обеспечивающего максимальное значение показателей использования оборудования и гибкости на основе заданных характеристик технологического процесса сборки и номенклатуры изделий – объектов сборки.
1. Краткие теоретические сведения
Основное назначение программы – проведение лабораторных исследований при выполнении лабораторной работы по циклу общей
технологии приборостроения. Варьирование исходными данными
позволяет провести исследования всего комплекса задач проектирования и найти наиболее рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.
Программа может быть использована также для выполнения
расчетов показателей технического использования и гибкости сборочной системы в курсовых и дипломных проектах.
Постановка задачи. Размер партии собираемых изделий является важнейшим технико-экономическим показателем автоматизированных переналаживаемых производств. Уменьшение величины партии позволяет сократить время изготовления сборочных
единиц, обеспечить ритмичность их поставки на последующие
операции, сократить емкости накопителей для последующих операций и объем незавершенного производства [1]. С другой стороны,
для уменьшения количества переналадок и непроизводительного
времени, затрачиваемого на них, желательно иметь более устойчивые размеры партий.
Определение размера партии изделий в условиях современного
автоматизированного производства должно отвечать требованиям
обеспечения высоких показателей использования оборудования
и гибкости. Поддержание на достаточно высоком уровне этих показателей позволяет добиться максимального экономического эффекта [2, 3].
Данная задача заключается в расчете количества изделий в партии, собираемых в сборочной гибкой производственной системе
4
(ГПС), обеспечивающего заданный уровень показателей использования оборудования и гибкости.
Построение математической модели. Эффективный (расчетный) фонд времени оборудования Тэф для заданного планового периода можно представить в виде суммы Tэф = Tр + Tн + Tп, где Tр –
время работы оборудования, непосредственно затрачиваемое на
сборку изделий; Tн – время, затраченное на переналадки при переходах от одних партий изделий к другим; Tп – время простоев оборудования по разным причинам, кроме запланированных простоев
на ремонт и техобслуживание.
Коэффициент загрузки определяется отношением
Kç =
Òð + Òí
Òð + Òí + Òï
.
(1)
Из выражения (1) следует, что Kз приближается к единице при
стремлении времени простоев к нулю. Снизу Kз ограничен требованием эффективного использования времени работы оборудования?
сверху – требованием выполнения плановых заданий в условиях
работы с возможными простоями. При проектировании, например,
ГПС механической обработки коэффициент загрузки обычно задается равным 0,8–0,9. Естественно, что такой уровень желателен и
для сборочных ГПС.
Коэффициент технического использования оборудования рассчитывается по формуле
Kò.è =
Òð
Òð + Òï
.
(2)
Коэффициент технического использования оборудования, так
же как и Kз, приближается к единице при стремлении времени простоев к нулю. Однако в отличие от Kз, Kт.и характеризует влияние
простоев оборудования на процесс непосредственной сборки изделий (без учета переналадок).
Из выражения (1) и (2) следует: при стремлении времени переналадок Tн к нулю Kз, убывая, приближается к Kт.и.
Совместное решение выражений (1) и (2) позволяет исключить
из рассмотрения трудноопределимые потери времени простоев оборудования и установить связь между Tр и Tн:
Òð
=
1 − Kç
⋅ Òí .
Kç Kò.è − 1
(3)
5
В общем случае для рассматриваемого планового периода Tр и
Tн определяются выражениями:
m
m
i =1
i =1
Òð = ∑ ni tøò.i ; Òí = ∑ tï.ç.i , (4)
где m – номенклатура сборочных единиц, подлежащих сборке за
рассматриваемый период; ni – количество сборочных единиц i-го
наименования, собранных за рассматриваемый период (размер
партии); tшт.i – штучное время сборки сборочных единиц i-го наименования; tп.зi – подготовительно-заключительное время выполнения работ наладочного характера перед сборкой изделий i-го
наименования.
Исследование и решение математической модели. Для упрощения исследования показатели по разным сборочным единицам
заданной номенклатуры приведем к показателям по обобщенной
сборочной единице (изделию-типопредставителю). При этом суммарная трудоемкость наладки и изготовления фактически собираемых изделий должна быть равна трудоемкости наладки технологического оборудования и сборки сборочной единицы. Разные технологические переходы заменяются эквивалентными, однотипными; наиболее распространенный (характерный) технологический
переход выбирается в качестве параметра приведения обобщенной
сборочной единицы.
Количество сборочных единиц в партии для всех партий принимается одинаковым.
Трудоемкости наладки и сборки обобщенной сборочной единицы считаются по формулам
m
∑ tï.ç.i qi
m
∑ tøò.i qi
tï.ç.i = i =1
; tøò.îá = i =1
,
100%
100%
где qi – соответствующая доля сборочных единиц, входящих в i-ю
партию, от общего числа изготовленных сборочных единиц, %.
Так как n1 = n2 = … = nm, то и q1 = q2 = … = qm = q.
Тогда выражение (3) можно привести к виду
n
=
6
1 − Kç
t
⋅ ï.ç.îá . Kç Êò.è − 1 tøò.îá
(5)
Если рассматриваемый период включает в себя изготовление
только одной партии сборочных единиц, то формула (5) может быть
использована для этого случая.
В качестве основного показателя гибкости автоматизированного производства рассмотрим коэффициент технологической гибкости, который зададим отношением
Kò.ã =
Òð
Òð + Òí
. (6)
Учитывая выражение (4) и вновь используя метод расчета по
обобщенной сборочной единице, выражение (6) приводим к виду
Kò.ã =
1
1 + tï.ç.îá n ⋅ tøò.îá
. (7)
Если Kт.и учитывает потери времени на восстановление работоспособности при отказах, то Kт.г характеризует временные затраты, связанные с переходом от сборки одних партий сборочных единиц к другим. Коэффициент технологической гибкости стремится
к единице при увеличении штучного времени, количества сборочных единиц в партии и стремление времени переналадок к нулю,
так как при постоянном совершенствовании технологий tшт сокращается, а количество сборочных единиц в партии ограничено
многими факторами, основной путь повышения технологической
гибкости производства – сокращение tп.з.
Определим из выражения (7) количество сборочных единиц
в партии:
=
n
Kò.ã t ï.ç.îá
⋅
.
1 − Kò.ã tøò.îá
2. Блок-схема алгоритма решения задачи
Алгоритм решения задачи (рис. 1) содержит следующие основные операторы: 2 – расчет Tэф; 3 – проверка правильности задания
составляющих Tэф; 5, 6 – расчет коэффициентов Kз и Kт.и. Если номенклатура принимается равной единице, то расчет размера партии выполняется оператором 10 в два цикла (берется поочередно
значение tп.з об из введенного ряда чисел и производится расчет n
при всех заданных значениях tшт.об, затем следующее значение
7
Начало
Ввод: tшт.об., tп.з.об.,
Tp, Tп , Tн , m
Tэф = Tp +Tн +Tп
нет
Tэф = 480
Корректировка
ввода: Tp, Tn , Tн
да
Kз =
Tp +Tн
Tэф
Tp
K т.и.= Tp + Tп
да
нет
m>1
Tp
K т.г.= Tp + T
н
α=
J = 1,5
J = 1,9
t п.з.об. = 10 × I
tшт.об. = J +1
J = 1,5
J = 1,9
t п.з.об. = 10 × I
tшт.об. = J +1
n=
Kз
K т.и.
K т.г. t п.з.об.
n=
1–K т.г. tшт.об.
1–Kз t п.з.об.
α–1 tшт.об.
Вывод таблицы
расчета
Конец
Рис. 1. Блок-схема алгоритма
tп.з об и т. д.). Оператором II определяется величина Kт.г, а оператором 13 рассчитываются значения n аналогично рассмотренной процедуре. Распечатка таблиц значений n при различных tп.з об и tшт.об
производится оператором 14.
8
3. Порядок выполнения работы
Описание входных данных и форма их представления. В качестве входных данных берутся показатели:
tп.з об – подготовительно-заключительное время;
tшт. об – штучное время;
Tр – время работы оборудования, непосредственно затрачиваемое на сборку изделий;
Tн – время, затраченное на переналадки при переходах от сборки одной партии изделий к другой;
Tп – время простоев оборудования по разным причинам, кроме
запланированных простоев на ремонт и техобслуживание;
m – номенклатура изделий (количество разновидностей изделий, собираемых за время моделирования).
Величины Tр, Tн, Tп берутся из расчета, что Tэф = Tр + Tн +
+Tп = 480 мин (плановый период – рабочая смена). Значение m принимается равным двум или любой целочисленной величине, большей единицы.
Задания (исходные данные)
на выполнение лабораторной работы
№ варианта
Tр
Tн
Tп
Tп.з.об
tшт.об
m
1
350, 400, 320,
20, 10, 40
110, 70, 120
2–6
4–8
5
2
300, 350, 380
80, 50, 40
100, 80, 60
12–25 5–10
4
3
300, 360, 380
30, 60, 80
150, 60, 20
8–12
4–10
3
4
290, 340, 370 120, 60, 20
70, 80, 90
14–18
2–6
1
5
300, 350, 400
80, 50, 30
100, 80, 50
20–30
4–8
5
6
280, 380, 350 100, 50, 70
100, 50, 60
12–16
3–7
1
По каждому варианту задания выполняется ввод для трех расчетов. Например, по варианту 1 вводится: 1) 350, 20, 110, 2–6, 4–8,
5; 2) 400, 10, 70, 2–6, 4–8, 5; 3) 320, 40, 120, 2-6, 4–8, 5.
Описание выходных параметров и форма их представления.
В качестве выходных параметров представляется таблица значений размера партии запуска (n). Каждое значение n соответствует
определенному сочетанию величин tп.з об и tшт. об.
Внешний вид рабочего окна программы представлен на рис. 2.
9
Рис. 2. Внешний вид программы RAZMER.EXE
4. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных, введенных значений и варьируемых значений параметров;
– иллюстрации, поясняющие вариант постановки задачи (структура комплекса, принципиальная схема процесса и т. п.);
– схему решения задачи (блок-схему алгоритма) и основные расчетные выражения;
– выходные результаты проектирования (расчета);
– сравнительный анализ вариантов решенной задачи, выводы
по работе с необходимыми иллюстрациями.
Контрольные вопросы
1. Дайте сравнительную оценку коэффициента загрузки и коэффициента технического использования оборудования.
2. Как изменяется размер партии при сокращении времени наладки и увеличении времени сборки?
10
3. Как зависит размер партии при изменениях коэффициента загрузки и коэффициента технологической гибкости?
Рекомендуемая литература
1. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим
процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Радио и связь,
2009.
2. Сборник технологических задач с расчетом на ЭВМ: лабораторный практикум / под ред. В.П. Ларина. [Электронный ресурс],
Инф. Система кафедры МиНТАП. 2011.
3. Раздорожный А. А. Организация производства и управление
предприятием: учебник. М.: Экзамен, 2009.
11
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СБОРОЧНО-МОНТАЖНОЙ ЛИНИИ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМИТАЦИОННОЙ
ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Цель работы: на основе использования динамической имитационной модели, варьируя переменными параметрами технологического процесса и структурой комплекса, найти такое сочетание количественно-временных и вероятностных характеристик сборочномонтажного автоматизированного технологического комплекса (линии), которые обеспечивают его эффективное функционирование.
Лабораторная работа рекомендуется к включению в цикл работ
по общей технологии приборостроения.
1. Краткие теоретические сведения
Исследование производственных систем
с применением имитационного моделирования
При проектировании производственной системы и ее элементов
(технологических линий, комплексов, отдельных модулей) возникают многочисленные задачи, требующие исследования сложных
количественных и качественных закономерностей их функционирования. Большие капитальные вложения в гибкие производственные системы (ГПС) требуют проведения экспериментальной проверки проектных решений до их реализации, что не осуществимо.
В этом случае большую помощь оказывает аппарат имитационного
моделирования.
Сущность имитационного моделирования состоит в реализации
на ЭВМ алгоритма, воспроизводящего формализованный процесс
функционирования ГПС и позволяющего по исходным данным
получить сведения о состоянии производства в произвольные моменты времени. Наряду с этой задачей оперативно-диспетчерского
плана имеются большие возможности проектирования и отладки
технологических процессов (ТП) и транспортно-технологических
схем, систем управления, решения задач компоновки оборудования на производственных участках, организации заделов и накопительных позиций, отладки алгоритмов и программ и т. п. [1–3].
Преимущества и возможности имитационного моделирования
можно резюмировать следующим образом:
12
– имитационное моделирование позволяет решить задачи, решение которых с помощью других методов затруднено или невозможно. Дело в том, что производственная система очень сложна
как моделируемый объект, содержит многоразмерные векторы
входов и выходов со сложными взаимосвязями, структура которых
часто неизвестна;
– имитационный эксперимент нагляден;
– имитационные модели способны хорошо представлять стохастические свойства реальности, могут работать с любым распределением. Случайные величины можно задать с помощью эмпирически определенной гистограммы или с помощью частоты события
и таким образом представить случайный характер объекта более
точно (а также более удобно), чем с помощью теоретического распределения;
– путем имитации можно легко моделировать временное протекание операции (имитируются динамические объекты);
– путем модельного экспериментирования можно обследовать
большое количество альтернатив, причем в процессе эксперимента
можно легко переходить от одной альтернативы к другой;
– можно моделировать альтернативы или события, которые не
осуществимы на реальном объекте из-за больших затрат, продолжительности эксперимента или опасности повреждения оборудования;
– ход эксперимента, продолжительность имитируемого периода
времени и возможность повторения находятся под контролем пользователя.
Практика применения различных имитационных моделей производственного назначения показывает, что затраты на подготовку
и отладку транспортно-технологической системы могут быть сокращены на 25%, путем моделирования длительность ТП и циклов
работы модулей и комплексов сокращена на 20%, эффективность
управления по показателям загрузки и сокращения простоев повышается на 45% [2,3].
Разработанная имитационная модель автоматизированного технологического комплекса (АТК) в процессе эксплуатации может
использоваться как наиболее эффективное средство для разработки
и отладки управляющих программ для вновь запускаемых в производство изделий, составления планов-графиков, анализа потерь,
показателей надежности как для комплекса в целом, так и для его
модулей.
Имитационные модели, используемые для решения различных
производственных задач, отличаются целями моделирования и
13
применяемым математическим аппаратом. Классификация имитационных моделей производственных систем приведена на рис. 1.
Имитационные модели
Непрерывные
Тип
моделируемой
системы
Специализированные
Область
применения
Событийные
Структура
Дискретные
Общего назначения
Модели процессов
Модели
Сетевые
Статические
Решаемые
задачи
Модели
пользователя
Динамические
Рис. 1. Классификация имитационных
моделей производственных систем
В событийных моделях выбирается множество типов событий
и описывается логика обработки событий каждого типа, создается перечень событий всех типов, которые должны реализоваться
в процессе функционирования моделируемой системы, само функционирование представляется в виде временной последовательности переходов событий из одного состояния в другое.
В модели процессов производственная система описывается
в виде совокупности взаимосвязанных процессов, через которые
проходят предметы обработки, обычно программный алгоритм
преобразует модель процессов в событийную, где событием является начало или завершение некоторого процесса над отдельно взятым предметом обработки.
В сетевых моделях заранее формализуется и программно реализуется несколько типов процессов. Задача пользователя состоит
в том, чтобы идентифицировать модельным процессом процессы,
происходящие в производственной системе и построить сеть их взаимосвязей. В моделях пользователя последний должен определить
множество процессов, описать каждый из них и организовать их
14
взаимодействие средствами имитационного языка или языка высокого уровня.
Статические модели являются простейшими моделями, оперирующими количественно-временными параметрами. Моделируемая
система считается идеальной с точки зрения работоспособности, а
вероятностные процессы происходят только при подаче объектов
на позиции (колебания ритмичности), при обработке (колебания
длительности) и т. п. Для построения таких моделей необходимы
счетчики, сумматоры и ячейки памяти, количество которых равно
числу моделируемых параметров.
События в системе и динамику изменения параметров позволяют исследовать динамические модели. В таких моделях возможна
имитация всех событий, происходящих в оборудовании, технологической оснастке, устройствах управления, средствах автоматизации и объектах производства. Для имитации вероятностных
событий, возможность появления которых предполагается в моделируемой системе, необходимы генераторы случайных чисел
с соответствующим законом распределения случайного события.
С помощью таких элементов возможно моделирование отказов технологических средств, имитация несобираемости при сборке, наличие недопустимых событий в материалах обрабатываемых деталях, отсутствие комплектации в накопительных устройствах или
на технологических позициях и т. п.
В качестве аппарата имитационного моделирования широко используются методы теории массового обслуживания и теории очередей [2,3]. Рассмотрим некоторые исходные принципы построения и особенности моделей, использующих эти методы.
Изделие, поступающее на производственное оборудование (станок, установку, склад и др.), рассматривается как заявка, требующая обслуживания. Заявка начинает обслуживаться сразу, как
только агрегат освобождается. Если в момент прихода заявки агрегат занят, она становится в очередь. Порядок выбора заявок из очереди определяется дисциплиной обслуживания. Наиболее распространенной является дисциплина обслуживания FIFO («первым
пришел – первым обслужен»). Эта дисциплина характеризуется
наименьшей дисперсией времени ожидания. Возможны также приоритетные дисциплины обслуживания, позволяющие уменьшить
среднее время ожидания. Наименьшее значение среднее время
ожидания принимает, если из очереди выбирается заявка с минимальным временем обслуживания. Времена обслуживания заявок
в динамических моделях считаются случайными. Весь производ15
ственный процесс при этом моделируется путем рассмотрения процесса прохождения заявок по агрегатам технологической системы.
Сеть массового обслуживания состоит из связанных между собой систем массового обслуживания (СМО). Группы взаимозаменяемого оборудования ГПС в сетевой модели отображаются одно- или
многоканальными СМО, стоящими в узлах сети. Маршруты движения изделий моделируются связями между узлами (ориентированными дугами). Объекты (детали, полуфабрикаты, инструменты
и др.), хранящиеся на центральном складе, буферных накопителях
или в магазинах агрегатов, отображаются в виде очередей на обслуживание в узлах.
Для представления ГПС в виде сети массового обслуживания
(динамическое количественно-временное моделирование) задается
ряд параметров:
– n – количество узлов сети, т. е. количество позиций взаимодействия оборудования ГПС с изделиями;
– mi – количество обслуживающих устройств в i-м узле – количество параллельно работающих агрегатов на i-й позиции;
– γi – интенсивность внешнего потока заявок (например, поступающих заготовок) на i-ю позицию, γi = 1/Ti, где Ti – среднее значение интервала времени между двумя последовательными поступлениями заявок;
– μi – интенсивность обслуживания, μi = 1/τi, где τi – среднее время обслуживание заявки, т. е. время обработки, транспортирования и т. д. в i-м узле.
Распределение потока заявок между n узлами задается элементами вероятностной матрицы P = ( pij )ni , где pij – доля потока, идущего от i-го узла к j-му, ∑pij ≤ 1.
Для представления ГПС в виде стохастической сети (динамическое моделирование), задаются дополнительно параметры:
– λi – интенсивность отказов устройств i-го узла;
– Tв – среднее время восстановления устройств i-го узла и др.
Как правило, входные потоки заявок принимают пуассоновскими. Времена обслуживания заявок в каждом из узлов распределены экспоненциально с интенсивностью μi.
По взаимодействию с внешней средой сети массового обслуживания делятся на замкнутые и разомкнутые. Характерной чертой
разомкнутой сети является наличие входного и выходного потоков. Сети такого типа чаще используются для моделирования
ГПС (обрабатывающих, сборочных линий и последовательно соединенных комплексов). В замкнутой сети постоянное количе16
ство заявок циркулирует по замкнутым контурам в соответствии
с вероятностной матрицей передач. Замкнутые сети используются для решения задач проектирования ГПС механообработки со
спутниковой системой транспортирования объектов по позициям
обслуживания.
Все разновидности транспортно-технологических схем можно
свести в три группы: последовательные, параллельные и комбинированные схемы. В соответствии с терминологией теории массового
обслуживания их можно называть соответственно одноканальными, многоканальными и комбинированными сетями, в которых
протекают одноименные потоки заявок.
Если в сети заявки не размножаются (например, из одной заготовки изготавливается одна деталь) и не поглощаются (нет сборки), то такая сеть называется линейной. В установившемся режиме
в линейной сети интенсивности входящего в узел и выходящего из
узла потоков заявок равны. Сети, в которых заявки размножаются
или поглощаются, – нелинейные.
Если в сети обслуживаются заявки разных классов (т. е. с разными маршрутами, дисциплинами обслуживания и другими отличающимися параметрами), то такая сеть называется неоднородной. Сеть с одним классом заявок – однородная.
Анализ АТК с помощью сетевых моделей позволяет получить
ряд вероятностных характеристик функционирования систем: интенсивности входного и выходного потоков, средние количества заявок в узлах и в системе в целом, средние времена обслуживания
заявок в узлах и в системе в целом, коэффициенты загрузки агрегатов, среднее количество заявок в очередях к различным узлам,
среднее время ожидания обслуживания (пролеживания) в узле, коэффициенты простоя агрегатов и др.
Одной из важных задач, решаемых с помощью теории сетей массового обслуживания, является определение производительности
АТК. Она понимается как максимально допустимая, потенциально
возможная пропускная способность системы относительно входного потока.
Назначение исследуемой программы моделирования
Основное назначение программы – проведение исследований
при выполнении лабораторной работы по циклу автоматизации
технологических процессов приборостроения. Варьирование исходными данными позволяет провести исследования всего ком17
плекса задач проектирования и найти наиболее рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.
Программа может быть использована также для выполнения
моделирования при разработке сборочно-монтажных автоматизированных технологических комплексов в курсовых и дипломных
проектах.
Методика анализа, изучаемая в работе, может быть использована на этапах проектирования технологических комплексов для
решения следующих основных задач:
– проверка и отработка (отладка) алгоритмов функционирования промышленных роботов (ПР) и другого оборудования ГПС;
– моделирование и рационализация структур и алгоритмов работы оборудования ГПС;
– моделирование и рационализация структур и алгоритмов работы оборудования ГПС с учетом случайных процессов (функциональной надежности узлов оборудования, появления брака, разброса точности и других параметров и т. п.);
– определение эксплуатационных характеристик ГПС (производительности, среднего процента брака, требуемого числа эксплуатационного персонала, времени простоев оборудования и т. п.) путем их моделирования с учетом случайных процессов.
Моделирование может быть использовано также на этапе наладки оборудования для отладки алгоритмов на ЭВМ, что значительно
ускоряет наладку технологического комплекса за счет значительно
меньшей трудоемкости отладки на ЭВМ, чем на реальном оборудовании.
Результаты моделирования различных вариантов алгоритмов и
структур системы управления позволяют сравнивать их и выбирать
наиболее рациональный вариант по критериям быстродействия,
сложности, малой чувствительности к различным ненормальным и
аварийным ситуациям, по простоте и ясности понимания обслуживающим персоналам и т. п. (в зависимости от сформулированных
критериев).
При моделировании алгоритма или структуры систем с учетом
надежности отдельных узлов и блоков и других случайных процессов при выборе рационального варианта могут учитываться
суммарные простои оборудования, затраты на обслуживание (процент брака, суммарное время переналадки при многономенклатурном производстве, возможность использования безлюдной (точнее
малолюдной) технологии и различные технико-экономические показатели).
18
2. Блок-схема алгоритма
Блок-схема алгоритма моделирования для решения задач лабораторного исследования приведена на рис. 2.
Ввод исходных
данных
41
3
K=K+1
I=J
TNO(K)=TNO*
*ln(1-L)
TPP(J)= TPP*
*ln(1-i)
Да
TOT(K)=TV(k-1)+
+TNO(K)
Сбой
42
3
TG=TPS(I,J)+TPK
18
TG(I,J)<T
Нет
43
3
Нет
TG(I,J)<TOT
TV(K)=TV*ln(1–L)
TPRV(I,J)=0
TPRV(I,J)=TV(K)
Нет
I=1
TGV(K)=TG(I,J)+TV(K)
Нет
TPP(I)>TG(J,I)
TPRP(J)= TPP(J) -TG(I,J)
TPRP(J)=0
20
2
TG(I,J)=TGV(K)
6
20
2
Рис. 2. Блок-схема алгоритма моделирования
19
11,19
1
27
24
Нет
ME>0
TPRE(I,J)=TSN
TPR(I,J)= TPRV(I,J)+
+TPRP(J)+TPRE(I,J)
ME=ME -1
RX(I,J)=VLAP*
*(l-0.5)
Нет
VP=0
R(I,J)=sqrt(-2lnL(I,J)
R(I,J)<=D*D
20
RY(I,J)=VLAP*
*(l-0.5)
Нет
|RK(I,J)|<=DX
BE=BE+1
|RY(I,J)|<=DY
20
Нет
TKO(I,J)=TG(I,J)+
TPR(I,J)+TZ+TUS
TS(J)=TS(J)+
TKO(I,J)
TPS(I,J)=TPS(I,J)+
+TKO(I,J)
TPR(J)= TPR(J)+
+TPR(I,J)
I=I+1
Рис. 2. (продолжение)
20
37
3
36
2
I>M
TPRE(I,J)=0
5
1
TPRS= TPRS+
+TPR(J)
J=J+1
G=G+1
TPR(J)=0
3
1
6
1
Печать G, BE, TPRS
TS,TPR, TOS, MPS
Конец
Рис. 2. (окончание)
3. Порядок выполнения работы
Для выполнения работы используются две программы, предусматривающие ввод разных комплектов исходных данных.
Порядок выполнения первой части работы
Запустить программу «lab002».
Согласовать с преподавателем структуру комплекса, маршрут
моделируемого процесса и циклограмму, составить перечень ис21
ходных данных и варьируемых значений параметров, используя
данные табл. 1.
Таблица 1
Наименование параметра
Число компонентов, устанавливаемых на плату, шт.
Количество плат, подлежащих сборке, шт.
Время установки компонента на плату, с Время захвата компонента
из накопителя, с
Время проведения процесса моделирования (время
смены)
Случайная величина,
равномерно распределенная в интервале [0,1]
Время поступления платы
на сборку, с Время восстановления
отказавшего технологического модуля, с
Время наработки РТК до
отказа, с
Емкость накопителя, шт.
Время смены
накопителя,с
Обозначение
1
2
3
4
5
i
200
450
370
250
170
j
TUS
TZ
Номер бригады
Для полной эмуляции рабочей смены
введите 1000000
2
1,2
1,5
1,2
1,0
1,2
1,1
T
1,5
1,2
1,0
8 часов
L
0.2
0.4
0.8
0.3
0.6
TPP
300
100
80
120
200
TV
40
200
60
120
300
TNO 30⋅106 38⋅106 36⋅106 45⋅106 40⋅106
ME
TSN
400
10
200
12
50
20
100
22
150
17
Таблица 2
r
Количество компонентов, устанавливаемых на платы за смену, шт.
z
Количество плат собранных за смену, шт.
TPP1
Время, потраченное на сборку плат, с
c Количество смененных накопителей за смену, шт.
m
Число отказов произошедших за смену (единицы)
T
Время, потраченное на устранение неполадок, с
E
Среднее время сборки одной платы, с
22
Ввести исходные данные из табл. 1 в соответствии с номером
бригады.
Запустить процесс моделирования.
Занести в протокол выходные результаты моделирования
(табл. 2).
Порядок выполнения второй части работы
Моделируются та же структура, маршрут и циклограмма, что и
в первой части работы.
Открыть файл рабочего окна «Лаб. №2».
Ввести исходные данные из табл. 3 в соответствии с номером
бригады.
Запустить процесс моделирования.
Занести в протокол выходные результаты моделирования.
Таблица 3
Наименование параметра
Обозначение
Номер бригады
1
Время работы комTраб.
плекса по обслужива600
комп
нию одной заявки, с
Периодичность посту300,
Tпост.
пления печатных плат
200,
ПП
на сборку, с 100
Время восстановления
отказав-шего элемен40
Tв
та технологическо-го
комплекса, с Время наработки комT0
30⋅106
плекса до отказа, с
Время захвата компоTзахв
2
нента из накопителя, с
Время установки комTуст
1,2
понента на плату, с Емкость накопителя,
Vнак
400
шт.
Время смены накопиTсм.
10
теля, с
нак
2
3
4
5
1200
900
1000
720
100,
200,
300
80,
180,
250
120,
180,
220
200,
250,
320
200
60
120
300
38⋅106
36⋅106
45⋅106
40⋅106
1,2
1,5
1,2
1,0
1,1
1,5
1,2
1,0
200
50
100
150
12
20
22
17
23
– Повторить этот процесс необходимое число раз, варьируя заданными значениями ТП.ПП (число процессов моделирования равно числу членов бригады).
Таблица 4
Kнк
(ВЕ)
Количество компонентов, сборка которых не выполнена
(нарушение условий собираемости)
Tсб
Среднее время сборки одной сборочной единицы (СЕ)
Tпр.СЕ
Среднее время простоя, приходящееся на одну СЕ
Kсм
Количество СЕ, собранных за смену
Ti сб
Средняя продолжительность одной сборочной операции
(сборки одного компонента)
Tпр.сум
Суммарное время простоев за смену
Рсб
Средняя вероятность выполнения сборочной операции
4. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных, введенных значений и варьируемых значений параметров;
– иллюстрации, поясняющие вариант постановки задачи (структура комплекса, принципиальная схема процесса, циклограмма и т. п.);
– схему решения задачи (укрупненную блок-схему алгоритма) и
основные расчетные выражения;
– выходные результаты моделирования;
– сравнительный анализ вариантов проведенного моделирования, выводы по работе с необходимыми иллюстрациями.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте задачи технологического проектирования,
решаемые с помощью имитационного моделирования.
2. Рассмотрите виды и назначение имитационных моделей.
3. На каких теоретических положениях основан аппарат имитационного моделирования ?
4. В чем состоит суть динамического имитационного моделирования?
5. Какие случайные события моделируются в работе?
24
6. Поясните смысл понятия «собираемость» для различных типов корпусов монтируемых компонентов.
7. Рассмотрите параметры входа технологического комплекса
в терминах теории массового обслуживания.
8. В каких состояниях может находиться канал обслуживания?
9. Как выполняется имитация случайных процессов при моделировании?
10. Как эффективно могут быть использованы определенные
при моделировании значения времен пролеживания объекта и простоя робота?
11. Какие основные задачи решены моделированием сборочномонтажного АТК?
Рекомендуемая литература
1. Сборник технологических задач с расчетом на ЭВМ: лабораторный практикум / Под ред. В.П. Ларина. [Электронный ресурс],
Инф. Система кафедры МиНТАП. 2011.
2. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим
процессом, экспериментом, оборудованием. М., Радио и связь,
2009.
3. Имитационное моделирование и функционально-стоимостной анализ: Методика. Система бизнес-моделирования. М.:
Современные технологии управления, 2011.
25
Лабораторная работа № 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ОБСЛУЖИВАНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ВАНН
ПРОМЫШЛЕННЫМ РОБОТОМ
Цель работы: проведении организационно-технологического
анализа процессов нанесения покрытий на металлические детали методами гальванического производства и исследовании выполнения процесса с применением имитационного моделирования.
На основе анализа исходных данных задания выполняется
разработка автоматизированного процесса нанесения покрытия.
Для заданной структуры участка гальванического производства
необходимо построить рациональную структуру системы обслуживания и определить оптимальные параметры системы, используя имитационное моделирование.
Основное назначение программы – проведение лабораторных
исследований при выполнении лабораторной работы по циклу
автоматизации технологических процессов приборостроения.
Варьирование исходными данными позволяет провести исследования всего комплекса задач проектирования и найти наиболее
рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.
Программа может быть использована также для выполнения
расчетов при разработке транспортно-технологических схем
производственных систем в курсовых и дипломных проектах.
1. Краткие теоретические сведения
Гальваническое производство выполняет двойную функцию
в производственном процессе изготовления изделий. Помимо
непосредственной функции – получения выбранного металлического слоя определенного вида и характеристик, выполняется функция регулирования материальных потоков деталей,
поступающих на гальванику в различные временные отрезки
партиями с выхода многих ТП (литейных, штамповочных, слесарных, сварочных, паяльных и др.), а затем на вход сборочных
ТП в определенное время уже в виде комплектов для сборки конкретных узлов и блоков.
26
Технологии гальванического производства
Виды технологических процессов гальванического производства
Существует две области гальванотехники. Одна занимается
осаждением тонкого слоя металла на другой металл для защиты
его от коррозии или декоративной отделки, придающей изделию
красивый внешний вид. К таким металлическим покрытиям относятся никелирование, хромирование, золочение, серебрение и
многие другие покрытия. Эта область гальванотехники называется
гальваностегией.
Цель гальваностегии придать готовым изделиям или полуфабрикатам определённые свойства: повышенную коррозионную
стойкость (цинкованием, кадмированием, лужением, свинцеванием), износостойкость трущихся поверхностей (хромированием,
железнением). Гальваностегия применяется для защитно-декоративной отделки поверхности (достигается никелированием, хромированием, покрытием драгоценными металлами). По сравнению
с издавна применявшимися методами нанесения покрытий (например, погружением в расплавленный металл) гальваностегическии метод имеет ряд преимуществ, особенно в тех случаях, когда
можно ограничиться незначительной толщиной покрытия. Все покрытия в гальваностегии должны быть прочно сцеплены с покрываемыми изделиями; для многих видов покрытий это требование
должно быть удовлетворено при любых формах обрабатываемой
детали. Прочность сцепления между покрытием и основой обеспечивается надлежащей подготовкой поверхности покрываемых изделий, которая сводится к полному удалению окислов и жировых
загрязнений путём травления или обезжиривания. При нанесении
защитно-декоративных покрытий (серебряных, золотых и т. п.) необходимо удалить с поверхности изделий оставшуюся от предыдущих операций шероховатость шлифованием и полированием.
Другая область гальванотехники – гальванопластика рассматривает получение легко отделяющихся, относительно толстых,
точных копий с различных предметов, так называемых матриц.
Процесс основан на электролизе водных растворов солей металлов,
которые при электролизе выделяют металл, осаждающийся толстым слоем (в мм) на поверхности детали.
Гальванопластика отличается от гальваностегии главным образом методами подготовки поверхности обратных изображений копируемых предметов-матриц и большей толщиной наращиваемого
27
металла (в десятки и сотни раз). Матрицы бывают металлические и
неметаллические. Преимущества металлических матриц заключаются в более лёгкой подготовке поверхности (чаще методом оксидирования) и возможности снятия большего количества копий. В качестве промежуточного поверхностного слоя на металлическую матрицу обычно наносят тонкую плёнку серебра (десятые доли мкм)
или никеля (до 2 мкм). Оба эти металла прекрасно оксидируются
при трехминутном погружении в 2–3%-й раствор бихромата и обеспечивают лёгкий съём наращенного слоя. Эффективно применение в качестве материала для металлических матриц оксидированного алюминия. Сообщение электрической проводимости лицевой
поверхности неметаллических матриц обычно осуществляется путём нанесения порошка графика.
Наиболее распространена медная гальванопластика, меньше –
железная и никелевая. Основная область применения гальванопластики – полиграфия. Гальванопластика широко применяется также при изготовлении волноводов, выполнении ремонтных и других
работ.
Анализ типовых технологических процессов
гальванических покрытий
Из гальванических способов нанесения покрытий для антикоррозионных или декоративных целей наиболее широко применяют:
– хромирование;
– никелирование;
– цинкование;
– меднение;
– железнение;
– анодирование.
Из химических покрытий применяют:
– оксидирование;
– фосфатирование
Гальванические покрытия получают из электролитов, в качестве которых служат водные растворы солей тех металлов, которые
необходимо нанести на детали. Катодом при этом служит деталь,
анодом – металлическая пластина. При прохождении тока через
электролит на катоде будет осаждаться металл, а анод будет растворяться. Для выполнения процессов применяются гальванические ванны, имеющие кислотоупорное покрытие и оборудованные
водяными рубашками. Гальванические процессы обычно проходят
28
при довольно высоких температурах и из электролита испаряются
вредные для здоровья газы. Поэтому ванны имеют местную вытяжную вентиляцию. Подвески подключаются в электрическую сеть
при помощи расположенных над ваннами шин напряжения.
Основным параметром процесса покрытий, требующим регулирования, является толщина, функционально связанная с многими параметрами процесса. Основные параметры, определяющие толщину покрытия, можно представить в виде функции
F = Ψ(I,Ph,t,T°,Θ), где I – плотность тока; Рh – кислотность (концентрация раствора); t – время выдержки в растворе; T° – температура раствора, Θ – уровень раствора в ванне.
Для получения качественного покрытия установленная температура электролита и плотность тока автоматически поддерживаются регуляторами. Существенно влияет на качество и состав электролита. В ходе электролиза состав изменяется, поэтому время от
времени восстанавливают первоначальный состав (концентрацию
и уровень в ванне).
Наиболее приемлемым параметром для обеспечения заданной
толщины является время выдержки детали в растворе при соблюдении величин параметров процесса.
Независимо от вида покрытия технологический процесс нанесения покрытия на детали заключается в подготовке деталей к нанесению покрытия, нанесении покрытия и обработке деталей после
покрытия.
Подготовка деталей к нанесению покрытия включает следующие операции:
– очистку деталей от окислов путём обработки полировальными
кругами с пастой;
– предварительное обезжиривание деталей растворителями;
– монтаж деталей на подвесное приспособление для последующего погружения их в ванну с электролитом и обеспечения надёжного электрического контакта с токоподводящей штангой;
– изоляцию поверхностей детали, которые не подлежат покрытию кислотостойкими материалами (лаком, плёнками и т. п.);
– обезжиривание наращиваемых поверхностей электрохимической обработкой в щелочных растворах или протиркой венской известью;
– промывку деталей в горячей и холодной воде с целью удаления щелочи и контроля качества обезжиривания;
– активацию (анодную обработку) поверхности детали с целью
удаления тончайших окисных плёнок. Перед хромированием ак29
тивацию производят в ванне для хромирования. Детали выдерживают под током на аноде 30-40 с, а затем переключают на катод для
наращивания металла. При железнении активацию производят
в ванне с 30%-м раствором серной кислоты. После активации детали металл наращивают в гальванических ваннах.
Обработка деталей после нанесения покрытия включает следующие операции:
– промывку деталей в холодной и горячей воде от остатков электролита;
– нейтрализацию в содовом растворе;
– демонтаж с подвесного приспособления;
– удаление изоляции;
– механическую обработку до требуемого размера.
Хромирование деталей проводят в электролите, который представляет собой водный раствор хромового ангидрида и серной кислоты. Анодом при этом служат пластины из свинца. Хромовые покрытия в отношении их функционального применения являются
одними из наиболее универсальных. С их помощью повышают
твердость, износостойкость, антифрикционные свойства поверхности изделий, инструмента, восстанавливают изношенные детали.
Широко применяется для защиты от коррозии и с целью декоративной отделки поверхности изделий. В зависимости от режима процесса можно получить различные по свойствам покрытия.
Толщина покрытия составляет до 18 мкм.
Технологический процесс хромирования состоит из трех этапов:
подготовки детали (механическая обработка, изоляция мест, не подлежащих покрытию, монтаж детали на подвеску, обезжиривание и
промывка, декопирование), собственно хромирования и обработки
после покрытия. После хромирования подвески с деталями ополаскивают в дистиллированной воде, чтобы избежать потерь хрома
в электролите. Затем детали нейтрализуют в растворе кальцинированной соды и несколько раз промывают в воде. После демонтажа деталей с подвески убирают защитные колпаки и лак. Хромированные
детали выдерживают несколько часов в масляной ванне при температуре 180...200 °С для повышения пластичности покрытия.
Электролитическое никелирование в ряде случаев может
успешно заменить хромирование при ремонте. В качестве электролита применяют водный раствор сернокислого никеля (массовой
концентрацией 175 г/л), хлористого никеля (50 г/л) и фосфорной
кислоты (50 г/л). Процесс протекает при растворимых никелевых
анодах. Режим электролиза: плотность силы тока 5–40 А/дм2, тем30
пература электролита 75–95 °С. Никелевые покрытия имеют достаточно высокую износостойкость и высокие декоративные характеристики. Никелем покрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты их от коррозии, декоративной
отделки поверхности, повышения сопротивления механическому
износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокую антикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторых органических кислотах, что в значительной
степени, обусловлено сильно выраженной способностью никеля
к пассивированию в этих средах. Покрытие хорошо полируется и
может быть легко доведено до зеркального блеска. Возможно получение покрытия Нб (никель блестящий) в ванне колокольного типа. Шифр покрытия: Н, Нб. Толщина покрытия определяется его
назначением и составляет от 3 до 30 мкм.
Цинковые покрытия находят самое широкое применение в различных промышленных и производственных сферах. Идеальным
решением является гальваническое цинкование стальных деталей,
эксплуатация которых осуществляется в помещениях, загрязненных продуктами сгорания или газами или закрытых помещениях
с умеренной влажностью, в атмосфере различных промышленных
и климатических районах. Покрытие широко применяют для защиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, водопроводных труб, питательных резервуаров, соприкасающихся с пресной
водой при температуре не выше 60–70 °С, а также для защиты изделий из черного металла от бензина и масла и др. Наиболее массовое
применение цинкования – защита от коррозии мелких крепежных
деталей. Цинкование проводят в сернокислых электролитах, в состав которых входят: сернокислый цинк (200–250 г/л), сернокислый аммоний (20–30 г/л), сернокислый натрий (50–100 г/л) и декстрин (8–12 г/л). Наносят покрытие в специальных вращающихся
барабанах или колоколах при комнатной температуре электролита
и плотности силы тока 3–5 А/дм.
Цинковое покрытие имеет светло-серый или серебристо-серый
с голубоватым оттенком цвет. Для придания изделию эстетичного
внешнего вида и усиления антикоррозионной устойчивости оцинкованное изделие подвергают пассивации, например, с хроматированием. В результате этого процесса на поверхности оцинкованного изделия образуется дополнительная прочная пленка из оксида
цинка золотисто-желтого цвета (Ц.хр) или бело-голубого (Ц.бц).
Технология гальванического цинкования металлов включает
такие операции:
31
– контроль поверхности подвергаемого гальванике основного
металла, в процессе которого определяется качество обработки поверхности изделия и отсутствие недопустимых дефектов, смазки,
стружки, остатков эмульсии. Проверяются шероховатость поверхности, величина которой для слоя под защитное покрытие не должна превышать величины Ra 10 (Rz 40), а под защитно-декоративное
покрытие – Ra 2,5 (Rz 10). Детали, имеющие заусенцы, окалины,
трещины, расслоения, поры, раковины и коррозионные повреждения к процессу покрытия не допускаются до полного устранения
указанных дефектов;
– обезжиривание с погружением в раствор с целью удаления
остатков смазки, маркировочной краски, эмульсии;
– промывка в проточной воде;
– травление в растворе соляной кислоты с удалением загрязнений, ржавчины, солей и окалины;
– основная операция с покрытием в растворе электролита в соответствии с требованиями, заложенными в конструкторской и
нормативно-технической документации на проведение технологического процесса гальванического цинкования;
– промывка и осветление в азотной кислоте с удалением окисных пленок, дополнительная промывка;
– пассивация с нанесением дополнительного защитного слоя;
– промывка и сушка гальванически оцинкованных изделий;
– контроль внешнего вида, толщины нанесенного слоя и прочности сцепления покрытия с основным металлом.
Кадмирование. Химические свойства кадмия аналогичны свойствам цинка, однако он более устойчив в кислых, нейтральных и
щелочных растворах. В паре с железом кадмий также является
анодом, и поэтому кадмий относится к категории защитных покрытий, особенно в условиях воздействия хлоридов и сульфатов
(морская атмосфера). На поверхности кадмия в атмосферных условиях образуются продукты его коррозии в виде пленки толщиной
5–10 мкм, которая, как и в случае цинкового покрытия, несколько
тормозит коррозионный процесс. Защитные свойства кадмиевого
покрытия значительно повышаются дополнительной обработкой
в хроматных растворах (пассивированием) или фосфатированием.
Кадмирование осуществляют в кислых, цианистых и аммиакатных электролитах.
Кислые электролиты обладают низкой рассеивающей способностью, и их применение обычно ограничивается деталями несложной формы.
32
Для улучшения коррозионной устойчивости кадмиевого покрытия и улучшения его декоративных качеств применяют хроматирование – обработку кадмия в хроматных растворах, в результате
которой на металле образуются пассивные пленки, аналогичные
пассивным пленкам, получаемым на цинковых покрытиях.
Операции хроматирования предшествует операция осветления,
которая производится погружением кадмированных деталей на
2–5 с в 1–3 %-й раствор азотной кислоты или 2 %-й раствор перекиси водорода в 0,5 %-м растворе серной кислоты.
Меднение – это процесс гальванического нанесения слоя меди
толщиной от 1 мкм до 300 мкм и более. Медные покрытия обладают
высоким сцеплением (адгезией) с различными металлами, высокой
пластичностью и электропроводностью. Области применения деталей с меднением зависят от того, используется ли медное покрытие
отдельно, или же медное покрытие выступает подслоем (подложкой) для нанесения других гальванических покрытий. Медные покрытия наносятся на стальные, алюминиевые и цинковые детали.
В атмосферных условиях медные покрытия легко окисляются и
покрываются налетом окислов, приобретая радужные разводы и
пятна разных оттенков. Только что нанесённое медное покрытие
имеет яркий розовый цвет (блестящий или матовый, в зависимости
от технологии нанесения).
Меднение используется:
– в декоративных целях. В настоящее время большой популярностью используются старинные медные изделия. Гальваническое
меднение позволяет наносить медные покрытия, которые после
специальной обработки «состариваются» и выглядят так, словно
были изготовлены давно;
– в гальванопластике. Гальваническое меднение применяется
для изготовления металлических копий изделий различной формы
и размеров. Создаётся восковая или пластиковая основа, которая
покрывается электропроводящим лаком и, впоследствии, слоем
меди. Такая технология меднения часто используется при изготовлении сувениров, ювелирных изделий, барельефов, волноводов и
матриц;
– в технических целях. Большое применение меднение металла
находит в электротехнической и электронной областях техники.
Благодаря низкой цене меднения по сравнению с покрытием серебром или золотом, медные покрытия часто применяются при меднении электротехнических шин, контактов, электродов и других
элементов, работающих под напряжением. Огромную роль медне33
ние играет как покрытие под пайку при изготовлении печатных
плат по аддитивной и полуаддитивной технологиям;
– при нанесении многослойных покрытий. Как правило, в сочетании с никелем и хромом (трёхслойное защитно-декоративное
покрытие) и другими металлами в качестве промежуточного слоя
для повышения сцепления с металлом основы и получения более
прочных и блестящих покрытий;
– для предохранения участков при цементации. Меднение часто используется для предохранения участков стальных деталей
от цементации (науглероживания). Медью покрываются только
те участки, которые в дальнейшем подлежат обработке резанием
(твёрдые науглероженные поверхностные слои не поддаются такой
обработке, а медь защищает покрытые участки от диффузии в них
углерода);
– при ремонте и восстановлении изделий. Меднение металла часто применяется в реставрационных работах при восстановлении
хромированных частей техники, при этом наносится большой слой
меди 100–250 мкм и более, который закрывает поры и дефекты металла, шлифуется и выполняет роль новой основы для нанесения
последующих покрытий.
Примеры деталей с гальваническим меднением:
Медные покрытия применяют для повышения электропроводности, а также как промежуточный слой на изделиях из стали,
цинка, цинковых и алюминиевых сплавов перед нанесением никелевого, хромового и других видов покрытий, для лучшего сцепления или повышения защитной способности. Шифр покрытия: М.
Толщина покрытия составляет от 3 до 30 мкм.
В процессе меднения используют два вида медных электролитов: кислые и щелочные, поэтому применяют следующее: наносят
первый слой меди, который составляет 2–3 мкм, в щелочном электролите. А далее, в более экономичном кислом электролите, наращивают покрытие до нужной толщины. Наиболее часто при меднении применяют простой и невысокой стоимости сернокислый
электролит, который состоит из водного раствора медного купороса (200–500 г/л) и серной кислоты (50–75 г/л). Покрытие наносят
при использовании растворимых медных анодов при режиме: плотность силы тока 1–3 А/дм, температура электролита 18–20 С.
Особое место меднение занимает в производстве печатных плат
(ПП). В основном применяют химическое меднение, а наращивание
толщины покрытия осуществляют гальваническим способом. Это
относится к проводникам и металлизированным отверстиям ПП.
34
В качестве примера рассмотрим операции, выполняемые на технологической линии меднения при производстве ПП. Линия представляет собой двухрядную компоновку ванн. Первый ряд ванн
предназначен для проведения технологических операций химического меднения с гальваническим меднением (затяжкой):
– 1,2 – выгрузка, загрузка;
– 3 – сушка;
– 4, 14, 22 – струйная промывка;
– 5, 9, 17 – улавливание;
– 6, 7 – гальваническое меднение (затяжка);
– 8, 19, 20 – активирование;
– 10, 11, 12 – химическое меднение;
– 13 – промывка в дистиллированной воде;
– 15 – обработка в ускорителе;
– 16 – электрополировка;
– 18 – активирование в совмещенном растворе;
– 21 – подтравливание;
– 23 – обезжиривание.
Второй ряд ванн предназначен для проведения технологических
операций гальванического меднения с нанесением сплава оловосвинец;
– 1,2 – выгрузка, загрузка;
– 3 – сушка;
– 4 – травление меди с подвесок;
– 5, 10, 18 – струйная промывка;
– 6, 11 – улавливание;
– 7,8 – осаждение сплава олово-свинец;
– 9,16 – активирование;
– 12, 13, 14, 15 – гальваническое меднение;
– 17 – подтравливание;
– 19 – обезжиривание.
Перемещение подвески с кассетами осуществляется автооператорами, позиционирование которых происходит за счет применения бесконтактных датчиков программируемого устройства
согласно циклограмме. На поперечной раме установлен механизм
покачивания, производящий прямолинейные колебания кассет
с заготовками ПП в процессе обработки с заданной амплитудой и
частотой.
В качестве электролита при железнении применяют водный
раствор хлористого железа, содержащий небольшое количество соляной кислоты. Железнение проводят с растворимыми анодами,
35
которые изготовляют обычно из малоуглеродистой стали 08 или
10. Свойства железных покрытий, как и хромовых, зависят от режима их нанесения. Микротвёрдость Нм покрытия увеличивается
с повышением плотности DK силы тока на катоде и с понижением
температуры электролита.
Процесс анодирования заключается в электролитическом образовании защитного оксидного покрытия на поверхности металла. В промышленности этот процесс в основном используется
для создания покрытий на изделиях из алюминия и его сплавов.
Полученная в процессе анодирования пленка является коррозионностойкой в атмосферных условиях, обладает хорошими электроизоляционными свойствами, а пористое покрытие хорошо адсорбирует красители. Последнее позволяет получать поверхности разнообразной цветовой гаммы. Шифр покрытия: Ан.Окс нхр, Ан.Окс.
нв, Ан.Окс.черн.
Анодирование увеличивает прочность сцепления с лакокрасочными покрытиями, обеспечивает прочность сцепления с гальваническими покрытиями, повышает коррозионную стойкость, дает
возможность окрашивать поверхность в различные цвета, повышает твердость, стойкость к износу трением, электросопротивление и
теплоизолирующие свойства.
Продолжительность процесса анодирования 50–60 мин.
Напряжение на ванне составляет 40–50 В, затем постепенно повышается до 100 В.
Последовательность технологических операций подготовки поверхности под анодирование определяется исходным состоянием
поверхности, требуемой шероховатостью поверхности, имеющимся оборудованием и материалами.
Все подготовительные операции делят на четыре группы:
1) предварительная обработка (грубая очистка, грубое травление, обдувка кварцевой крошкой и дробью);
2) основная обработка (галтовка, крацевание, гидропескоструйная обработка, шлифование, травление);
3) окончательная обработка (полирование механическое, химическое, электрохимическое);
4) очистка (обезжиривание химическое, электрохимическое;
ультразвуковая очистка; удаление пассивной пленки).
Операции четвертой группы практически не изменяют размеров
изделий.
Обычно операциям предварительной обработки подвергают детали, изготовленные методом литья, когда необходимо удалить
36
остатки формовочной смеси, литейной корки, грубых поверхностных дефектов.
Для грубого травления применяют растворы с большой концентрацией веществ и, соответственно, большой скоростью травления
металла.
При щелочном травлении алюминиевых сплавов, содержащих
железо и медь, поверхность после травления приобретает темный
цвет. Удалить этот налет можно, погрузив деталь на несколько
минут в 20–40 %-й водный раствор азотной кислоты (операция осветления). Для сплавов, содержащих кремний, рекомендуется раствор с фтористоводородной кислотой.
Для операций грубого травления алюминиевых сплавов в щелочных ваннах характерно активное стравливание металла, которое обычно составляет 3–20 мкм/мин. Так как продукты коррозии защитными свойствами не обладают, то глубина стравливания почти пропорциональна времени нахождения детали в ванне.
Повышение температуры очень резко интенсифицирует процесс.
Операции предварительной обработки обеспечивают параметр шероховатости поверхности Rz < 80 мкм.
На стадии основной обработки деталь приобретает размеры,
близкие к заданным. Часто для деталей со сравнительно гладкой
поверхностью обработка начинается с этих операций.
Гидропескоструйную и дробеструйную обработку выполняют
воздействием на поверхность струи песка или дроби. Диаметр зерен песка обычно составляет 0,1– 0,3 мм, давление сжатого воздуха
0,1–0,5 МПа. В последнее время пескоструйная обработка практически полностью заменена гидропескоструйной.
Очистку изделий обычно выполняют в шкафах или гидропескоструйных аппаратах. Наблюдают за обрабатываемыми деталями через смотровые стекла. Гидропескоструйные установки имеют специальный бункер для смешения абразива с водой. Гидропескоструйную
обработку деталей из алюминиевых сплавов рекомендуется проводить в камере из алюминиевых листов. При обработке в стальных
камерах поверхностный слой алюминия может насытиться частицами железа. Пескоструйная или гидропескоструйная обработка
не рекомендуется для мягких сплавов алюминия, так как частицы
кварцевого песка внедряются в поверхностный слой.
Небольшие заусенцы и травильный шлам удаляют с поверхности изделий крацеванием щетками из стальной или латунной
проволоки диаметром от 0,05 до 0,5 мм на станках или вручную.
Линейная скорость рабочей части щетки обычно не превышает
37
1000 м/мин. Иногда крацевание проводят с применением смачивающей жидкости (воды, содовых или мыльных растворов).
При галтовке обрабатываемые детали загружают во вращающийся барабан или колокол. Вместе с деталями загружают полирующие элементы (стальные шарики или цилиндрики. речной песок, фарфоровый бой и т. д.). Детали обрабатываются в результате
взаимного трения и трения о полирующие элементы. При сухой
галтовке в качестве полирующих материалов применяют древесные опилки несмолистых пород деревьев. Мокрую галтовку часто
проводят с применением обессоленной воды, в которую добавлено
3–5 г/л хозяйственного мыла. Ее также можно совмещать с процессами травления и обезжиривания. Для этого применяют обычные
травильные и обезжиривающие сильно разбавленные растворы.
Частота вращения галтовочных барабанов обычно составляет
10–60 об/мин. Стальные барабаны часто имеют шести- или восьмигранную форму, футерованы изнутри деревом или пластмассами.
Галтовка является длительным процессом (от нескольких часов до
нескольких суток).
Мокрая галтовка дает очень хорошие результаты при обработке
средних и мелких деталей и позволяет на одном и том же оборудовании выполнять операции травления, обезжиривания, полирования и глянцевания.
Разновидностью галтовки является виброгалтовка (18).
Особенностью этого метода является то, что детали, абразив и наполнитель загружаются в барабан, которому сообщают колебания
переменной частоты и амплитуды. Амплитуда колебаний обычно
составляет 7–15 мм; частота колебаний лежит в пределах 1000–
1500 Гц. В качестве абразивного материала применяют шлифпорошок зернистостью 4. Продолжительность процесса составляет 2–3
ч. Виброгалтовку выполняют, например, в установках ПР-376А и
ПР-355А. Последние могут быть составной частью автоматических
и механизированных линий.
Виброгалтовка может быть осуществлена с применением растворов, ускоряющих процесс В качестве рабочей жидкости для
шлифования алюминиевых и магниевых сплавов может быть рекомендован 0,8 %-й водный раствор тринатрийфосфата, для полирования – 1 %-й водный раствор хромового ангидрида или 2 %-я
мыльная эмульсия.
Виброгалтовку следует применять для обработки мелких легкодеформируемых деталей, а также когда требуется обеспечить высокостабильную точность съема металла.
38
Шлифование – абразивная обработка, при которой инструмент совершает только вращательное движение, которое является главным движением резания, а заготовка – любое движение.
Для обдирочного шлифования обычно применяют круги, изготовленные из абразивного материала, скрепленного керамической,
минеральной или растительной связкой, смолами или жидким
стеклом. Направление обработки при различных переходах рекомендуется изменять под углом 30–90°. В этом случае уменьшается вероятность появления длинных рисок. Для быстрого удаления рисок от предыдущего перехода зернистость шлифовального
круга должна быть меньше. Обычно при шлифовании выполняют
четыре–семь переходов со сменой кругов на круги с более мелкой
зернистостью.
Для изготовления абразивных инструментов часто применяют
электрокорунд, состоящий в основном из оксида алюминия. Так,
нормальный электрокорунд содержит 92–95 % оксида алюминия.
В белом электрокорунде количество оксида алюминия составляет
97–99 %. Для увеличения шлифующей способности абразивных
кругов в электрокорунд вводят оксид титана, циркония, хрома.
Например, применение хромистого электрокорунда увеличивает
производительность на 20–30% по сравнению с белым электрокорундом. Циркониевый электрокорунд обладает высокой прочностью. Шлифовальные круги из него имеют стойкость при обдирочном шлифовании в 10–40 раз выше стойкости инструмента из
нормального электрокорунда.
Для обработки мягких и вязких материалов (пластмасс, цветных металлов и других) применяют сферокорунд. В процессе шлифования его сферические зерна разрушаются, образуя острые режущие кромки, что обеспечивает высокопроизводительную обработку при малом выделении теплоты.
Анодирование может быть применено для получения покрытий
на меди, латуни, бронзе. Полученные пленки имеют черный цвет и
обладают коррозионной стойкостью. Их толщина может быть 0,8–
24 мкм. В качестве катодов применяют стальные или никелевые
пластины. Начальная плотность тока составляет 0,1–0,5 А/дм2.
Затем ее повышают до заданного значения.
При анодировании тантала, цинка и хрома пленки могут достигать значительной толщины (20–100 мкм). Катод выполняют из
свинца или коррозионно-стойкой стали. Покрытие имеет черный
цвет. Покрытие на хроме предназначено для применения главным
образом в оптике как светопоглощающее.
39
Покрытия на кадмии имеют белый цвет. Анодирование ведут
с применением катодов из коррозионно-стойкой стали. Оксиды на
кадмии не защищают от коррозии, и их рекомендуется покрывать
лаком или пропитывать минеральными маслами.
В электронике широко используется диэлектрическое оксидирование алюминия и его сплавов. Этот вид получения неорганических пленок на пластинах алюминия позволяет получать
основания для так называемых металлических печатных плат.
Электролит состоит из раствора щавелевой, лимонной и борной
кислот. Время оксидирования 30–180 мин, Оксидные пленки,
полученные из этого электролита, обладают низкой пористостью,
микротвердостью до 550 кг/мм, толщиной до 50–100 мкм и пробивным напряжением 1500–2000 В.
Большие возможности для решения декоративных задач имеет
окрашивание анодных оксидов.
Окрашивание производят уже готовых анодных оксидов или
оксидов в процессе их формирования. В первом случае окрашивание возможно за счет адсорбции в порах пленки органических
красителей или неорганических пигментов; за счет последовательной обработки пленки в двух растворах, содержащих анион и
катион окрашивающего вещества, и образования в порах пленки
окрашивающих химических соединений; за счет осаждения в порах окрашивающих веществ из солей металлов при электролизе.
Во втором случае окрашивание происходит за счет включения
в состав оксида составляющих сплава или адсорбции продуктов
разложения составляющих электролита.
Качество окрашивания в значительной мере определяется
материалом сплава, состоянием поверхности детали, толщиной
пленки и методом анодирования. Окраску чистых тонов невозможно получить на высоколегированных сплавах. Наиболее подходят для окрашивания оксиды, полученные на техническом
алюминии или сплавах алюминия с магнием и марганцем. На
литейных сплавах с высоким содержанием кремния сложно получить однородную окраску светлых тонов. Для адсорбционного
окрашивания хорошо подходят оксиды, полученные в серной кислоте; они бесцветны, прозрачны и хорошо впитывают и удерживают красители.
Органические красители позволяют получить широкую гамму чистых и ярких цветов, но их светостойкость невелика.
Возможности неорганических пигментов беднее. Некоторые неорганические пигменты также обладают невысокой светостойко40
стью. Анодированный алюминий часто окрашивают в декоративных целях, имитируя золото, бронзу, медь. Окраска несколько
повышает коррозионную стойкость.
Разновидностью процесса анодирования является технологический процесс, известный под названием эматалирования,
в результате которого на поверхности металла (алюминия и его
сплавов) образуются непрозрачные пленки молочного цвета, напоминающие по внешнему виду эмаль, пластмассу, фарфор и т. п.
и обладающие рядом ценных свойств.
Для эматалирования используют электролиты на основе кислот, растворяющих оксид, с добавками солей циркония, титана,
тория и других элементов, а также полиспиртов в качестве пластификаторов. Шифр покрытия: Ан.Окс.эмт.
Эматалированные изделия имеют улучшенный декоративный вид, повышенное сопротивление воздействию коррозионных
сред, термических ударов, органических растворителей и пищевых продуктов. Эматалирование используют в производстве медицинских инструментов, изделий торгового оборудования, светотехнической аппаратуры и санитарно-технического назначения,
а также в приборостроении и т. д.
Оксидирование – обработка стальных деталей в горячих щелочных растворах, содержащих окислители. При этом на поверхности деталей образуется оксидная пленка толщиной 0,6–1,5 мкм,
которая имеет высокую прочность и надёжно защищает металл
от коррозии. Для оксидирования используют раствор едкого натрия (700–800 г/л) с добавкой в качестве окислителей азотнокислого натрия (200–250 г/л) и азотистокислого натрия (50–70 г/л)
при температуре раствора 140–145 °С в течение 40–50 мин. После
такой обработки детали промывают в воде. Для закрытия пор
в покрытии его пропитывают в машинном масле при температуре
110–115 °С.
Фосфатирование – это химический процесс создания на поверхности стальных деталей пленок, состоящих из сложных солей
фосфора, марганца и железа. Защитная пленка имеет толщину
8–40 мкм, обладает пористостью, имеет небольшую твердость и
хорошо прирабатывается. Фосфатирование проводят в 30–35 %-м
водном растворе препарата на основе ортофосфорной кислоты при
температуре 95–98 °С в течение 30–50 мин. Таким способом выполняют также восстановление стальных деталей подвергнувшихся
коррозии и как основу для грунта при окраске.
41
Автоматизация технологических операций
гальванического производства
Гальваническое производство относится к числу вредных производств и поэтому присутствие обслуживающего персонала при выполнении процессов должно быть в максимальной степени устранено. В настоящее время участки гальванического производства
проектируются как комплексно автоматизированные технологические системы. Типовая структура цеха приведена на рис. 1.
Участок монтажа
демонтажа
подвесок (1)
Участок контроля
(4)
Гальванический участок
(2)
Участок подготовки
растворов (3)
Рис. 1. Типовая структура цеха гальванического производства
Укрупненно все автоматизированные операции гальванического производства составляют две группы: автоматизированное
управление режимами в технологических ваннах; автоматизированное управление транспортированием объектов по ходу процесса. При этом автоматизируются следующие функции технологической системы:
– автоматизированная подготовка растворов;
– загрузка программ в устройства управления оборудованием;
– управление работой линий;
– управление технологическими режимами в ваннах;
– управление транспортированием по ходу ТП (перемещения от
ванны к ванне и загрузка-извлечение подвесок);
– распределение по линиям;
– управление позициями накопления подвесок;
– межучастковое транспортирование (вход и выход гальванического участка).
Моделирование процессов непосредственного формирования
функционального покрытия выполняется на основе параметрических моделей. В качестве примера рассмотрим параметрическую
модель процесса анодного оксидирования. На выполнение процесса оказывают влияние внешние возмущения – концентрация посторонних ионов в электролите (Z), состояние поверхности покрываемого металла (K), вынос электролита в процессе промывки (Y),
42
испарение электролита (I), опыт оператора (O). Несмотря на то, что
перечисленные параметры изменяются стохастически, их влияние
нужно учитывать при управлении процессом нанесения гальванопокрытий.
Входными воздействиями, обеспечивающими желаемое поведение технологического процесса нанесения гальванопокрытия
анодной пленки, являются, прежде всего, мощность, подаваемая
на нагревательные тэны (P), концентрация компонентов электролита (C), длительность ТП (τ), площадь покрываемых деталей (S),
уровень электролита (L), качество предварительной обработки металла (Н).
Выходными управляемыми воздействиями являются температура (Т) и уровень электролита (L), кислотность электролита (pH),
длительность ТП (τ), плотность тока (j).
Температура электролита. Для получения покрытий высокого качества требуется соблюдение предельного температурного режима. Повышение температуры приводит к повышению выхода по
току, осадки получаются более пластичными, уменьшается наводороживание, снижаются внутренние напряжения. Однако слишком высокая температура электролита и завышенная плотность
тока могут служить причиной образования рыхлой сползающей
пленки. Предотвращение перегрева электролита являет одним из
основных условия получения качественного покрытия. К тому же
температура электролита влияет на стоимость работы и на условия
труда, так как чем выше температура, тем больше теплопотери ванны и испарения. Это вынуждает стремиться к предельному снижению температуры электролита и повышать ее только в тех случаях,
когда это требуется для снижения твердости осадка.
Длительность ТП. Качество гальванических покрытий в большей степени зависит от точной регламентации длительности экспозиции деталей в гальванических ваннах, обусловленной требованиями конкретной технологии их обработки определяемой скоростью
осаждения металла до заданной толщины. Она является одним из
основных параметров, контроль которых необходим почти всегда.
Для каждой температуры существует оптимальная длительность процесса анодного оксидирования, уменьшающаяся с повышением температуры. Более длительное анодное оксидирование по
сравнению с оптимальным (по времени) не приводит к утолщению
анодной пленки, так как в этих условиях преобладающую роль начинает играть процесс растворения пленки, в результате чего она
разрыхляется и защитные свойства ее снижаются.
43
Уровень электролита. Уровень электролитов и растворов является важным параметром, характеризующим состояние гальванических ванн. Его изменения вызваны испарением электролитов и
растворов в окружающую среду и их выносом из ванн деталями.
Учитывать изменение уровня электролитов и растворов особенно
важно при длительном времени обработки деталей в гальванических ваннах, так как возможны случаи неполного погружения деталей, в результате чего ухудшается качество их обработки. Кроме
того, уровень электролита обуславливает электрический режим
ванны, поскольку его изменения сказываются на величине ее сопротивления.
рН раствора. Обеспечение заданного по технологии состава
электролита является необходимым условием нормального функционирования любого гальванического процесса. В этой связи
большое значение приобретают вопросы регулирования кислотности и концентрации электролита. Регулирование концентрации,
как правило, ограничивают стабилизацией значения рН электролита, величина которого играет существенную роль при электроосаждении металлов, обладающих более электроотрицательными
потенциалами, чем водород. Так, при низком значении рН уменьшается твердость покрытия, сокращается выход по току, увеличивается пластичность. Высокие значения рН, наоборот, снижают
пластичность, увеличивают твердость и выход по току.
Толщина электрохимических покрытий. Толщина покрытия
является величиной, связывающей три важных параметра процесса гальванопокрытия: длительность ТП, температуру электролита
и плотность тока.
Толщина электрохимических покрытий (δ) согласно закону
Фарадея зависит от плотности тока (ik) и продолжительности электролиза (τ) и может быть вычислена с учетом выхода по току и электрохимического эквивалента (Э) по формуле:
i ⋅ τ⋅Ý
δ= k
,
p
где р – плотность осаждаемого металла.
Концентрация посторонних ионов в электролите. Гальванопокрытия захватывают некоторое количество примесей из содержащихся в электролите компонентов. Фактически все, что имеется
в растворе, может попасть в покрытие – как специально вводимые
добавки, так и неконтролируемые загрязнения. К таким примесям
относятся: продукты разложения органических добавок; катионы
44
металлов, содержащихся в промывочной воде; катионы металлов,
переходящие в электролит с поверхности обрабатываемых деталей,
механические примеси (пыль из воздуха рабочей зоны, анодный
шлам). В результате влияния посторонних примесей могут ухудшиться механические свойства покрытий: охрупчивание, появление темного налета в виде точек и пятен и др.
Построение имитационной модели
В лабораторной работе моделируются процессы, выполняемые
на гальваническом участке (участок 2 на рис. 1). Расписание работы робота (ПР2 на рис. 2), обслуживающего технологические установки (ванны), выполнимо тогда и только тогда, если соблюдаются
следующие четыре условия: 1) А1 – одна и та же технологическая
установка может быть занята только одним объектом-заявкой (подвеской с деталями, комплектом плат, кассетой и др.); 2) А2 – один
робот может выполнять в данный момент времени только один
цикл движения (цикл 0 – перемещение без объекта от ванны к ванне; цикл 1 – взятие объекта, перенос его от ванны к ванне, опускание объекта в ванну); 3) А3 – робот имеет в соответствии с расписанием достаточный запас времени для выполнения того или иного
цикла; 4) А4 – время выполнения операций для каждого объекта
находится в заданных пределах.
Первая задача заключается в разработке программы управления роботом-автооператором для обслуживания гальванической
линии, реализующей конкретный ТП покрытия. Критерий управления – время выдержки в каждой ванне линии.
Вторая задача следует из необходимости максимизации загрузки линии. Реализуется путем возможно быстрой загрузки первой
ванны (освободившейся) при появлении заявки из входного накопителя линии (см. алгоритм на рис. 3).
Алгоритм решения задачи и его описание
Исследуемая модель представляет собой имитацию действий и
движений, выполняемых при функционировании гальванического участка, пример схемы которого показан на рис. 2. Участок содержащит станцию загрузки-разгрузки («З-Р»), накопительные
позиции гальванических линий (Н1–Н5), технологические ванны,
перегружатель ПР1, роботы-автооператоры (ПР2). Для упрощения
рассматривается обслуживание только одной линии с устройства45
ПР2
2
Н1
Сч. У
Н2
Н3
Н4
Н5
ПР1
Станция «З-Р»
Рис. 2. Роботизированная линия гальванических ванн
ми Н1, ваннами и ПР2. Роботы ПР1 и ПР2 обслуживают все указанные устройства и работают одновременно.
Логика модели построена таким образом, что при работе в режиме получения расписания и при нарушении хотя бы одного из
четырех указанных выше условий проводится идентификация возникшей конфликтной ситуации (коллизии). По результатам идентификации конфликта определяется необходимая коррекция на
время входа заявки в систему (линию). Критерием оптимального
обслуживания является максимальное использование ванн или
минимум простоя каждой из них.
При отсутствии заявок на входе линии ПР2 осуществляет обслуживание загруженной заявки по заданному временному графику.
Конфликты возникают при поступлении новой заявки, которая
встает в очередь в накопителе Н1.
Возможны три различные ситуации при поступлении новой
заявки: 1) первая ванна занята; 2) занят робот, обслуживающий
данную линию; 3) первая ванна свободна, но время обслуживания
новой заявки (загрузка первой ванны) больше, чем время, оставшееся до окончания критичной операции. Критичной операцией является та операция, время выполнения которой жестко ограничено. Например, длительность операций промывки ограничена только снизу и превышение длительности промывки допустимо, если
требуется разгрузка операции формирования покрытия, у которой
временное ограничение установлено снизу и сверху.
2. Порядок выполнения работы
Параметры ввода задаются преподавателем в зависимости от
предлагаемого для моделирования ТП нанесения определенного
покрытия. В данном случае вид операций в ваннах носит формаль46
Завершен кадр программы,
первая ванна свободна
Есть заявка
навходе линии ?
Следующий кадр
программы n= I* ?
Нет
Да
Нет
Время tзагр первой
ванны > tож кадра
I*?
Да
Нет
Включение подпрограммы
движения к входному
накопителю и загрузка
первой ванны
Продолжение обслуживания
линии по программе
Рис. 3. Алгоритм работы автооператора линии ПР2. В алгоритме:
I* – команда программы на обслуживание ванны с ограничением на
длительность (разгрузка обязательна !)
ный характер. Параметрами моделирования являются количество
ванн в линии и временные параметры.
Например, ТП анодного оксидирования реализуется на линии,
состоящей из следующих операционных ванн: травления, промывки в теплой воде, осветления, промывки в холодной проточной воде, анодирования, промывки в холодной проточной воде, промывки в горячей воде, наполнения анодной пленки.
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных, введенных значений и варьируемых значений параметров;
– иллюстрации, поясняющие вариант постановки задачи
(структура комплекса, принципиальная схема процесса, траектории перемещений и т. п.);
47
– схему решения задачи (блок-схему алгоритма) и основные расчетные выражения;
– выходные результаты проектирования (расчета);
– сравнительный анализ вариантов решенной задачи, выводы
по работе с необходимыми иллюстрациями.
Контрольные вопросы
1. Какие функции моделируются в процессе работы?
2. Какие состояния моделируются в системе и как они задаются?
3. Как разрешаются ситуации занятости ПР или технологических установок?
4. Какие параметры характеризуют эффективную работу системы обслуживания ?
Рекомендуемая литература
1. Shapiro С. W., Миttle Н. L. W. Hoist Scheduling for a PCB electroplating facility // IEEE Transact. 1988. V. 20. № 2. Р. 157–167.
2. Корендясев А. И., Серков Н. А. Гибкое автоматизированное
производство, свойства, уровни автоматизации, моделирование//
Проблемы машиностроения и автоматизации / Междунар. центр
науч.-техн. информ. 1985. Вып. 5. С. 23–28.
48
Лабораторная работа № 4
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
Цель работы: проведение анализа взаимодействия лазерного
излучения с обрабатываемыми материалами, определение характеристик и параметров технологических операций лазерной обработки; определение рационального режима операции лазерной сварки, обеспечивающего требуемое качество соединения, на основе варьирования исходными данными характеристик технологической
операции лазерной сварки и параметров свариваемых деталей.
1. Краткие теоретические сведения
Принципы работы технологических лазеров
Большинство лазерных технологий, предназначенных для обработки материалов, связано с интенсивным нагревом поверхности
под действием лазерного излучения необходимой мощности.
При облучении поверхности тела светом энергия квантов (порций) света поглощается этой поверхностью. Образуется теплота,
температура поверхности повышается. Если световую энергию
сконцентрировать на малом участке поверхности, можно получить
высокую температуру. На этом основаны все технологические операции с использованием концентрированной энергии светового луча оптического квантового генератора – лазера.
Основные элементы лазера – это генератор накачки и активная
среда. По активным средам различают твердотельные, газовые
и полупроводниковые лазеры. В твердотельных лазерах (рис. 1)
в качестве активного элемента применяют стержни из розового
рубина – окиси алюминия Аl2О3 с примесью ионов хрома Сr3+ (до
0,05 %) [1]. При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние – возбуждаются и затем отдают запасенную
энергию в виде света. На торцах рубинового стержня нанесен слой
отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное, а с другого – полупрозрачное зеркало.
Излучение ионов хрома, отражаясь от этих зеркал, циркулирует
параллельно оптической оси стержня, возбуждая новые ионы, –
идет лавинообразный процесс. Происходит бурное выделение лучистой энергии, которая излучается параллельным пучком через
49
3
2
4
5
7
7
1
9
6
8
10
Рис. 1. Схема твердотельного лазера: 1 – активный элемент;
2 – лампа генератора накачки; 3 – блок питания; 4 – отражатель
(рефлектор); 5 – блок управления; 6 – управляющий элемент; 7 –
зеркала (непрозрачное – слева и полупрозрачное – справа);
8 – излучатель; 9 – блок охлаждения;
10 – выходное излучение
полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой в месте концентрации энергии на обрабатываемом образце. Выходная мощность твердотельных лазеров достигает 107 Вт при сечении луча менее 1 см2.
В фокусе достигается громадная концентрация энергии, позволяющая получать температуру до миллиона градусов.
При работе в импульсном режиме существенный недостаток
твердотельного лазера – низкий КПД (0,01...2,0 %). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие
в непрерывном режиме, например твердотельный лазер на иттриево-алюминиевом гранате, активированном атомами неодима.
Принятое обозначение данного типа лазеров – Nd : ИАГ или Nd :
YAG.
Еще более высокий КПД и мощность у газовых лазеров. В качестве активной среды в них применяют чаще всего СО2 или смесь
газов, генераторами накачки могут служить искровые разрядники
или электронный луч.
Типичная конструкция газового лазера – это заполненная газом
трубка, ограниченная с двух сторон строго параллельными зеркалами: непрозрачным и полупрозрачным (рис. 2) [1]. В результате
электрического разряда между введенными в трубку электродами
возникают быстрые электроны, которые возбуждают газовые молекулы. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света так же, как и в твердотельном лазере. Газовые
лазеры могут работать в непрерывном режиме.
50
Вода
4
3
2
5
6
7
8
9
10 11
1
СО2 N2 He
Рис. 2. Схема газового лазера: 1 – баллоны с газами; 2 – редукторы
давления; 3 – стабилизаторы давления; 4 – регуляторы; 5 – смеситель;
6 – электромагнитный клапан; 7 – непрозрачное зеркало; 8 –
излучатель; 9 – рубашка охлаждения; 10 – токовводы; 11- выходное
зеркало
Активная среда CO2-лазера – смесь углекислого газа CO2, гелия
He и азота N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. Длина волны излучения CO2лазера – 10 мкм. Из-за наименьшей расходимости луча CO2-лазеры
являются самыми универсальными, так как позволяют располагать источник излучения вдали от зоны обработки без снижения
качества лазерного луча. Особенно это влияет при обработке неровных материалов. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые щелевые (slab) CO2-лазеры
с накачкой высокочастотным разрядом. Такие лазеры, в отличие
от других углекислотных лазеров, обеспечивают суперимпульсный режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10–20 кГц, так что при
средней мощности, например 500 Вт, мощность в импульсе составляет 1000–1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как
уменьшается ширина реза, улучшается качество и снижается порог начала резки.
Основные физические процессы лазерных технологий
Основными физическими процессами лазерных технологий являются:
1) испарение. Это наиболее применяемый процесс, который лежит в основе большинства промышленных технологий в приборостроении, микроэлектронике и микромеханике;
51
2) нагревание до температуры размягчения (или плавления)
с последующим деформированием в вязко-текучей фазе;
3) направленное локальное нагревание, вызывающее появление
контролируемого поля напряжений для управляемого деформирования листовых материалов, микродеформаций на разделе двух
сред, микроперемещений;
4) локальное нагревание с одновременным внесением в нагреваемую поверхность материалов в разных фазовых состояниях;
5) послойный синтез трехмерных объектов методом послойного
наращивания, в том числе стереолитография, селективное лазерное спекание и послойная сборка из листовых материалов;
6) создание светового потока для направленного прецизионного
воздействия на чувствительные материалы с целью возбуждения
в них фотоэлектрического или фотохимического процесса;
7) манипулирование микрочастицами (молекулярная сборка),
основанное на захвате частиц в фокусе лазерного излучения давлением света и последующем построении микроструктур.
Итак, в основе большинства лазерных технологий, таких как
лазерная резка, лазерная запись, лазерное упрочнение, лазерная
сварка и т. п. лежит лазерный нагрев. Анализ физических процессов, определяющих и сопутствующих лазерному нагреву, позволяет оценить и сформулировать условия оптимального режима лазерной обработки.
При нагревании тела лазерным излучением в нем активируются
различные процессы. К их числу относятся эмиссионные процессы
(эмиссия электронов, ионов, нейтральных молекул), поверхностные и объемные химические реакции, структурные превращения,
тепловое расширение и термомеханические процессы, плавление,
испарение и т. п. Эти изменения могут быть положены в основу того или иного технологического процесса – например, испарение и
плавление при резке и сверлении отверстий, плавление при сварке,
структурные превращения при термоупрочнении материалов и т. д.
Лазерный нагрев по своей физической сущности не отличается
от другого вида нагрева и происходит за счет трех механизмов распространения тепла: теплопроводности, конвекции и излучения.
В жидкостях и газах конвекция и излучение играют первостепенную роль, тогда как в твердых телах конвекция вообще отсутствует, а излучение обычно пренебрежимо мало. Кинетика разогрева
металлов определяется механизмом теплопроводности. Различают
режимы нагревания материала, соответствующие сильному (поверхностному) и слабому (объемному) поглощению излучения. Для
52
большинства технологических процессов используется лазерное
излучение длин волн, находящихся в спектральной области сильного поглощения вещества, так как это обеспечивает локальность
воздействия и большую эффективность использования энергии
(рис. 3).
400nm
10–12 m 10–9 m
700nm
10–6 m
10–3 m 10 m
Exsimer Laser (Gas)
93–358 nm
Hihht
CO2 Laser (Gas)
10600 nm
HeNe Laser (Gas)
632 nm
Nd:YAG Laser (Solid)
1064 nm
Waveinght
Рис. 3. Шкала длин волн излучения лазеров различного типа
Длину волны лазерного излучения выбирают так, чтобы обеспечить максимальное поглощение излучения материалом. Например,
для обработки материалов используют излучение видимого и ИКдиапазона, стекол – среднего ИК-диапазона и т. д.
Уравнение, описывающее процесс распространения тепла
в сплошной среде, называется уравнением теплопроводности.
Оно выражает тепловой баланс для малого элемента объема среды
с учетом поступления теплоты от источников и тепловыми потерями вследствие теплопроводности.
Энергетический баланс лазерного воздействия описывается
уравнениями:
Eл = Eпогл + Eотр, Eпогл = Eж + Eт,
где Eл – энергия лазерного луча в зоне обработки; Eпогл – энергия,
поглощенная в процессе фотонно-электронных соударений; Eотр –
энергия, отраженная от поверхности; Eж – полное теплосодержание расплавленного металла; Eт – энергия, отводимая теплопроводностью вглубь основного металла.
53
Глубина проникновения излучения в материал обычно много
меньше характерного размера теплопроводности
1
<< àτ, где τ –
à
время воздействия излучения, а – температуропроводность материала). Тепловой источник в материале в таких условиях является
практически поверхностным. Толщина прогретого слоя в материале определяется характерным размером теплопроводности àτ.
Интенсивность проникающего лазерного излучения убывает по
экспоненциальному закону. Возбужденные электроны рассеивают
поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за времена релаксации ~10–12–10–11, благодаря чему поглощенная энергия
быстро переходит в теплоту. Степень поглощения для металлов порядка 10–7 м–1, поэтому энергия выделяется в слое толщиной около
10–7 м и лазерное излучение можно рассматривать как локальный
источник тепловой энергии на поверхности. Размер нагретой зоны
на первом этапе определяется глубиной проникновения излучения
в среду, а затем растет за счет теплопроводности. С ростом температуры поверхности значение коэффициента поглощения увеличивается и составляет для металлов 0,35–0,4 при температуре 500 °С
и длине волны излучения 1,06, что дает возможность нагревать их
поверхность с возрастающей скоростью.
Этапы взаимодействия лазерного излучения с материалом иллюстрируются рис. 4.
Плотность мощности лазерного воздействия зависит в значительной степени от диаметра пучка d:
Å=
4W
πd2 τè
,
где W – энергия в импульсе, которая для плавления металла равна
0,885Tïë λπr 2
W=
,
àτè
где Тпл – температура плавления материала, λ – коэффициент теплопроводности, α = λ / ñγà – коэффициент температуропроводности (cγ – объемная теплоемкость), r – радиус пучка лазерного излучения.
Для импульсного лазерного источника энергия W находится
в пределах 10–2–10–3 Дж. Теоретически рассчитана зависимость
величины поглощаемой энергии лазерного излучения от радиуса
54
2
2
2
5
4
3
3
1
8
6
4
3
1
3
1
2
5
4
5
7
1
2
2
6
4
3
1
5
6
7
4
3
9
1
1 – Образец; 2 – Лазерное излучение; 3 – Зона активного теплоотвода внутри материала;
4 – Зона отвода энергии во внешнюю среду; 5 – Зона локального расплавления материала;
6 – Облако плазмы; 7 – Брызги расплавленного материала образца; 8 – Зона локального
испарения материала; 9 – Трещины, образовавшиеся в образце в результате локальных
микровзрывов
Рис. 4. Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом
пучка в зоне формирования соединений лазерной пайкой и сваркой
(рис. 5). При радиусе пучка 2 мм величина поглощаемой энергии
отличается почти в 2 раза.
Рис. 5. Зависимость величины поглощенной
энергии лазерного излучения
от радиуса пучка и типа соединения
55
Особенности плазменных процессов при лазерной обработке
в защитных газах. При лазерной обработке, связанной с нагревом
до высокой температуры, близкой к температуре плавления легированных сталей и других высокоактивных металлов и сплавов,
применяют в качестве газа одноатомные инертные газы – аргон и
гелий. Защитный газ обычно подается через специальное сопло коаксиально лазерному излучению. При тепловой лазерной обработке низколегированных сталей, а также целого ряда конструкционных материалов в качестве защитной среды используют углекислый газ, азот и воздух. Состав газа в зоне взаимодействия лазерного
излучения с металлом оказывает существенное влияние на эффективность проплавления.
При мощности лазерного излучения, превышающей пороговую
мощность для данного газа, возникающая плазма распространяется по световому лучу. Холодный газ (рис. 6), прилегающий к плазме со стороны источника излучения, нагревается до высокой температуры, при которой уже он сам начинает поглощать энергию
светового пучка, то есть поглощающий слой перемещается в направлении источника излучения. Передний фронт плазмы остается
там, где плотность мощности лазерного пучка компенсирует потери в окружающую среду.
1
При определении основных
2
параметров
процесса на практике
3
в большинстве случаев не требуется точного решения тепловой
4
задачи, а достаточно оценить пороговую плотность мощности излучения qп (или пороговую мощность Pп, пороговую энергию Wп.
5 Пороговая плотность мощности
6
излучения – это такое ее значение,
при котором в облучаемом материале начинают происходить заданные изменения. Теоретически
Рис. 6. Схема взаимодействия величина q определяется как тап
лазерного излучения
кое значение плотности мощности
с металлической поверхностью:
падающего излучения qo, при ко1 – лазерное излучение;
тором максимальная температура
2 – холодный газ;
обрабатываемого материала до3 – ионизированный газ; 4 –
нагретый газ; 5 – пограничный стигает значения T*, соответствующего началу данного процесса
слой; 6 – пары металла
56
(например, для испарения материала это температура его кипения). Пороговые характеристики могут быть определены из выражения, определяющего температуру на поверхности тела в центре
облученной области в виде круга радиусом r0 в момент окончания
воздействия.
Другим важным параметром лазерной обработки является скорость активируемого в облучаемом материале процесса. Для большинства термически активируемых процессов, таких как испарение, различные термохимические реакции, скорость процесса V
экспоненциально зависит от температуры T.
Технологические процессы лазерной обработки
По количеству энергии, вводимой в единицу объема обрабатываемого материала, основные виды лазерной обработки можно располагать в следующей последовательности (в порядке возрастания
вводимой энергии):
– поверхностная термообработка, отжиг (после имплантации) –
нагрев до Tпл;
– лазерная сварка, плавление (рекристаллизация) – нагрев выше Tпл, но ниже Tисп;
– лазерная резка, прошивка отверстий, размерная обработка,
скрайбирование – нагрев до температуры выше Tисп.
Между этими видами лазерной обработки нет четко установленной количественной границы, и качественный анализ процессов
можно проводить с общих теплофизических позиций.
Лазерная резка материала
Лазерная резка, как и другие виды размерной лазерной обработки,
основана на тепловом действии излучения и использовании локального расплавления металла и его последующего удаления. Характерной
особенностью лазерной резки является то, что нагревание происходит
под действием движущегося источника тепла. В зависимости от значения величины Vск rо/α, где Vcr – скорость сканирования лазерного
пучка по поверхности материала; rо – радиус облученной области; α –
температуропроводность материала) источник можно считать быстро
движущимся или медленно движущимся.
При лазерной резке металлов и полупроводников со скоростью
Vск ≤ 1 см/с и размере облученной области rо ≤ 0,5 мм источник тепла, как правило, является медленно движущимся.
57
При лазерной резке диэлектрических материалов или металлических пленок на диэлектрических подложках источник тепла является быстродвижущимся.
Изложенные особенности процесса нагревания движущимся источником тепла характерны для режима непрерывного облучения
материала. Если лазер работает в импульсном режиме, генерируя
серию импульсов длительностью τ при частоте следования импульсов fи, то при длительности импульса τ<0,1rо/Vск импульсный источник можно рассматривать как неподвижный. Чтобы не происходило остывания материала после очередного импульса, необходимо, чтобы частота их следования fи >30 rî2 .
Лазерная резка может быть основана на различных процессах:
испарения материала, плавлении с удалением расплава из зоны
реза, химических реакций (горения, разложения с выделением
летучих соединений и др.). Получение глубокого реза испарением
сопряжено с образованием достаточно большого количества жидкой фазы н ее неполным удалением из зоны воздействия излучения
давлением паров. В этом случае с целью исключения заплавления
сквозного реза применяют устройства отсоса продуктов разрушения из зоны резания.
Эффективность резки может быть значительно повышена за
счет введения в зону активного газа, например кислорода. Реакция
с ним (экзотермическая) увеличивает выделение энергии в месте
взаимодействия с материалом. Такой процесс называется газолазерной резкой.
Лазерная резка неметаллических материалов
Этот вид обработки позволяет резать материалы любой твердости, при этом обеспечиваются высокая точность и качество реза
(малая ширина реза и параллельность кромок), малая зона нагрева, большая производительность, возможность точного, автоматизированного управления.
Таким способом обрабатываются: керамика, стеклоуглерод,
композиционные материалы на основе нитей бора и углерода, стеклоткань (со значительным улучшением условий труда по сравнению с механической резкой).
К основным физико-химическим особенностям резки неметаллических материалов относятся:
– малая температуропроводность, поэтому при высоких скоростях
резки (Vр >10 мм/с) и диаметре сфокусированного излучения не более
58
0,5 мм пороговая плотность мощности, необходимая для начала резки, практически не зависит от толщины разрезаемого элемента;
– высокая поглощательная способность излучения СО2-лазера,
которой обладает большая часть неметаллических материалов.
При незначительных тепловых потерях лазерного излучения и малой температуропроводности удается осуществлять резку, например, полиметилметакрилата (ПММА).
При воздействии лазера на органические материалы происходят
химические реакции деструкции, испарения, сублимации, термической диссоциации с выделением газов. Кроме газов в ряде случаев образуется аэрозоль в виде мелкодисперсных частиц испаренного материала.
При быстром испарении материала возникает эрозионный факел, который экранирует обрабатываемую поверхность, вызывает
поглощение излучения и снижает интенсивность нагрева. В отличие от металлов, здесь поглощение значительно более сильное.
Для устранения влияния эрозионного факела в зону взаимодействия подается активный или нейтральный газ, который служит
для удаления испарившихся частиц, плазмы и расплава. В ряде
случаев разогревшийся поверхностный слой материала выдувают
газовой струей, что способствует увеличению скорости заглубления и резки.
Лазерная поверхностная термообработка
Поверхностная термообработка проводится для отдельных зон
поверхности с последующим их охлаждением в любых средах (вода, воздух, эмульсия и т. п.). Это позволяет избирательно термоупрочнять поверхность изделий из склонных к закалке материалов
(чугун, стали и т. д.). По сравнению с закалкой токами высокой
частоты, здесь не требуется изготавливать для каждой детали свой
индуктор, получаются более узкие зоны закалки, производительность возрастает на 70...90%.
Нагрев излучением лазера применяется также для отжига пластин после ионного легирования (устранения радиационного повреждения решетки).
Нагрев в узкой зоне без плавления – лазерное скрайбирование –
лежит в основе процесса разделения хрупких материалов по линии
нанесения риски. Применяется для стекла, керамики, полупроводниковых пластин. Погрешность не превышает 30 мкм. Создавая
направленные термические напряжения, можно вести процесс са59
мопроизвольного термораскалывания что более производительно,
чем лазерное скрайбирование и позволяет получать криволиненйные резы. Скорость резки стекла, ситалла, керамики толщиной
1...5 мм достигает 35 мм/с.
Особенности применения лазерной термообработки определяются спецификой лазерного нагрева материалов. В частности, высокие скорости нагрева поверхности и ее охлаждения обеспечивают эффективное термоупрочнение поверхности при нагреве выше
температуры закалки, а большие значения температуры и ее градиентов в зоне лазерного воздействия облегчают диффузию легирующих элементов в термообрабатываемый материал.
Основной целью лазерной закалки является повышение твердости и износоустойчивости материалов в результате изменения их
структуры. Быстрое охлаждение поверхности материала за счет
теплопроводности (со скоростью порядка 108 К/c) после прекращения подвода энергии лазерного излучения приводит к повышению
твердости приповерхностных слоев в результате структурных изменений. Закалку производят как непрерывным, так и импульсным лазерным излучением. Для термоупрочнения заданной области поверхности используют сканирование лазерного пучка по поверхности или перемещение обрабатываемой детали. Температуру
нагрева поверхности и глубину прогрева можно регулировать путем изменения мощности лазерного пучка, степени его фокусировки и длительности воздействия или скорости перемещения пучка
по поверхности материала. Глубину закаленного слоя можно количественно оценить из выражения для распределения температуры
в материале при равномерном облучении его поверхности.
Другим направлением лазерной термообработки является лазерное легирование поверхности с целью повышения ее твердости.
При этом на обрабатываемую поверхность наносится порошок, содержащий легирующие присадки, а затем производится облучение
поверхности. В результате происходит механическое перемешивание расплавленного порошка и основного материала в тонком
приповерхностном слое под действием гидродинамических сил и
температурных градиентов или диффузное распространение с образованием твердого раствора.
Прошивание отверстий
Получение отверстий с помощью лазера применяется для изготовления фильер, подшипников из кристаллических материалов
60
для измерительных приборов и часов, микротрафаретов для гибридных ИМС, форсунок и др. Используются заготовки из керамики, металла, феррита, рубина. Осуществляется как предварительная, так и финишная операция при изготовлении часовых камней.
В последнем случае по сравнению с механической обработкой производительность оказывается в 100...1000 раз выше.
Параметры и режимы, используемые при прошивании отверстий из различных материалов, сведены в табл. 1.
Таблица 1
Металл
Толщина, мм
Диаметр отверстия,
мм
Время
Энергия
импульса, импульса,
мс
Дж
входной
размер
выходной
размер
0,25
2,35
5,9
Нержавеющая сталь
0,9
0,5
Никелевая сталь
1,78
0,3
0,22
0,8
16,0
Вольфрам
0,5
0,2
0,15
2,0
3,3
Молибден
0,5
0,25
0,2
2,0
3,3
Тантал
1,6
0,3
0,1
2,42
8,0
Медь
0,8
0,2
0,2
2,25
4,9
Магний
1,5
0,4
0,3
2,0
3,3
Кинетика роста лунки при лазерном сверлении отверстий зависит от многих факторов, связанных с особенностями движения
пара и течения расплава по стенкам отверстия сложной формы и их
взаимным влиянием. Согласно наиболее распространенной модели
формирования отверстия, основанной на результатах скоростной
киносъемки, при фокусировке излучения ниже передней поверхности образца вблизи нее в материале образуется лунка, профиль
которой близок к цилиндрическому. Изменение размеров лунки со
временем происходит таким образом, что ее радиус r(t) и глубина
h(t) связаны между собой уравнением светового конуса с углом раствора 2γ [1]: r(t) = r0 + tgγh(t).
Предполагается, что материал со дна лунки только испаряется,
а со стенок уносится в виде расплава, причем оба процесса являются квазистационарными. На начальной стадии процесса образования лунки (h<<r0) ее глубина растет линейно во времени за счет испарения материала по площади светового пятна (как в одномерной
модели квазистационарного испарения), а диаметр меняется слабо.
С течением времени скорость роста лунки в глубину замедляется,
61
в предельном случае (t→∞) ее глубина и радиус растут пропорционально t1/3 т. е. форма лунки не меняется. Такой режим квазистационарного развития лунки устанавливается при q = 107–108 Вт/
см2 концу лазерного импульса длительностью r = 1мс.
При заданных значениях h и r параметры режима обработки
(преимущественно энергия излучения и фокусное расстояние оптической системы) определяются из баланса энергии и геометрических соотношений (в зависимости от отношения h/r).
Рассмотренная модель справедлива при фокусировке излучения
вблизи начального расположения поверхности материала. Однако
условия фокусировки оказывают значительное влияние на профиль лунки. При обработке в сходящемся световом пучке характерной является коническая форма лунки, в расходящемся – цилиндрическая. С увеличением расстояния между плоскостью фокусировки и поверхностью материала увеличивается радиус лунки
и уменьшается ее глубина.
Параметры лазерной прошивки отверстий в различных материалах определенной толщины и параметры получаемых отверстий
приведены в табл. 1.
Лазерная пайка
Лазерная пайка широко применяется при монтаже различных
электронных и электротехнических изделий. Лазерное излучение
в виде сфокусированного пучка создает высокую концентрацию
энергии (108–109 Вт/см2) на поверхности материалов, что обеспечивает локальный нагрев с высокой скоростью и незначительной
зоной термического влияния.
Лазерная пайка (пайка лучом лазера) не относится к групповым
методам пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному
выводу либо по ряду выводов. Однако современные достижения в этой
области позволили приблизить производительность монтажа к 10 соединениям в секунду и выше, что соответствует групповым методам.
Кроме того, лазерная пайка имеет следующие преимущества:
– в течение времени пайки корпус компонента и печатная плата
практически не нагреваются, что позволяет вести монтаж термочувствительных элементов;
– локальность приложения тепловых нагрузок снижает возникающие при пайке температурные механические напряжения;
– кратковременное тепловое воздействие (20–30 мс) снижает
степень окисления припоя и толщину слоя интерметаллидов, обе62
спечивает мелкозернистую структуру зоны соединения и более высокие механические свойства без применения подогрева и инертной атмосферы;
– возможна пайка модулей с высокой плотностью монтажа, малым шагом выводов и малыми (до 25 мкм) размерами контактных
площадок без образования перемычек и шариков припоя;
– при использовании хорошо просушенной паяльной пасты, паяные соединения, выполненные с помощью лазерной пайки, не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает
необходимость применять паяльные маски;
– возможна автоматизация всего технологического цикла,
включая проведение лазерного контроля паяных соединений.
К недостаткам лазерной пайки можно отнести высокую стоимость применяемого оборудования и большие затраты энергии при
малом КПД лазера.
Время пайки вывода средних размеров составляет примерно 30 мс при средней мощности луча лазера 20 Вт. Оптимальная
мощность луча лазера зависит от массы паяного соединения.
Например, для пайки выводов компонентов к контактным площадкам требуется лазер с мощностью не менее 10 Вт, в то время
как для пайки компонентов к шинам питания и «земли», имеющим большой теплоотвод, может потребоваться мощность газовых лазеров до 150 Вт.
Для пайки корпусов с j-образными выводами лазерный луч направляют под углом к вертикальной оси компонента для эффективного нагрева контактной площадки на плате, припойной пасты на
ней и вывода компонента.
Пайка с помощью твердотельных лазеров может проводиться
без применения флюса, что не требует применения операции отмывки паяных соединений.
Диодные лазеры становятся все более приемлемым выбором
для локальной пайки в производстве изделий микроэлектроники,
в частности, благодаря их повышенной надежности, лучшему КПД
и экономической эффективности. Лазерный пучок может быть сфокусирован в точке с размерами порядка 0,4 мм с передачей энергии
только на рабочем участке при минимальном нагреве близлежащих компонентов. Малая зона термического влияния луча дает незначительный нагрев платы даже при очень большом количестве
паяных соединений. В связи с быстрым нагревом и охлаждением
припоя, паяное соединение имеет мелкозернистую микроструктуру с улучшенными механическими свойствами.
63
Проблемы формирования микросоединений на основе лазерного воздействия связаны с необходимостью определения требуемой
плотности мощности излучения, выбора оптимальных режимов,
обеспечения заданного качества соединений.
Типовая двухлучевая установка для лазерной пайки изображена на рис. 7. Управление установкой осуществляется от микроЭВМ.
В установке применен двухлучевой твердотельный лазер мощностью 60 Вт, работающий в непрерывном режиме. Твердотельные
лазеры находят более широкое применение в сравнении с газовыми, так как имеют более простую и дешевую оптическую систему,
возможность фокусирования пучка до 25 мкм и менее.
1
2
3
5
4
3
2
5
y
4
4
7
8
x
6
8
Рис. 7. Схема установки лазерной пайки выводов компонентов
к контактным площадкам печатной платы: 1 – лазер; 2 – затвор;
3 – призматическое зеркало; 4 – плоское зеркало; 5 – фокусирующую
оптическую систему; 6 – двухкоординатный стол; 7 – монтируемый
модуль; 8 – блок сканирования
Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.
Лазерная обработка пленочных материалов
Лазерная обработка нанесенных на подложку тонких пленок
применяется для формирования пленочных элементов, широко
используемых в приборостроении и микроэлектронике. Лазерная
обработка тонких пленок отличается высокой точностью и локальностью, бесконтактностью, хорошей управляемостью и в большинстве случаев достаточной производительностью.
64
Физические механизмы действия лазерного излучения на тонкие пленки во многом аналогичны действию излучения на массивные материалы, но обладают некоторыми особенностями.
Особенности поглощения лазерного излучения в пленке и преобразования лучистой энергии в тепловую связаны с тем, что длина
свободного пробега электрона le в материале пленки соизмерима
с ее толщиной. Поскольку электрон отдает свою энергию решетке
на расстоянии ~100le, то пространственное распределение источников тепла по толщине пленки практически равномерно. Такое приближение оказывается приемлемым для большинства поглощающих пленок толщиной менее 5 мкм. При этом температура пленки
практически одинакова по ее толщине, так как толщина пленки
h, как правило, много меньше размера прогретого слоя в ней à1τ
(a1 – температуропроводность материала пленки, τ – длительность
импульса излучения).
Специфика лазерного нагревания пленок связана с тем, что
пленка на подложке является двухкомпонентной системой.
Температура пленки в середине облученной области достаточно
большого размера r0 (r0 >> a1τ ) может быть определена из решения системы двух дифференциальных уравнений теплопроводности (для пленки и подложки) с соответствующими граничными и
начальными условиями.
С повышением температуры в пленке активируется ряд процессов, которые могут привести к изменению ее физических или химических свойств. Основными процессами, использующимися в пленочных технологиях, являются испарение, плавление и термохимические реакции (в основном поверхностное окисление). Возможны
также структурные превращения материала типа рекристаллизации, отжиг дефектов полупроводниковых структур, спекание и
усадка пористых материалов, вжигание вещества пленки в подложку, термическое разложение в твердой и газовой фазе и др.
Основные сферы применения лазерной обработки пленочных
элементов следующие.
1. Подгонка электрических параметров пленочных элементов
(сопротивлений пленочных резисторов, емкостей пленочных конденсаторов, подстройка частоты кварцевых резонаторов, СВЧмикросхем и т. п.).
Сопротивление пленочного резистора определяется формулой
Rý =
rý L
,
hB
65
где rý – удельное электрическое сопротивление материала пленки;
h – толщина пленки; L и B – длина и ширина резистора. Подгонку
сопротивления осуществляют, как правило, испарением части резистивного слоя.
2. Размерная подстройка пленочных элементов (шкал, сеток,
фотошаблонов, монолитных фильтров и т. п.) осуществляется испарением участков пленочного покрытия (устраняются дефекты типа
«недотрав») и локальным лазерным переносом участков пленочного покрытия (устраняются дефекты типа «прокол»). Локальный
лазерный перенос представляет собой перенесение участка пленки
на обрабатываемую поверхность с донорной подложки, расположенной к ней вплотную, путем нагрева пленки лазерным излучением.
3. Размерная обработка тонких пленок представляет собой
формирование на подложке пленочной топологии. При изготовлении пленочных элементов типа сеток и шкал, у которых площадь металлизированной (непрозрачной) поверхности мала по
сравнению с площадью поверхности подложки, где пленка отсутствует, целесообразно использовать термохимический метод обработки. В этом случае облучаются те участки пленки, которые
должны остаться на подложке, и плотность мощности излучения
обеспечивает поверхностное окисление пленки без ее разрешения.
Последующим травлением пленки в кислотном растворе удаляют
необлученные участки пленки, а защищенные окислом участки
остаются на подложке. Таким образом, на подложке создается
«негативное» изображение.
4. Запись информации (цифровая и аналоговая) осуществляется
формированием отверстий в пленке малых (субмикронных) размеров или образованием областей на поверхности пленки с измененными оптическими свойствами путем воздействия на нее пучка лазерного излучения.
Принципиальной характеристикой лазерной обработки пленок является размер минимального получаемого элемента, то есть
разрешающая способность метода. При обработке пленок методом
абляции (образования малых отверстий) размер минимально возможного элемента в расплавленном участке пленки r∗ определяется его термодинамическими характеристиками – максимумом
свободной энергии образовавшихся поверхностей (при попытке получить отверстие радиуса r < r∗ оно будет схлопываться сразу же
после образования). При обработке пленки неразрушающим методом, например термохимическим, минимальный размер элемента
66
зависит от размера фокального пятна и увеличения размера из-за
теплопроводности.
Для обработки пленок обычно используются эксимерные лазеры, YAG:Nd. N2 и Cu-лазеры. реже – лазеры на СО2, стекле с неодимом и Не-Ne лазеры. Для записи информации используют также
полупроводниковые и He-Cd лазеры.
Лазерная сварка
Преимущества лазерной сварки. Метод лазерной сварки обладает важными преимуществами по сравнению с большинством других способов сварки.
Основные достоинства:
– в отличие от сварки электронным лучом, не требуется вакуумная камера, отсутствует рентгеновское излучение, на луч не влияют магнитные поля, возможна сварка магнитных материалов;
– высокая локальность процесса нагрева при очень малом пятне
нагрева, большая скорость лазерной сварки при большой глубине
проплавления позволяют вести сварку различных тугоплавких
(вольфрам, тантал, молибден) и активных металлов и сплавов с минимальным нарушением исходной структуры материала в зоне термического влияния, сваривать детали малой толщины (< 10 мкм) и
малых размеров при незначительном термическом воздействии на
соседние участки;
– незначительное тепловое воздействие на околошовную зону
вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин, что
обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки, появляется
возможность выполнять сварку металлов в непосредственной близости от металлостеклянных или металлокерамических спаев;
– процесс бесконтактен – возможна сварка в труднодоступных
местах, проведение сварки через прозрачные материалы, в жидких
прозрачных средах;
– высокая точность, высокое качество сварного шва;
– гибкая, широкая настройка процесса, без необходимости смены оснастки, легкое перемещение луча по поверхности детали по
любой траектории.
Лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии (до
108 Вт/см2), благодаря возможности его фокусировки в точку диа67
метром в несколько микрометров. Такая концентрация значительно выше чем, к примеру, у дуги. Сравнимой концентрацией энергии обладает электронный луч (до 106 Вт/см2). Однако электроннолучевая сварка осуществляется лишь в вакуумных камерах – это
необходимо для устойчивого проведения процесса, лазерная же
сварка не требует вакуума, что упрощает и убыстряет технологические операции.
Для сварки металлов используются твердотельные и газовые лазеры как периодического, так и непрерывного действия. Процесс
лазерной сварки осуществляется либо на воздухе, либо в среде защитных газов: Аr, Не, СО2 и др. Лазерный луч так же, как и электронный, легко отклоняется, транспортируется с помощью оптической системы.
Лазерная сварка осуществляется в широком диапазоне режимов, обеспечивающих высокопроизводительный процесс соединения различных материалов толщиной от нескольких микрометров
до десятков миллиметров.
Применение лазерной сварки. Наибольшее применение лазерная
сварка нашла в производстве изделий электронной и радиотехнической промышленности, в точном приборостроении, при получении микроминиатюрных элементов. Применяются точечная сварка и шовная сварка герметичным швом. Сравнительно небольшой
разогрев позволяет осуществлять герметизацию корпусов, заполненных веществами, разогревать которые недопустимо. Например,
так герметизируются корпуса малогабаритных герметичных кадмий-щелочных аккумуляторов, наполненных щелочным электролитом. Лазерная сварка широко используется для герметизации
корпусов интегральных микросхем и микросборок.
Способы выполнения лазерных сварочных соединений классифицированы по трем группам признаков:
– энергетические признаки, к которым относятся плотность
мощности (Вт/см2) и длительность воздействия (с) излучения;
– технологические признаки, по которым различают сварку металлов с глубоким проплавлением и сварку деталей малых толщин
(табл. 2);
– экономические признаки.
При сварке деталей толщиной более 1,0 мм на проплавляющую
способность луча в первую очередь влияет мощность излучения.
Поскольку сварка таких деталей ведется при непрерывном излучении, то к основным параметрам режима здесь относится и скорость
сварки. При выбранном значении мощности излучения скорость
68
Технологические
Энергетические
Группа признаков
Таблица 2
Признак классификации
Виды методов сварки
глубокое
сварка малых
проплавлетолщин δ< 1 мм
ние δ> 1 мм
шовная
=
E 105 − 106 Âò/ñì2 , τ > 10−3 ñ
=
E 106 − 107 Âò/ñì2 , τ < 10−3 ñ
=
E 105 − 106 Âò/ñì2 , 10−2 > τ > 10−3 ñ
Непрерывное излучение
Импульсное излучение
+
+
+
+
+
+
+
Импульсно-периодическое излучение
С присадкой материала
+
+
+
+
Без присадки материала
+
+
С защитой шва
+
+
Без защиты шва от окисления
+
+
+
Со сквозным проплавлением
+
+
Без сквозного проплавления
+
+
+
Автоматическая сварка
+
+
+
Ручная сварка
Технико-экономические
шовная точечная
+
Скорость сварки
+
Экономия материала
+
Локальность сварки
+
сварки определяют исходя из особенностей формирования шва:
минимальное значение скорости ограничено отсутствием кинжального проплавления, а максимальное – ухудшением формирования
шва, появлением пор, непроваров. Скорость сварки может достигать 90...110 м/ч.
На качество сварных швов влияет фокусировка луча. Для сварки луч фокусируют в пятно диаметром 0,5...1,0 мм. При меньшем
69
диаметре повышенная плотность мощности приводит к перегреву
расплавленного металла, усиливает его испарение – появляются
дефекты шва. При диаметре более 1,0 мм снижается эффективность процесса сварки. Формирование шва зависит также от положения фокальной плоскости относительно поверхности свариваемых деталей. Максимальная глубина проплавления достигается,
если фокус луча будет находиться над поверхностью детали.
Лазерную сварку ведут, как правило, при плотностях мощности излучения, находящихся в диапазоне от 1 до 10 MВт/см2.
Меньшие плотности мощности не рекомендуются, так как при
этом более эффективны и экономичны другие методы сварки. При
плотностях мощности более 10 МВт/см2 происходит интенсивное
испарение метала, которое приводит к выплеску сварочной ванны
и нарушению качественного формирования шва. Сочетание плотности мощности с определенной длительностью воздействия излучения на материал позволяет сваривать металлы и сплавы разных
толщин.
Лазерную сварку можно производить со сквозным и с частичным проплавлением. Сварные швы одинаково хорошо формируются в любом пространственном положении. При толщине свариваемых кромок менее 0,1 мм и при сварке больших толщин с глубоким проплавлением по-разному происходит формирование шва
и различны подходы к выбору параметров режима сварки. При
сварке как непрерывным, так и импульсным излучением малых
толщин используют более мягкие режимы, обеспечивающие лишь
расплавление металла в стыке деталей без перегрева его до температуры интенсивного испарения. Сварку сталей и других относительно малоактивных металлов можно в этом случае выполнять без
дополнительной защиты зоны нагрева, что существенно упрощает
технологию, тогда как сварку с глубоким проплавлением ведут
с защитой шва газом, состав которого подбирают в зависимости от
свариваемого материала.
Лазерная сварка с глубоким проплавлением обеспечивает соединение металлов толщиной >1,0 мм и выполняется лазерами непрерывного и импульсно-периодического действия. Лазерную сварку
с глубоким проплавлением ведут, как правило, без присадочного
материала в защитной среде. При лазерной сварке с глубоким проплавлением металл шва защищают от окисления, подавая через
сопло в зону сварки защитный газ. Такой метод носит название гибридной лазерной сварки. Гибридная лазерная сварка совмещает
в себе достоинства дуговой и лазерной сварки.
70
Дуговая
сварочная горелка
Электрод
Лазерный луч
Защитный газ
Дуга
Сварочный канал
Зона плавления
Сварной шов
Зазор между
деталями
Рис. 8. Защита шва газовой средой
Малыми при лазерной сварке считаются толщины металлов <1,0
мм. Принципиальным, в отличие от сварки с глубоким проплавлением, является отсутствие значительного перегрева и испарения
расплавленного металла. В большинстве случаев сварку металлов
малых толщин ведут без присадки и защитной среды. Однако при
сварке активных материалов, таких как титан, молибден, ниобий, цирконий, применяют защитные газы для предохранения от
окисления. Для защиты шва применяются газы аргон и гелий или
их смеси (рис. 8). Защитные газы влияют на эффективность проплавления: чем выше потенциал ионизации и теплопроводность
газа, тем она больше. Качественную защиту можно обеспечить при
расходе гелия 0,0005...0,0006 м3/с, аргона 0,00015...0,0002 м3/с,
смеси, состоящей из 50 % аргона и 50 % гелия, – 0,00045...0,0005
м3/с. Для защиты зоны лазерной сварки можно использовать флюсы такого же состава, что и при дуговой сварке. Применяют их
в виде обмазок, наносимых на свариваемые кромки.
Для подачи газа применяют специальные сопла (рис. 9).
Точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной
сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине
0,5...2,0 мм), проволока диаметром от 10 до 500 мкм, проволока
к подложке, тонкие листы к массивным элементам.
71
1
а
б
Газ
Газ
Газ
2
Рис. 9. Схемы защитных сопел:
а – при сварке деталей малой толщины;
б – при сварке с глубоким проплавлением;
1 – лазерный луч; 2 – свариваемые детали
Размеры сварочной ванны, определяющие прочность сварного
соединения, зависят прежде всего от длительности лазерного импульса и его энергии. Кроме того, размеры сварочной ванны зависят от коэффициента теплопроводности материала (для более теплопроводной меди размер сварочной ванны меньше, чем у сталей).
При точечной сварке импульсным излучением в зависимости от
вида свариваемых материалов используется диапазон плотности
мощности излучения q = 105–106 Вт/см2 и диапазон длительностей
импульсов τи = 2…10 мс. При этом диаметр сварных точек составляет D = 0,1..1,2 мм, а глубина проплавления h = 0,03...1,3 мм.
Производительность точечной сварки определяется частотой генерации импульсов f, скоростью перемещения детали (луча), в хорошо налаженном процессе достигается скорость до 200 сварных
точек в секунду.
Шовная сварка обеспечивает надежное механическое соединение, высокую герметичность сварочного шва. Шовную сварку выполняют как с помощью импульсного излучения с высокой частотой генерации импульсов, так и с помощью непрерывного излучения. Последнее позволяет сваривать толстостенные детали.
Основными параметрами процесса шовной импульсной и непрерывной сварки, определяющими качество сварного соединения,
считаются: энергия импульса E, длительность воздействия лазерного излучения на обрабатываемый материал τи, диаметр сфокусированного излучения d, частота следования импульсов f и положение фокальной плоскости лазерного луча относительно поверхности свариваемых деталей F. Все параметры обычно определяются
экспериментально, в зависимости от требований технологического
72
процесса. Приблизительно, τи = 10–4 – 10–2 с; d = 0,05...1 мм, средняя скорость сварки – до 5 мм/с; f – до 20 Гц
Наиболее часто встречающиеся дефекты при лазерной сварке
больших толщин – это неравномерность проплавления корня шва
и наличие полостей в шве. Для снижения вероятности образования
пиков проплавления при сварке с несквозным проплавлением рекомендуют повышать скорость сварки и отклонять лазерный луч от
вертикали на 15... 17° по направлению движения луча. При сварке
со сквозным проплавлением неравномерность проплава устраняют, применяя остающиеся или удаляемые подкладки.
Повысить эффективность процесса лазерной сварки можно, увеличивая проплавляющую способность луча. Перспективно применение для этого импульсных режимов сварки. При частоте импульсов 0,4... 1 кГц и при длительности импульсов 20...50 мс глубина
проплавления может быть увеличена в 3...4 раза по сравнению с непрерывным режимом. При импульсном режиме КПД луча в 2...3
раза выше, чем при непрерывном. Однако импульсная сварка требует очень точной наводки луча на стык, более высокого качества
подготовки кромок к сварке, а ее скорость в несколько раз уступает
скорости сварки с непрерывным излучением.
Другой путь повышения эффективности – это подача в зону
сварки дополнительного потока газа под давлением. Глубина проплавления при этом увеличится, но чрезмерное повышение расхода
газа легко приводит к ухудшению формирования шва, появлению
в нем пор, раковин, свищей. Затем газ начинает выдувать жидкий
металл, процесс сварки переходит в резку.
Эффективность процесса лазерной сварки можно повысить,
вводя в зону сварки химические элементы, способствующие ионизации газа в зоне сварки и снижающие экранирующее действие
факела. Это достигается нанесением на поверхности свариваемых
кромок покрытий, содержащих элементы с низким потенциалом
ионизации (калий, натрий).
Повышения эффективности сварки можно добиться и применением дополнительного источника нагрева. В качестве такого источника может быть использована, например, электрическая дуга,
подведенная с любой стороны шва. Увеличивается глубина проплавления, скорость резки. При подведении дуги, сопоставимой по
мощности с лазером, скорость проплавления увеличивается в четыре раза.
Широкое применение лазерной сварки сдерживается экономическими соображениями. Стоимость технологических лазеров
73
пока еще высока, что требует тщательного выбора области применения лазерной сварки. Однако, если применение традиционных
способов не дает желаемых результатов либо технически неосуществимо, можно рекомендовать лазерную сварку. К таким случаям
относится необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться
в результате сварки. Лазерная сварка целесообразна, когда она позволяет значительно упростить технологию изготовления сварных
изделий, выполняя сварку как заключительную операцию, без последующей правки или механической обработки. Экономически
эффективна лазерная сварка, когда необходимо существенно повысить производительность, поскольку скорость ее может быть в несколько раз больше, чем у традиционных способов.
Сварка неметаллических материалов (стекла, керамики и др.)
осуществляется за счет хорошего поглощения ими излучения
с большой длиной волны (λ = 10,6 мкм у лазера на СО2). По такой
технологии изготавливают корпуса термометров, где капилляр
вваривается в оболочку и осуществляется заварка донышка.
По аналогии с теорией тепловых процессов при сварке эффективность использования лазерного излучения можно охарактеризовать эффективным КПД процесса ηэф. Существует понятие эффективной тепловой мощности q, выражающей количество теплоты, введенной в металл за единицу времени q = ηэфP, где Р – мощность источника.
В случае поверхностной термообработки без расплавления понятие эффективного КПД совпадает с коэффициентом поглощения
А, а при лазерной обработке, связанной с расплавлением металла –
с эффективным коэффициентом поглощения Аэф.
Основные закономерности влияния тех или иных факторов
на уровень эффективного КПД получены экспериментально.
Эффективный КПД заметно зависит от скорости сварки. Это связано с влиянием размеров и формы парогазового канала на поглощающую способность лазерного излучения. С увеличением скорости
сварки сквозной канал последовательно сужается, а затем исчезает. В этом случае сечение шва носит ярко выраженный характер
«кинжального» проплавления, обеспечивается максимальная
эффективность процесса с наибольшими значениями КПД. При
дальнейшем увеличении скорости сварки несколько уменьшается
глубина проплавления, ухудшаются условия поглощения лазерного излучения в канале проплавления, что приводит к некоторому
уменьшению значения ηэф.
74
Для инфракрасного излучения эффективность поглощения при
сварке мало зависит от химического состояния поверхности.
Изменение размеров и вида микронеровностей приводит к незначительному изменению эффективности поглощения энергии.
При этом значения ηэф для различных образцов при равных скоростях сварки и мощности лазерного излучения практически одинаковы (ηэф = 0,7).
Энергетическая характеристика процесса
Энергетические признаки. Такими признаками являются плотность E мощности лазерного излучения и длительность воздействия τ. При непрерывном лазерном излучении длительность воздействия определяется продолжительностью времени экспозиции,
а при импульсном – длительностью импульса.
На практике лазерную сварку осуществляют в диапазоне E = 1057
10 Вт/см2. При E < 10 5 Вт/см2 теряется основное достоинство лазерной сварки – высокая концентрация энергии.
Для классификации режимов используются три группы сочетаний плотности мощности излучения E и длительности воздействия τ.
I группа. E = 105 – 106 Вт/см2 и τ >10–2 с.
Это методы сварки непрерывным излучением. Длительность
воздействия определяется отношением диаметра d сфокусированного излучения к скорости сварки vсв : τ = d / v св (*).
Этот процесс применяется для сварки различных конструкционных материалов малых и больших толщин.
II группа. E = 105 – 107 Вт/см2 и τ <10–3 с.
Сюда относятся методы сварки импульсно-периодическим лазерным излучением. Характеризуются высокой плотностью мощности и кратковременным (повторяющимся) воздействием, обеспечивающим большую эффективность проплавления. Частота
следования импульсов составляет десятки и сотни герц, а длительность импульсов значительно ниже, чем требуется. Суммарное воздействие импульсов достаточно для получения глубокого проплавления. Эти режимы можно использовать для сварки материалов
разных толщин при значительно меньших энергозатратах, чем при
сварке непрерывным излучением.
III группа. E = 105–106 Вт/см2 и 10–3 < τ < 10–2 с.
Длительность импульсов превышает соответствующие значения второй группы. Проплавление на всю глубину осуществляет75
ся в процессе воздействия импульса, то есть формируется точечное
сварное соединение. Применяется для малых толщин.
Основные энергетические характеристики процесса лазерной
сварки – это плотность E мощности лазерного излучения и длительность t его действия. При непрерывном излучении t определяется продолжительностью времени экспонирования, а при импульсном – длительностью импульса. Превышение верхнего предела E вызывает интенсивное объемное кипение и испарение металла, приводящее к выбросам металла и дефектам шва. На практике
лазерную сварку ведут при E = 106...107 Вт/см2. При E < 105 Вт/
см2 лазерное излучение теряет свое основное достоинство – высокую концентрацию энергии. Изменение E и t позволяет сваривать
лазерным лучом различные конструкционные материалы с толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров.
Скорость лазерной сварки непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Например, стальной лист толщиной 20 мм электрической
дугой сваривают со скоростью 15 м/ч за 5–8 проходов, ширина шва
получается 20 мм. Непрерывным лазерным лучом этот лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход, получают ширину шва 5
мм. Однако лазерная сварка импульсным излучением по скорости
сопоставима с традиционными способами сварки.
Параметры лазерной сварки
Основные параметры режима импульсной лазерной сварки – это
энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна
относительно поверхности свариваемых деталей. Длительность лазерного импульса должна соответствовать тепловой постоянной времени для данного материала, приближенно определяемой по формуле: τ = δ2/4α, где δ и α – соответственно толщина и коэффициент
температуропроводности свариваемого материала.
Значения τ для тонких деталей (δ = 0,1...0,2 мм) составляют
несколько миллисекунд. Соответственно длительность импульса
нужно выбирать, например, для меди 0,0001...0,0005 с, для алюминия 0,0005...0,002 с, для сталей 0,005...0,008 с. При увеличении δ более 1,0 мм τ возрастает и может значительно превосходить
достижимую длительность лазерных импульсов. Поэтому лазерная
сварка металлов толщиной более 1,0 мм импульсным излучением
затруднена.
76
Диаметр сфокусированного излучения d определяет площадь
нагрева и плотность мощности E. При сварке d изменяют от 0,05
до 1,0 мм путем расфокусировки луча. При этом фокальную плоскость, на которой сфокусированный световой пучок имеет наименьший диаметр, располагают выше или ниже поверхности свариваемых деталей. Управление интенсивностью излучения в фокальном пятне может осуществляться тремя способами:
– изменением длительности воздействия излучения на материал;
– изменением площади фокального пятна;
– изменением выходной энергии.
Для сварки наиболее приемлемым способом управления интенсивностью излучения лазера является изменение энергии в фокальном пятне.
Сварной шов при импульсном излучении образуется наложением сварных точек с их взаимным перекрытием на 30...90 %
в зависимости от типа сварного соединения и требований к нему.
Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами
позволяют вести шовную сварку со скоростью до 5 мм/с при частоте
импульсов до 20 Гц. Сварку можно вести с присадочным материалом в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Использование присадки позволяет увеличивать сечение шва,
устраняя один из наиболее распространенных дефектов – ослабление шва, а также легировать металл шва. Легирующие элементы
при лазерной сварке можно также наносить предварительно на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т. п.
Лазерная сварка импульсным излучением наиболее распространена в электронной и электротехнической промышленности, где
сваривают угловые, нахлесточные и стыковые соединения тонкостенных деталей. Хорошее качество соединений обеспечивается
сваркой лазерным лучом тонких деталей (0,05...0,5 мм) с массивными. В этом случае, если свариваемые детали значительно отличаются по толщине, в процессе сварки луч смещают на массивную
деталь, чем выравнивают температурное поле и достигают равномерного проплавления обеих деталей. Чтобы снизить разницу
в условиях нагрева и плавления таких деталей, толщину массивной детали в месте стыка уменьшают, делая на ней бурт, технологическую отбортовку или выточку. При лазерной сварке нагрев и
плавление металла происходят так быстро, что деформация тонкой
кромки может не успеть произойти до того, как металл затверде77
ет. Это позволяет сваривать тонкую деталь с массивной внахлестку. Для этого надо, чтобы при плавлении тонкой кромки и участка
массивной детали под ней образовалась общая сварочная ванна.
Это можно сделать, производя сварку по кромке отверстия в тонкой детали или по ее периметру.
Сварка деталей малых толщин выполняется как импульсным,
так и непрерывным излучением. Оптимальный диапазон длительности импульсов зависит от свойств и толщины свариваемого металла. Рекомендуется: для меди и алюминия 10–4<τ<5⋅10–4с, для
стали 10–3<τ<5⋅10–3с.
Лучшее качество сварки обеспечивается трапецеидальной либо
треугольной формой импульса с крутым передним и пологим задним фронтом.
Характерной особенностью сварного соединения, выполненного
импульсной лазерной сваркой, является малое сечение шва, то есть
малый размер литой зоны. В сочетании с кратковременностью воздействия импульса это приводит к высоким скоростям охлаждения
шва и околошовной зоны. Скорости охлаждения в литой зоне составляют 10–5–10–6 К/с.
При лазерной сварке деталей малых толщин получают следующие виды соединений: сварка толстого и тонкого материала (лазерный луч смещен в сторону толстого материала), тавровое соединение тонкой детали с массивной (где требуется технологическая
отбортовка), приварка тонкой ленты к массивной детали.
Детали малой толщины можно сваривать также газовыми и
твердотельными лазерами непрерывного действия мощностью до 1
кВт. Лучше всего формируется шов при стыковом соединении тонких деталей. Однако при сборке таких соединений под лазерную
сварку предъявляются более жесткие требования: должен быть
обеспечен минимальный и равномерный зазор в стыке и практически полное отсутствие смещения кромок.
Сложнее формируется шов при сварке деталей толщиной более
1,0 мм с глубоким проплавлением. Как только плотность мощности
лазерного излучения станет больше критической, нагрев металла
будет идти со скоростью, значительно превышающей скорость отвода теплоты в основной металл за счет теплопроводности. На поверхности жидкого металла под действием реакции образуется углубление. Увеличиваясь, оно образует канал, заполненный паром и
окруженный жидким металлом. Давления пара оказывается достаточно для противодействия силам гидростатического давления и поверхностного натяжения, и полость канала не заполняется жидким
78
металлом. При некоторой скорости
сварки форма канала приобретает динамическую устойчивость. На передней его стенке происходит плавление
металла, на задней – затвердевание.
Наличие канала способствует поглощению лазерного излучения в глубине
свариваемого материала, а не только
на его поверхности. Формируется так
называемое «кинжальное проплавление». При этом образуется узкий шов
с большим соотношением глубины
проплавления к ширине шва.
Оборудование для лазерной обработки вообще и для сварки в частности (рис. 10) включает в себя следующие основные элементы: источник
когерентного излучения – технологический лазер; систему транспортировки, отклонения и фокусировки излучения; систему наблюдения;
систему газовой защиты изделия;
оснастку для крепления и перемещения изделия; средства контроля параметров процесса.
1
8
2
7
3
6
4
5
Рис. 10. Схема лазерной
сварочной установки:
1 – технологический лазер;
2 – лазерное излучение;
3 – оптическая система; 4 –
обрабатываемая деталь; 5 –
устройство для закрепления
и перемещения детали;
6 – датчики параметров
технологического процесса; 7 –
программное устройство;
8 – датчики параметров
излучения
2. Порядок выполнения работы
Ввести исходные данные в соответствии с номеров варианта, заданного преподавателем.
В качестве исходных данных вводятся следующие параметры:
ТПЛ – температура плавления материала; λ – коэффициент теплопроводности; a – температуропроводность материала; r – толщина
материала; А – коэффициент, характеризующий отражательные
свойства материала; Pпот – потребляемая мощность лазера; D – диаметр сфокусированного пучка; s – показатель, характеризующий
распространение теплового потока внутри материала; f – частота
следования импульсов лазерного излучения; L – длина шва.
Все параметры сведены в таблицу. По каждому варианту задания выполняется ввод для трех расчетов при варьировании одним
из параметров.
79
Задания (исходные данные) на выполнение лабораторной работы
№ варианта
Tпл,
λ,
a,
К
Вт/см К см2/с
r, см
A
Pпот,
Вт
D, см
s
f,
с–1
L,
см
1
2
3
4
5
6
Рабочее окно программы:
3. Указания по выполнению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных, введенных значений и варьируемых значений параметров;
– иллюстрации, поясняющие выполнение операции лазерной
сварки;
– схему решения задачи (блок-схему алгоритма) и основные расчетные выражения;
– выходные результаты проектирования (расчета);
– сравнительный анализ вариантов решенной задачи, выводы
по работе с необходимыми иллюстрациями.
80
Контрольные вопросы
1. Дайте сравнительную оценку твердотельным и газовым лазерам как технологическим инструментам.
2. Какие физические процессы используются в лазерных технологиях ?
3. Рассмотрите параметры лазерного излучения, выбираемые
для технологических операций резки и термического упрочнения.
4. Рассмотрите особенности операций лазерной прошивки отверстий.
5. Рассмотрите особенности процесса лазерной пайки.
6. В чем заключается специфика лазерной обработки пленочных
материалов ?
7. Рассмотрите преимущества и особенности лазерной сварки.
8. Какие факторы влияют на величину эффективного КПД при
различных видах лазерной обработки?
9. Чем определяется нижняя граница плотности мощности излучения, влияющая на эффективное выполнение операции лазерной сварки?
10. Как выбор защитного газа влияет на показатели процесса лазерной сварки?
11. Для каких технологических целей применяется нагрев, связанный с поверхностной термообработкой отдельных зон поверхности и последующим их охлаждением?
12. Что такое лазерное скрайбирование, для каких технологических целей оно применяется и как осуществляется?
Рекомендуемая литература
1. Технологические лазеры: справочник: В 2-х т. Т. 1: Расчет,
проектирование и эксплуатация / Г. А. Абильсиитов, В. С. Голубев, В. Г. Гонтарь и др.; под общ. ред. Г.А. Абильсиитова. М.:
Машиностроение, 1991. 432 с.
2. Сборник технологических задач с расчетом на ЭВМ: лабораторный практикум / под ред. В. П. Ларина. [Электронный ресурс],
Инф. Система кафедры МиНТАП.2011.
81
Лабораторная работа № 5
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ
ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ КОМПЛЕКТУЮЩИХ
ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
Цель работы: на основе анализа типа комплектующих электрорадиоэлементов (ЭРЭ), выбора контролируемых параметров и
требований к их контролю определить характеристики операции
входного контроля и оптимальный набор средств контроля.
Основное назначение предложенной программы – проведение
лабораторных исследований по циклу автоматизации технологических процессов приборостроения. Варьирование исходными данными позволяет провести исследования всего комплекса задач проектирования и найти наиболее рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.
Программа может быть использована также для выполнения
расчетов при разработке операций входного контроля в курсовых и
дипломных проектах [1].
1. Краткие теоретические сведения
и описания алгоритмов решения задач
Одним из важнейших требований, предъявляемых к современному приборостроению, является обеспечение заданного уровня
качества изделия. Контроль качества промышленной продукции
является одной из функций комплексной системы управления
качеством. Контроль обеспечивает выпуск продукции со строго
регламентированными показателями при минимальных потерях
в производстве, а также своевременно предотвращает нарушения
технологического процесса.
К важнейшим факторам, определяющим качество и надежность
выпускаемой продукции, относится качество материалов, полуфабрикатов и комплектации. Выявление брака на начальной стадии производственного процесса позволяет обеспечить не только
предотвращение попадания его на сборку, но и снижение затрат,
связанных с восстановлением и ремонтом электронных узлов приборов по результатам операционного и приемочного контроля.
Особое значение имеет входной контроль электронных компонентов. С повышением уровня сложности производимых изделий
увеличивается уровень ответственности компонента в изделии.
82
Особенно важна 100%-я исправность комплектующих при сборке
ответственных узлов устройств, относящихся к критичным по последствиям отказов. В таких устройствах неисправность (отказ) какого-либо компонента может повлечь за собой выход из строя других компонентов, узлов, а возможно, и всего устройства в целом,
вызывая тем самым катастрофическую ситуацию для изделия (например, летательного аппарата).
Таким образом, очевидно, что необходимо проводить анализ
с целью определения целесообразности выполнения входного контроля для любых типов компонентов, начиная с резисторов и заканчивая интегральными микросхемами.
В соответствии с нормативным документом Р 50-601-40 [2] под
входным контролем следует понимать контроль качества продукции поставщика, поступившей к потребителю или заказчику и
предназначаемой для использования при изготовлении, ремонте
или эксплуатации продукции.
Основными задачами входного контроля могут быть:
– предотвращение запуска в производство или ремонт продукции, не соответствующей установленным требованиям;
– получение с большой достоверностью оценки качества продукции, предъявляемой на контроль;
– обеспечение однозначности взаимного признания результатов
оценки качества продукции поставщиком и потребителем, осуществляемой по одним и тем же методикам и по одним и тем же
планам контроля;
– установление соответствия качества продукции установленным требованиям с целью своевременного предъявления претензий
поставщикам, а также для оперативной работы с поставщиками по
обеспечению требуемого уровня качества продукции.
При проектировании операций входного контроля следует определить:
– номенклатуру материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, требующих входного контроля;
– план входного контроля исходя из номенклатуры, количества
и показателей надежности
комплектующих изделий;
– номенклатуру и необходимое количество контрольно-измерительной аппаратуры (КИА)
и оснастки;
– средства контроля исходя из точностных характеристик;
– объем контроля.
83
Входной контроль продукции может быть сплошным, выборочным или непрерывным
При сплошном контроле каждую единицу продукции в контролируемой партии подвергают контролю с целью выявления дефектных единиц продукции и принятия решения о пригодности продукции к запуску в производство. Сплошной контроль рекомендуется назначать в тех случаях, когда он технически и экономически
целесообразен и продукция штучная. Применение сплошного контроля должно быть указано в нормативно-технической документации на изделие в разделах «Правила приемки».
При выборочном контроле из контролируемой партии продукции в соответствии с планом выборочного контроля извлекаются
случайным образом выборки, по результатам контроля которых
принимают решение о всей контролируемой партии продукции
[3].
При непрерывном контроле каждую единицу продукции подвергают контролю в той последовательности, в которой они производятся, до тех пор, пока не будет получено установленное планом контроля количество годных единиц продукции. После этого
сплошной контроль прекращается, и переходят на выборочный.
На практике часто возникают ситуации, когда важно не только принять решение относительно того, принять или забраковать
партию продукции, но и знать ее фактический уровень дефектности, так как уровень дефектности характеризует качество партии
продукции. Чем меньше уровень дефектности в партии, тем выше
ее качество. Уровень дефектности может быть выражен: процентом дефектных единиц продукции, определяемом из соотношения
Nä
Nï
⋅ 100% или числом дефектов на сто единиц продукции, опреде-
ляемом из соотношения
Nä
Nï
⋅ 100. Первое соотношение рекоменду-
ется использовать, когда достаточно установить только число дефектных единиц продукции из числа проконтролированных. При
этом единица продукции считается дефектной, если она имеет хотя
бы один дефект.
Второе соотношение рекомендуется использовать, когда важно
установить число дефектов в проконтролированных единицах продукции, если в единице продукции может быть один и более дефектов. При этом дефектом следует считать каждое отдельно взятое несоответствие продукции установленным требованиям.
84
Сформулируем ряд задач, которые необходимо решить при проектировании операций входного контроля:
– определение объема контроля (сплошной, выборочный, непрерывный);
– выбор контролируемых параметров;
– оценка достоверности контроля в зависимости от объемов контроля (сплошной, выборочный, однократный, двукратный и т. д.);
– оценка достоверности контроля в зависимости от точностных
характеристик контрольно-измерительной аппаратуры;
– определение трудоемкости контроля;
– выбор средств измерений;
– оценка эффективности входного контроля.
Анализ этих задач показывает, что они могут быть сведены в две
базовые задачи:
– определение объемов контроля и синтез процесса контроля
с выбором контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) при обеспечении заданных требований;
– оценка эффективности контроля на основе количественных и
качественных характеристик процесса и средств контроля.
Описание алгоритма проектирования процесса
входного контроля
Схема алгоритма представлена на рис. 1. Блоки 1 и 2 – здесь
производится анализ комплектующих изделий и их номенклатуры (j = 0,J), выбираются контролируемые параметры для каждого
изделия Хij, где i = 0, I – контролируемые параметры j-го изделия,
определяющие диапазон их изменения Xijmax , Xijmin и требования
по точности измерения δij; блок 3 – ввод исходных данных на проектирование процесса входного контроля, где Ni- объем партии j-го
j
изделия, Pçj , Pèj , Ωçj , Ωèäîï
– вероятностные характеристики проj
j
j
цесса контроля j-го изделия, Däîï
, Täîï
, Cäîï
– требования к процессу входного контроля по достоверности, длительности и стоимости; блок 4 – здесь производится выбор размера контролируемой
партии согласно требованиям; блок 5 – обращение к подпрограмме
определения минимального размера выборки (njmin) и приемочного
числа Сj; блок 6 – обращение к подпрограмме определения оптимального набора контрольно-измерительной аппаратуры; блок 7 –
вывод на печать минимального размера выборки njmin и приемочного числа Сj для каждого изделия и оптимального набора КИА для
осуществления контроля.
85
Начало
1 Анализ комплектующих
изделий
2 Выбор контролируемых
параметров xij, диапазона их
изменения xminij, xmaxij,
точности их измерения δij
3 Ввод : Nj , Pnj ,
P3j , Ω nj , Ω 3j ,
D Aj , TAj ., С Aj
j=0, J
4
Да
Нет
Сплошной?
5 Расчет
nj min, C j
i=0, I
6 Выбор оптимального набора КИА
7
Вывод:
КИАopt , nj min, C
Конец
Рис. 1. Алгоритм проектирования процесса входного контроля
При этом проектировании процесса входного контроля разбивается на две подзадачи.
Подзадача 1. Определение объема контроля и граничной величины брака при известных требуемых вероятностных характеристиках
86
процесса. Входной контроль организуется при известных гарантиях
поставщика, устанавливающего минимальную вероятность годности
в поставляемой партии PèJ . Потребитель требует чтобы вероятность
годности была более определенного значения P3J . Если поставляемая
партия имеет вероятность годности PèJ , то при выборочном контроле
существует вероятность ΩèJ (риск поставщика), что в выборке объемом n бракованных изделий будет больше приемочного числа С и произойдет ошибочное забраковывание партии потребителем.
Риск поставщика для различных законов изменения частоты
бракованных изделий выражается следующими формулами:
– если частота бракованных изделий распределена по закону
Пуассона, т. е. максимальная вероятность брака изделий ( QïJ )
в партии отъемом n, объем выборки n < 0,1Nj, то риск поставщика
ΩïJ =1 −
(n ∗ QïJ )α −nQnJ
⋅e
;
α!
α=0
c
∑
– если частота бракованных изделий распределена по биномиальному закону (n ≤ 0,1Nj, nQ < 4, nP < 4), то риск поставщика
ΩnJ =1 −
c
∑ Cïα ⋅ Qnα ⋅ Pnn−α ;
α=0
– если частота бракованных изделий распределена по нормальному закону (nQ ≥ 4, nP ≥ 4), то риск поставщика
ΩnJ =1 −
где Gn2 Q  =
1
σè {Q} 2π
αn −
∫e
(Q −Qn)2
⋅αQ
2⋅Gn2 {Q}
,
0
Pn ⋅ Qn
– дисперсия частоты брака, если математичеn
ское ожидание Mn{Q} = Qn.
Если принимаемая потребителем партия имеет вероятность
годности P3, т. е. она бракованная, то существует вероятность Ω3 –
риск потребителя, что количество бракованных изделий в контролируемой выборке n будет не более приемочного числа C и партия
будет ошибочно признана годной.
Аналогично выражениям для определения риска поставщика
запишем выражения для определения риска заказчика, для разных случаев распределения:
87
– по закону Пуассона
=
Ω3j
C
∑
(nQ3 )α
⋅ e−nQ3 ;
α=0
– по биномиальному закону
C
Ω3j =∑ Cnα Q3α Pn −α ;
α=0
– по нормальному закону
1
Ω3j =
G3 {Q} 2π
c/n −
∫
e
(Q −Q3 )2
2G32 {Q}
dQ,
0
где Q3 = 1–P3 – вероятность брака, при которой потребитель считает партию бракованной, G32 {Q} = P3 Q3 / n – дисперсия частоты брака, если Ì3 {Q} = Q3 .
Обычно при входном контроле требуется, чтобы Ω3 ≤ 0,1 и
Wи ≤ 0,1. Из двух уравнений для Ω3 и Wи методом оптимизации можно определить минимальный объем выборки nmin с соответствующим числом С, при котором выполняются условия для Ω3 и Wи,
что позволит снизить затраты, связанные с проведением сплошного контроля (временные и стоимостные). Для ряда ответственных
изделий с жесткими требованиями проводится только сплошной
контроль несмотря на увеличение затрат, что оговаривается в техническом задании на организацию контроля.
Описание алгоритма определения объема
контролируемой выборки и приемочного числа
Схема алгоритма представлена на рис. 2. Блок 1 – определяется
вероятность брака в партии для поставщика Qèj и заказчика Q3j ;
блок 2 – определяется закон распределения частоты брака в партии (биноминальный, нормальный или закон Пуассона); блоки 5
и 6 – определяют предварительное число изделий в выборке; блок
7 – определяет риск поставщика и заказчика Ωèj , Ω3j (биноминальный закон распределения) при различных объеме выборки njmin и
приемочном числе Сj путем перебора по n (n = 0,1, …,M) и С (С = 0,1,
…,n); блок 8 – сравниваются значения риска поставщика и заказчика с допустимыми; блок 10 – определяет максимальный объем
выборки для нормального закона распределения; блок 11 – определяется текущее значение М; блоки 12, 13 – определяют нижнюю и
88
Начало
Ввод: Ω j
1
,
идоп
n,Pи, P3 , Ω 3j доп
2 Q иj =I– P иj
Q 3j =I–P 3j
3 Q иj ≤ 0, I
Да
18
Q 3j ≤ 0, I
Нет
Да
Нет
4 Q иj –Q 3j >0
5 M=4/Qиj
6 M=4/Q 3j
n=0, M
7 Ω 3j =
C
Σ С α Q α (1–Q 3j )(1–Q 3j )n–α
α =0 n 3
С=0,n
C
Σ С αn Q иα (1–Q иj ) n–α
Ω иj =1–
α =0
855
888
8 Ω 3j ≤ Ω 3j доп
j
Ω иj ≤ Ω идоп
Да
9
Нет
10
Рис. 2. Алгоритм определения объёма контролируемой выборки и
приёмочного числа
89
3
n=1, N
C=0, n
j
j
С
(Q3 )α −n Q3
e
α= 0 α !
j
С
(nQ иj )α − n Qи
e
Ωиj=1–
α =0 α !
18 Ω3j = Σ
Σ
j
j
Да
19 Ω 3 ≤ Ω 3доп
9
j
j
Ω и ≤ Ω идоп
Нет
16 Вызов оператора
8
18 МД=0,1*N
11 M=M+1
12
S=n*Q иj
n=M, MД(10)
13 T=n*Q 3j
14
С
Σ С α Q j (1− Q3j ) nα
α= 0 n 3
С
α
Ω 3j =1–Σ С n Qиj (1 − Qиj ) n α
α= 0
Ω иj =
15 Ω 3j ≤ Ω 3j доп
C=S, T(1)
Нет
j
Ω иj ≤ Ω идоп
Да
8
19
9
Вывод: nj min, Cj
Конец
Рис. 2. (Окончание)
90
16 Вызов
оператора
верхнюю границы приемочного числа Сj; блок 14 – определяет риск
поставщика и заказчика (нормальный закон распределения) при
различных объеме выборки njmin и приемочном числе Сj; блок 15 –
сравниваются значения риска поставщика и заказчика с требуемыми; блок 9 – вывод на печать минимального объема выборки njmin и
приемочного числа Cj; блок 17 – определение риска поставщика и
заказчика (закон Пуассона); блок 18 – сравнение их с требуемыми.
Подзадача
2. Выбор средств контроля из заданного множества
____
____
Qk , k = 1, K для каждого контролируемого параметра Xi , i = 1, I
известна структура, задаваемая набором:
1, åñëè Qk → Xi ,
εik =

0, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå .
При этом каждый вариант КИА отличается стоимостью, погрешностью и временем преобразования в зависимости от набора.
Примеры внешних видов приборов для входного контроля ИМС
приведены в приложении к данным методическим указаниям.
Введем:
1, åñëè íàçíà÷àåòñÿ êîýôôèöèåíò mk óñòðîéñòâà Qk ;
j(mk ) =

0, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå,
1, åñëè çàïðåùàåòñÿ èñïîëüçîâàòü mk óñòðîéñòâà Qk ;
f (mk ) = 
0, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå.
Таким образом задача оптимизации набора средств контроля
сводится к минимизации затрат при условии обеспечения контроля
в течение заданного времени Tдоп с заданной достоверностью Dдоп.
min C=
j(mk )
k Mk
∑ ∑ j(mk ) ⋅ C(mk ),
k =1 mk
I
I
∏ Di(δi ) ≥Däîï ; ∑ ti ≤ Täîï ,
i =1
i =1
ωk=
Mk
∑
mk =1
j(mk )= 1, k= 1, K,
где mk – число модификаций устройства Qk; δi; ti – погрешность и
время контроля параметра Xi; C(mk) – стоимость модификации mk
устройства Qk, причем
91
δi =δim +
k
Mk
k +1
mk
∑ αik ∑ j(mk )δ(mk ),
где αik – коэффициент влияния погрешности устройства Qk на общую погрешность контроля Xi; d(mk) – погрешность mk-й модификации устройства Qk.
Время контроля параметра:
k
=
ti tim ∑ βik
Mk
∑
k 1=
mk 1
=
j(mk ) ⋅ τ(mk ),
где tim – время проверки параметра Xi, связанное с методикой контроля; βik – коэффициент влияния времени преобразования устройства Qk на время проверки Xi; t(mk) равно времени преобразования
модификации mk устройства Qk.
Описание алгоритма выбора средств контроля
из заданного множества
Схема алгоритма представлена на рис. 3. Блок 1 – ввод исходных данных Qk (k = 1, K) , число контролируемых параметров X1,
X2,…,Xi (i = 1,I), εik, j(mk), C(mk); блок 2 – вычисление начального
значения стоимости опорного режима; блок 3 – вычисление начальных граничных оценок стоимости обеспечения контролем
всех объектов контроля, времени ТЕ и достоверности DЕ для каждой КИА; блок 4 – проверяют возможность решения задачи (задача не имеет решения, если не выполняется одно из условий);
блок 5 – назначают новый шаг ветвления, выбирают номер параметра i и варианта j его контроля (ϕij); блок 6 – выполняет оценки
TЕ, DЕ, СЕ; блок 7 – проверяет перспективность рассматриваемого подмножества; блок 8 – проверяет выбраны ли модификации
для каждого устройства: блок 9 – запоминает опорное решение
(т. е. все i и j, для которых ϕmk = 1 и его стоимость Cоп = CЕ); блок
10 – проверяет возможность запрещения последнего назначенного варианта; блок 11 – формирует запрещение (j(mk) = 0, ¦(mk) = 0);
блок 12 – проверяет наличие нерассмотренных подмножеств; блок
13 – осуществляет возврат к предыдущему шагу ветвления; блок
14 – выводит оптимальное решение, которым служит последнее
опорное решение.
92
Начало
1 Ввод исходных
данных
K
Cоп = kΣ=1 C(m kc )
2
I
Te = Σ{ tim +
3
i =1
I
Mk
K
Σ β Σ [ϕ (mk)τ(mk) +(1–ωk ) τ (mkt)]};
k=1 ik m =1
k
Де =∏ Дi (δ );
*
i
i =1
δ
*
i =
K
Mk
k=1
mk=1
δ im + Σ αik
Σ [ ϕ(mk) δ (mk) + (1− ω k)δ (mkt)]
Нет
4
15
Тe ≤ Tдоп
Де ≥ Д доп
Решение
отсутствует
4
Да
5
ϕ (mk ) = 1, ∆Д (mk ) , ∆C (mk ) , ∆t(mk ) ,
R µx=max { ∆Д (mk )[
∆(mk )
∆t(mk ) −1
+
] ⇒ ϕ(µx ) = 1
C оп − C о Tдоп − Te
11
I
I
Te = Σ ti* , Дe = ∏ Дi (δ i* ),
6
i =1
i =1
K
C e = Σ C (mk ) ϕ(mk ) + (1− ω k )C (mkt)
k=1
Нет
10
7 С e < C доп , Te <Tдоп , Д e ≥ Д доп
Да
Нет
8 Выбраны ли моди
фикации для каждого
устройства?
9
Рис. 3. Алгоритм выбора средств контроля из заданного множества
93
2. Порядок выполнения работы
Ввести значения вероятностей годности партии комплектующих Pп и Pз. Риски поставщика и заказчика вводятся на основе выражения ТЕТ = 1 – P.
Необходимо выполнить 5–7 последовательных введений различных комбинаций Pп и Pз с фиксацией результатов расчетов.
Комбинации Pп и Pз следует составлять относительно заданных
значений для бригады (Pп – Pз ≥ 0,7).
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных, введенных значений и варьируемых значений параметров;
– схему решения задачи (укрупненную блок-схему алгоритма) и
основные расчетные выражения;
– выходные результаты проектирования (расчета);
– сравнительный анализ вариантов решенной задачи, выводы
по работе с необходимыми иллюстрациями.
Контрольные вопросы
1. Решение каких задач входит в проектирование операции
входного контроля?
2. В чем заключаются методики расчета минимального размера
выборки и приемочного числа изделий?
3. На каких принципах строится методика выбора средств контроля?
4. Что понимается под достоверностью контроля?
5. При каких соотношениях Pп и Pз программа рекомендует
сплошной контроль и почему?
Рекомендуемая литература
1. Сборник технологических задач с расчетом на ЭВМ: лабораторный практикум / Под ред. В.П. Ларина. [Электронный ресурс],
Инф. Система кафедры МиНТАП. 2011.
2. Р-50-601-40 -Рекомендации. Входной контроль. Основные положения. М.: ВНИИС. 1993.
3. ГОСТ 18321. Статистический контроль качества. Методы случайного отбора выборок штучной продукции. М.: Госстандарт, 1973.
94
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМОВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК
Цель работы: исследование процесса термовакуумного напыления резистивных пленок методом математического моделирования с использованием теории планирования эксперимента.
Ознакомление с современными методами исследования многофакторных процессов на примере построения математической модели
процесса термовакуумного напыления резистивной пленки, разработка программы экспериментальной части, построение математической модели и проверка ее адекватности.
1. Краткие теоретические сведения
Основы теории планирования эксперимента
Лабораторная работа базируется на идеях и методах теории планируемого эксперимента [1], позволяющих в результате проведения серии опытов с последующей обработкой полученных результатов установить количественные взаимосвязи между факторами,
задающими режим технологического процесса и определяющими
выходными параметрами изделия, которые получают при реализации исследуемого процесса. Наличие подобной взаимосвязи (математической модели процесса) позволяет решать широкий круг
практических задач: оптимизировать технологический процесс
по тем или иным технико-экономическим показателям (производительности, технологической себестоимости, надежности и др.),
устанавливать обоснованные нормы точности на режимные факторы процесса, разрабатывать оптимальные системы управления
технологическим процессом при его автоматизации.
Сложность полученной математической модели процесса и количество экспериментов, предшествующих ее построению, пропорциональны количеству режимных факторов, включенных в рассмотрение. Для сложных технологических процессов характерно
то обстоятельство, что лишь небольшое количество факторов оказывает существенное влияние на выходные параметры изделия
(полуфабриката), воздействие остальных факторов малозначимо и
их можно рассматривать как некоторое «шумовое поле», на фоне
которого протекает процесс.
95
Поэтому серии экспериментов, направленных на получение данных для построения математической модели, предшествует серия
отсеивающих экспериментов, по результатам проведения которых
исключаются из дальнейшего рассмотрения малозначимые факторы. Как отсеивающие, так и основные эксперименты проводятся по
специальной программе, задающей значения режимных факторов
для каждого отдельного опыта. В отличие от традиционных методов исследования, при которых варьируется каждый из факторов
по очереди, в многофакторном анализе, лежащем в основе теории
планируемого эксперимента, все изучаемые факторы варьируются
одновременно. Очевидно, что в этом случае влияние каждого фактора в отдельности будет определяться по всей совокупности проводимых опытов, а это, в свою очередь, позволяет повысить точность
получаемых результатов за то же время либо существенным образом снизить объем экспериментов при сохранении точности, соответствующей однофакторной схеме.
Преимущества многофакторного анализа становятся особенно
ощутимыми при исследовании сложных технологических процессов, зависящих от большого числа режимных факторов. При
проведении экспериментов по многофакторной схеме режимным
факторам процесса qj (j = 1,m) придаются значения, отличные от
номинальных q0j, математическую модель процесса ищут в виде
полиномов различной сложности:
– линейного уравнения
m
qâûõ
= A0 + ∑ A j qj ; (1)
j =1
– неполного квадратного уравнения
m
m
qâûõ =
A0 + ∑ A j qj + ∑ A jv qj qv ; =j 1
(2)
j ≠v
– квадратного уравнения
qâûõ
m
m
m
j=
1
j ≠v
j=
1
= A0 + ∑ A j qj + ∑ A jv qj qv + ∑ Bj q 2j ; (3)
При линейной интерпретации процесса режимные факторы варьируются на двух уровнях: нижнем qj min и верхнем qj max, интервалы варьирования qj min – qj max выбираются симметричными от96
носительно номинальных значений факторов, а их протяженность
такой, чтобы выходные параметры изделий не выходили за пределы допустимых значений, устанавливаемых техническими требованиями. Для удобства записи программы эксперимента нижним
уровнем факторов присваивают кодированное обозначение (-1), номинальным (0), верхним (+1). Общее количество опытов, задаваемое всеми возможными сочетаниями m факторов, варьируемых на
двух уровнях, составляет
N = 2m (4)
Программа, предусматривающая реализацию всех N опытов,
называется полным факторным экспериментом (ПФЭ). При линейной интерпретации исследуемого процесса отсеивающие эксперименты, проводимые по программе ПФЭ, обладают большой избыточностью, и в этом случае используют дробные планы, число опытов в которых выбирается равным 1/2N, 1/4N, 1/8N. План 1/2N
называет полурепликой ПФЭ.
Программа эксперимента, записанная в матричной форме (см.
табл. 3), носит название матрицы планирования. Матрица планирования устанавливает последовательность проведения эксперимента и кодирование значений факторов для каждого опыта.
Объект экспериментирования
Объектом исследования является процесс термовакуумного напыления резистивных пленок. Механизм процесса термовакуумного напыления тонких пленок, в том числе резистивных, достаточно
подробно рассмотрен [2–4]. Определяющим выходным параметром
резистивной пленки служит ее удельное сопротивление – сопротивление квадрата пленки. Режимными факторами процесса термовакуумного напыления, определяющими удельное сопротивление пленки для данного материала и типа подложки, являются:
глубина вакуума, температура подложки, ток подогревателя, время напыления, температура стабилизации, время стабилизации.
Последние два фактора не относятся непосредственно к процессу
напыления. Технологический процесс конденсации пара и образования тонкой пленки на подложке не является длительным (несколько секунд). В результате этого структура пленки не соответствует структуре с малой внутренней энергией и такая структура
нестабильна. С течением времени или с изменением температуры
эта структура изменяется, а следовательно, меняются и электриче97
ские характеристики пленки. Поэтому для стабилизации характеристик тонких пленок рекомендуется после напыления подвергать
их термической обработке с параметрами: температура стабилизации, время стабилизации. Термообработка существенным образом
влияет на значение удельного сопротивления резистивной пленки
и его стабильность.
Первая часть работы «Отсеивание несущественных факторов
процесса термовакуумного напыления резистивных пленок» включает практическую реализацию матрицы планирования отсеивающего эксперимента, содержащей 1/8N ПФЭ для шести режимных
факторов и построение по результатам эксперимента диаграммы
рассеивания (рис. 1). Анализ диаграммы позволяет выявить три
наименее значимых фактора, которые исключаются из дальнейшего рассмотрения при выполнении второй части работы.
Вторая часть работы «Построение математической модели процесса термовакуумного напыления резистивных пленок» включает 4-кратную реализацию матрицы планирования, содержащей
ПФЭ для трех доминирующих режимных факторов и математическую обработку полученных результатов: вычисление и проверку
однородности построчных дисперсий для выявления грубых ошибок, которые могли быть допущены при проведении эксперимента, вычисление постоянного члена и коэффициентов полинома
линейной модели процесса, проверку адекватности полученной
модели, позволяющую подтвердить или опровергнуть правомерность исходной предпосылки о линейной интерпретации процесса
напыления.
Вычисление и проверка однородности построчных дисперсий
1. Расчет средних значений удельного сопротивления резистивной пленки. Рассчитываются построчные средние значения удельных сопротивлений пленки
qâûõi =
где
1 n
∑q ; n j =1 âûõij
(5)
1 n
– сумма выходных параметров i-й строки, j-го столб∑q
n j =1 âûõij
ца; q̄выхi – усредненное значение выходного параметра для параллельных опытов; n – число дублирования опытов, т. е. n = 4.
98
2. Расчет построчных дисперсий удельного сопротивления резистивной пленки производится по формуле
n
Si2
∑ ( qâûõij − qâûõi )
=
j =1
,
n −1
2
(6)
где Si2 – построчная дисперсия параллельных опытов; qвыхij – выходной параметр I – строки и j – столбца.
3. Проверка однородности построчных дисперсий по критерию
Фишера.
Исходя из полученных построчных дисперсий, определяем расчетное значение критерия Фишера по формуле
Fp′ = Si2max / Si2min , (7)
где S2i max, S2i min – максимальная и минимальная построчные дисперсии,
Расчетное значение критерия F′р сравнивается с табличным F′т
(табл. 1).
Для 5%-го уровня значимости и числа степеней свободы
f′1 = f′2 = n – 1 = 4 – 1 = 3, табличное значение F′т = 9,3. Под числом
степеней свободы в статистике понимают разность между числом
опытов и количеством коэффициентов модели, вычисленных по результатам этих опытов независимо друг от друга.
При F′р < F′т построчные дисперсии считаются однородными.
Если имеет место обратное соотношение, то это значит, что при проТаблица 1
Значения критерия Фишера для 5%-го уровня значимости
от числа степеней свободы
f1
1
2
3
4
5
6
f2
1
2
3
4
5
6
164,4
18,5
10,1
7,7
6,6
6,0
199,5
19,2
9,6
6,9
5,8
5,1
215,7
19,2
9,3
6,6
5,4
4,8
224,6
19,3
9,1
6,4
5,2
4,5
230,2
19,3
9,0
6,3
5,1
4,4
234,0
19,3
8,9
6,2
5,0
4,3
99
ведении эксперимента были допущены грубые нарушения. В этом
случае просматриваются значения удельных сопротивлений для
строк, имеющих крайние значения дисперсий, вычеркиваются
результаты опытов, значительно отличающихся от средних показаний. Вычисляются новые значения дисперсий и новое значение
критерия F′р, которое вновь сравнивается с табличным.
4. Расчет коэффициентов полинома (A0, …, Aj). Коэффициенты
полинома рассчитываются по формулам
1 N
∑q ; N i =1 âûõi
(8)
1 N
∑q q ,
N j =1 âûõi ij
(9)
A0 =
Ai =
где N = 8 – число опытов ПФЭ; qij – значение нормированного фактора, равное «+1» или «–1» из i-й строки j-го столбца.
После расчета коэффициентов составляется математическая модель процесса
l
qâûõ
= A0 + ∑ A j qj , (10)
j =1
где l – число доминирующих факторов, равное 3.
5. Расчет теоретических значений удельного сопротивления

пленки qâûõi , полученных по математической модели для i-го режима напыления
l

qâûõ
=
i A0 + ∑ A j qij . (2.11)
j =1
6. Проверка адекватности модели. Для оценки адекватности полученной модели необходимо сравнить экспериментально полученные
и рассчитанные по модели значения удельного сопротивления пленки. Проверка адекватности модели производится также по критерию
Фишера, расчетное значение критерия определяется по формуле
N
∑ ( qâûõ − qâûõi )2 f2′′N
′′ = i =1
Fðàñ÷
100
N
∑
i =1
,
Si2f1′′
(2.12)

где qâûõi – значение удельного сопротивления пленки, вычисленное на основании полученной модели для i -то режима напыления;
f1» – число степеней свободы при определении коэффициентов модели, равное N – l = 8–3 = 5; f2» – число степеней свободы при определении дисперсии эксперимента, равное N–1 = 4 – 1 = 3. Для 5%го уровня значимости и f1» = 5, f2» = 3 табличное значение критерия равно F»табл = 5,4. Расчетное значение критерия сравнивается
с табличным; если F»расч< F»табл, то с доверительной вероятностью
95% полученная модель считается адекватной исследуемому процессу, а исходная предпосылка о возможности линейной интерпретации процесса – правомерной.
Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на виртуальном макете, реализованном на основе пакета прикладных программ Lab View.
2. Порядок выполнения работы
Отсеивание несущественных факторов
Экспериментальная часть.
1. Получите у преподавателя исходные данные номинального
режима напыления (табл. 2).
Таблица 2
Наименование
фактора
1
2
Положение ручек регулировки
3
4
5
6
7
8
Глубина вакуума,
100 50
10
5
1
0,5 0,01 0,005
кПа
Температура подлож- 100 150 200 250 300 350 400 450
ки, °С
Ток подогревателя, А 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Время напыления, с
2
3
4
5
6
7
8
9
Температура
50
75
100 125 150 175 200 225
стабилизации, °С
Время
2
4
6
8
10
12
14
16
стабилизации, с
2. Включите компьютер, откройте файл «ЛР6» (двойным щелчком по иконке на рабочем столе). Выберите в папке «Напыление»
файл «start.exe» или «start3.exe» (отличаются лишь видом окна).
101
Рис. 1. Рабочее окно установки исходных параметров операции
В появившемся окне (рис. 1) установите ручки регулировок режимных факторов в заданное преподавателем положение, соответствующее номинальному режиму напыления.
3. Нажмите кнопку «Пуск» и произведите регистрацию показаний прибора, соответствующего значению сопротивления резистивной пленки для установленного номинального режима напыления.
4. Приступите к реализации отсеивающего эксперимента в соответствии с матрицей планирования (табл. 3).
Таблица 3
Номер режима
q1
q2
q3
q4
q5
q6
1
2
3
4
5
6
7
8
+1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
+1
+1
+1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
+1
qвыхi, Ом/
Установите режим напыления, задаваемый первой строкой матрицы планирования путем увеличения (+1) или уменьшения (–1)
102
Рис. 2. Рабочее окно с матрицей планирования
значений режимных факторов на одно деление относительно их положения, соответствующего номинальному режиму, нажать кнопку «Пуск» и далее как в предыдущем пункте. Подобным образом
реализуется вся серия опытов отсеивающего эксперимента.
5. Нажмите кнопку «Выход».
Расчетно-графическая часть. По результатам выполненной
первой экспериментальной части работы (табл. 3) строятся диаграммы рассеивания значений удельного сопротивления по каждому фактору q1, q2, q3, q4, q5, q6. Для этого откройте файл «ЛР2» и
Рис. 3. Рабочее окно с построенной диаграммой рассеивания факторов
103
в папке «Расчет» запустите «Start2». В открывшемся окне введите
полученные ранее значения qвых в матрицу планирования (рис. 2) и
нажмите кнопку «Расчет».
Программа автоматически построит диаграмму рассеивания исследуемых факторов (рис. 3).
Построение математической модели процесса
термовакуумного напыления резистивных пленок
Экспериментальная часть. В результате проведения первой
части работы имеем три доминирующих фактора (qx, qy, qz), влияющих на сопротивление резистивной пленки. В соответствии
с матрицей ПФЭ для трех факторов (qx, qy, q z) для повышения
точности эксперимента последовательно производится четырехкратная реализация для доминирующих факторов (табл. 4). Для
этого откройте файл «ЛР6», выберите в папке «Напыление» файл
«start.exe» или «start3.exe» и в появившемся окне последовательно устанавливая режимы напыления, соответствующие матрице
планирования, занесите в табл. 4 показания qвых i. Повторите эксперимент четыре раза. При этом ручки регулировки факторов,
исключенных из рассмотрения по результатам отсеивающего эксперимента, устанавливаются в положение, соответствующее их номинальным значениям.
Таблица 4
Номер режима (i)
qx
qy
qz
1
2
3
4
5
6
7
8
+1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
+1
+1
–1
–1
–1
–1
qвыхi, Ом/
Реализация (j)
1
2
3
4
qâûõ i
Si2

qâûõi
Произведите расчет средних значений и построчных дисперсий удельного сопротивления резистивной пленки. Для этого откройте файл «ЛР2» и в папке «Расчет» запустите « Start2». В открывшемся окне введите полученные ранее значения qвых в окно
104
Рис. 4. Результаты расчета дисперсий
«Последовательная четырехкратная реализация исследуемых
факторов» и нажмите кнопку «Расчет». Программа автоматически
произведет расчет qâûõ i и Si2 (рис. 4).
Нажмите кнопку «Закрыть».
Расчетная часть. Проверяются однородности построчных дисперсий (в соответствии с формулой 7), производится расчет коэффициентов полинома (формулы 8 и 9) и составляется математическая модель процесса (10) вида:
qâûõ =
A0 + Ax qx + Ay qy + Azqz .
По полученной математической модели рассчитываются теоре
тические значения удельного сопротивления пленки qâûõi для режимов 1–8 табл. 4 и осуществляется проверка адекватности модели
(в соответствии с формулой 2.12).
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– формулировку цели выполнения работы;
– таблицу, содержащую данные номинального режима и соответствующие им значения удельного сопротивления резистивной
пленки;
– матрицы планирования с экспериментальными данными;
– диаграмму рассеивания исследуемых факторов;
– результаты проверки однородности построчных дисперсий;
– расчет коэффициентов полинома;
– математическую модель процесса, результаты проверки ее на
адекватность, выводы по работе в целом.
105
Контрольные вопросы
1. В чем состоит суть многофакторного анализа?
2. Что такое ПФЭ, что такое дробные реплики ПФЭ и в каких
случаях ими пользуются?
3. Каким образом выбирается интервал варьирования факторов?
4. Каким образам осуществляется кодирование варьируемых
факторов при составлении матрицы планирования?
5.Что такое и для чего нужен отсеивающий эксперимент?
6. Каким образом по результатам отсеивающего эксперимента
выявляются малозначимые факторы?
7. Для чего применяют дублирование опытов при проведении
основного эксперимента?
8. Каким образом проверяется однородность построчных дисперсий и для чего нужна такая проверка?
9. Как вычисляются коэффициенты полиномиальной модели
процесса по результатам эксперимента?
10. Как производится и для чего необходима проверка модели на
адекватность?
11. Каковы принципы работы установки для термовакуумного
напыления?
12. Как влияют глубина вакуума и атмосфера остаточных газов
на качественные характеристики резистивных пленок?
13. Из каких соображений выбирается температура подложки?
14. Какие типы испарителей применяются при напылении резистивных пленок?
15. На основании каких данных выбирается температура испарителя?
16. В чем состоит суть процесса стабилизации резистивных пленок?
Рекомендуемая литература
1. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.
2. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: учеб. пособие СПб.: Лань, 2007.
С. 319–327.
3. Смирнов В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств: учеб. пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2005. С. 72–89.
4. Томилин В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств: учебник. М.: Академия, 2009.
106
Лабораторная работа № 7
СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Цель работы: на основе статистического анализа контролируемого параметра партии деталей оценить точность технологической
операции технологического процесса токарной обработки.
1. Краткие теоретические сведения
Показатели и методика статистического исследования точности
технологических операций
Точность технологических процессов изготовления определяется
точностью обработки деталей на отдельных технологических операциях. Достижимая точность изготовления деталей (степень соответствия
чертежам и заданным техническим условиям) зависит от целого ряда
производственных погрешностей. Оценка точности технологических
процессов проводится для выявления факторов, приводящих к появлению дефектов изготовления или оказывающих решающее влияние
на величину случайных и систематических погрешностей обработки,
для определения фактических точностных характеристик технологических операций, обусловленных состоянием оборудования, качеством инструмента, заготовок и другими особенностями конкретных
технологических операций в определенный период времени.
Оценка точности должна проводиться по параметрам детали,
оказывающим решающее влияние на функциональные показатели
изделия в целом и лимитирующим нормальный ход технологических процессов.
Основными характеристиками точности технологических операций являются:
– величины случайных и систематических погрешностей контролируемых параметров;
– функции изменения случайных и систематических погрешностей;
– зависимости между погрешностями изготовления контролируемых параметров.
Оценка точности технологических процессов должна включать
следующие этапы:
– измерение контролируемых параметров деталей, заполнение
протоколов измерений;
107
– статистическую обработку результатов измерений;
– анализ результатов статистической обработки.
Наиболее трудоемким является второй этап этой работы.
Статистический анализ точности осуществляется с помощью законов распределения производственных погрешностей исследуемых
технологических операций и, в свою очередь, распадается на несколько этапов.
На первом этапе по экспериментальным данным, полученным
при проведении исследуемой технологической операции, строится
эмпирическая (опытная) кривая плотности вероятности распределения производственных погрешностей и определяются числовые
характеристики этого распределения.
На втором этапе для установления вида закона распределения
построенной эмпирической кривой плотности вероятности по качественным признакам подбирают подходящее теоретическое распределение. Замена полученной эмпирической кривой теоретически позволяет перенести на опытное распределение все свойства
хорошо изученных теоретических законов и облегчить работу по
анализу точности.
На третьем этапе проводится проверка выдвинутой гипотезы о
соответствии эмпирического распределения выбранному теоретическому. Для проверки используются статистические критерии согласия. Если выдвинутая гипотеза подтверждается, то эмпирическое распределение заменяется теоретическим; если не подтверждается, то для аппроксимации эмпирической кривой подбирается
теоретическая кривая другого закона распределения.
На завершающем этапе по построенной кривой плотности вероятности и ее числовым характеристикам оценивается точность исследуемой технологической операции.
Математическая обработка статистических результатов
исследования точности технологических процессов
Погрешности обработки деталей, вызываемые различными производственно-технологическими факторами, являются величинами случайными, что обуславливает необходимость применения
в анализе точности методов теории вероятностей и математической
статистики.
Случайной величиной называется величина, которая в результате опыта может принять тo или иное значение [1]. Например,
признак качества Х для партии деталей объемом n, изготовленной
108
в одной технологической операции, есть величина случайная, так
как каждая деталь будет характеризоваться своим значением признака качества x1, x2 ,..., xi ,..., xn (i = 1,n).
Основной теоретической числовой характеристикой случайной
величины является вероятность ее появления P, которая позволяет
принимать любое значение от 0 до 1 включительно
0 ≤ P{x} ≤ 1.
Сумма вероятностей всех возможных значений случайной величины
n
∑ Pi = 1.
i =1
Эта суммарная вероятность каким-то образом распределена
между отдельными значениями случайной величины. Для полного описания случайной величины необходимо точно определить,
какой вероятностью обладает каждое из значений, т. е. установить
закон распределения случайной велиF(x)
чины.
1,0
Одной из форм закона распределения является функция распреде- F(x )
β
ления F(x) случайной величины x,
F(xi)
которую иногда называют интегральной функцией распределения или ин- F(xα)
тегральным законом распределения
xα xi xβ
x
(рис. 1).
С помощью графика можно определить вероятность того, что случай- Рис. 1. График интегральной
функции
ная величина x не превысит некотораспределения вероятности
рого значения xi т. е.
P{x ≤ xi } =
F (x).
Функция
распределения
характеризуется
следующими
свойствами: F(x) есть неубывающая функция своего аргумента,
т. е. при x2>x1, F (x2 ) ≥ F (x1 ), на минус бесконечности функция распределения равна нулю F (−∞) = 0; на плюс бесконечности функция
распределения равна единице F (+∞) = 1.
Другой формой закона распределения случайной величины
является плотность распределения (плотность вероятности) f(x),
109
f(x)
которая представляет собой производную от функции распределения
f(x) = F′(x).
(1)
Плотность вероятности характеризует плотность, с которой рас0 α β
x
пределяются значения случайной
величины в данной точке.
Рис. 2. График плотности
Функцию f(x) называют такраспределения
же дифференциальной функцией
вероятности
распределения или дифференциальным законом распределения.
Кривая, представленная на рис. 2, изображает плотность распределения случайной величины и называется кривой распределения.
Плотность вероятности характеризуется следующими свойствами: плотность вероятности есть неотрицательная функция f (x) ≥ 0,
т. е. вся кривая распределения лежит не ниже оси абсцисс;
интеграл
+∞
в бесконечных пределах от плотности равен единице ∫ f (x)dx = 1,
−∞
т. е. полная площадь, ограниченная кривой распределения и осью
абсцисс, равна единице.
С помощью кривой распределения находится вероятность попадания случайной величины в заданные пределы. Например, вероятность попадания x на отрезок от a до β равна площади кривой
распределения, опирающейся на этот участок (рис. 2, заштрихованная область), т. е.
β
P{α ≤ x ≤ β} = ∫ f (x)dx.
α
Учитывая соотношение (1), вероятность попадания x в заданные
пределы от a до β, определяется также разность величин функции
распределения, взятых при значениях пределов, т. е.
P{xα ≤ x ≤ x=
(2)
β } F (xβ ) − F (xα ). Из выражения (2) следует, что вероятность попадания случайной величины на заданный участок равна приращению функции
распределения на этом участке (см. рис. 1).
Кроме законов распределения для описания случайных величин
используются числовые параметры, позволяющие в сжатой форме
выразить существенные особенности распределения.
В теории вероятности и математической статистике применяется большое количество различных числовых параметров.
110
Рассмотрим лишь те из них, которые используются при исследовании точности технологических операций.
Наиболее важными числовыми параметрами распределения
являются параметры, характеризующие положение кривой распределения на оси абсцисс, степень рассеяния значений случайной величины, степень асимметрии и крутости кривой распределения.
Из характеристик положения важнейшую роль играет математическое ожидание (среднее значение) случайной величины x,
указывающее некоторое среднее ориентировочное значение, около
которого группируются все возможные значения случайной величины. Среднее значение случайной величины есть некоторое число, являющееся как бы ее «представителем» и заменяющее ее при
грубо ориентировочных расчетах. Математическое ожидание определяется формулой вида
x=
1 n
∑ xi .
n i =1 (3)
Характеристикой рассеивания, разбросанности значений случайной величины около ее математического ожидания является
дисперсия S2, которая определяется следующей формулой:
1 n
(4)
∑ i=1(xi − x)2.
n
Дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины,
что в практике анализа не всегда удобно. Для наглядности характеристики рассеивания удобнее пользоваться величиной среднего
квадратического отклонения S, получаемой извлечением корня из
дисперсии и равной
=
S2
n
S=
∑ i=1(xi − x)2
(5)
n −1
Для закона нормального распределения изменение среднего
квадратического отклонения приводит к изменению формы кривой. Так как для кривой распределения расположенная под ней
площадь равна единице, то изменение среднеквадратического отклонения равносильно изменению масштаба кривой распределения – увеличению масштаба по одной оси и уменьшению по другой,
так, как это показано на рис. 3.
111
f (x)
Распределения случайной величины могут быть симметричными
и асимметричными по отношению
к математическому ожиданию.
Например, асимметричность распределения признака качества обрабатываемых деталей вызывается систематическими ошибками
(износ и деформация инструмента, температурные деформации и
т. д.). Асимметрия находится из
выражения
S=0,5
S=1
S=2
0
х
Рис. 3. Кривая нормального
распределения при различных
значениях среднего
квадратического отклонения
n
∑ (xi − x)3 .
A = i =1
nS3
Степень крутости, т. е. островершинности или плосковершинности кривой распределения оценивается при помощи эксцесса E,
который рассчитывается по формуле
n
=
E
∑ i=1(xi − x)4 − 3.
nS4
В технологии приборостроения интерес представляет не просто
степень крутости кривой распределения, а ее отклонение от степени крутости образцовой кривой распределения, в качестве которой
выбирается кривая нормального
распределения. Для нормального
f( x)
распределения эксцесс равен ну2( E>0)
лю; кривые более островершинные по сравнению с нормальной
1 ( E=0 )
обладают положительным эксцессом, кривые более плосковершин3(E<0 )
ные – отрицательным эксцессом.
x
На рис. 4 представлены нормальное распределение (кривая 1), распределение с положительным эксРис. 4. Кривые плотности
цессом (кривая 2) и распределение
распределения
с отрицательным эксцессом (кривероятности с различными
значениями эксцесса
вая 3).
112
Определение эмпирического закона распределения
производственных погрешностей
Определение эмпирической кривой плотности распределения
вероятности производственных погрешностей исследуемой технологической операции производится с помощью больших и малых
выборочных совокупностей (выборок). Выборка – совокупность элементов (деталей), которые выбираются из генеральной совокупности
для получения достоверных сведений о всей совокупности. Число
членов n, образующих выборку, составляет ее объем. Большой выборочной совокупностью считается выборка объемом n>20, а малой
–n<20. От правильного определения объема выборки зависит объем
исследований, сроки, в которые оно будет проведено, затраты, а также точность и достоверность результатов исследования.
Выборки по отношению ко времени их образования могут быть
единовременными и мгновенными (текущими). Единовременной
является выборка, которая отобрана из партии деталей после их
изготовления. Для обеспечения представительности выборки все
детали должны быть перемешаны между собой. Мгновенной является выбора, которая состоит из деталей, последовательно изготовленных за определенный промежуток времени на данном станке
при данной настройке.
По мгновенной выборке объемом от 5 до 20 деталей, полученных
в последовательности их обработки на одном станке, определяют
влияние случайных факторов на качество изготовления деталей.
По общей выборке, состоящей из 10 и более мгновенных выборок,
взятых последовательно с одного станка за межнастроечный период или с момента установки нового инструмента до его замены,
определяют раздельно влияние случайных и систематических факторов на качество изготовления деталей за межнастроечных период без учета погрешности настройки.
Совместное влияние случайных и систематических факторов,
в том числе и погрешности настройки, на качество деталей, изготовленных на одном станке при одной или нескольких настройках,
можно определить по большой единовременной выборке (объем от
50 до 200 деталей) случайно отобранных деталей.
Каждая деталь, входящая в выборку, измеряется с помощью
универсально-измерительных приборов, цена деления измерительной шкалы которых должна удовлетворять условию [2]
=
D èçì (0,1...0,15)δ,
113
где δ – допуск на размер деталей по чертежу, мм.
Для построения эмпирической кривой распределения все измеренные значения располагают в порядке возрастания или в порядке убывания и разбивают на ряд интервалов. От выбора числа
интервалов зависит метод и объем вычислительных работ, а также степень наглядности опытных данных при построении графиков распределения. Рекомендуется [1] при объеме выборки n ≤ 100
определять число интервалов L по формуле
L = 1+3,322lgn,
(6)
а при объеме выборки n>100 – по формуле
L = 5 lgn
(7)
Числа интервалов, рассчитанных по формулам (6) и (7), приведены ниже
n
L
25–40 40–60
6
7
60–
100
100
100–
160
160–
250
250–
400
400–
630
630–
1000
8
10
11
12
13
13
15
Ширина интервала H, т. е. разность между максимальными и
минимальными xjmin значениями признака внутри j-го интервала
( j = 1, L) определяется по формуле
H=
xmax − xmin
,
L
где xmax–xmin – размах выборки; xmax, xmin – максимальное и
минимальное значения признака в выборке.
Определив величину и положение интервалов, необходимо
подсчитать частоты или частости для каждого из них. Частота
mj – это количество деталей, входящих в выборку, измеряемый
mj
признак качества которых попал в j-й интервал. Частость
–
отношение числа деталей, признак качества которых попал в nj-й
интервал к объему всей выборки. Частость представляет собой эмпирическую вероятность попадания признака качества в j-й интервал, т. е. Pj* =
mj
n
(знаком “*” будем обозначать все эмпирические
характеристики в отличие от теоретических). Сумма эмпирических вероятностей (частостей) всех интервалов очевидно должна
быть равна единице
114
L
L mj
Pj* =
=
=j 1=
j 1 n
∑
∑
1.
Полученные выше данные удобно представить в виде
табл. 1 и использовать для построения гистограммы, эмпирического закона распределения и расчета его основных характеристик
(математического ожидания x, дисперсии S2, среднего квадратического отклонения S).
Таблица 1
Номер
интервала
Интервал
Середина интервала
Частота
mj
Частость
Pj* =
mj
n
Эмпирич. плотность распред.
вероятн.
f * ( xj ) =
1
x1min…x2max x1 =
x1 min + x2 max
2
…
…
J
xjmin…xjmax
…
…
…
xlmin…xlmax
x
+ xl max
xl = l min
2
L
m1
m1
n
P1*
Hz
…
…
…
mj
Pj*
n
Hz
ml
… n
…
…
xj =
xj min + xj max
2
mj
…
ml
L
∑ mj
j =1
L
Pj*
Hz
Pl*
Hz
∑ mj = 1
j =1
Числовые характеристики определяются по формулам (3), (4),
(5).
Гистограмма строится следующим образом. По оси абсцисс откладываются интервалы и на каждом из них, как на основании,
строятся прямоугольники, площади которых равны частостям соответствующих интервалов. Для построения гистограммы нужно
частость каждого интервала разделить на его длину
mj
nH
и полу-
ченное число взять в качестве высоты прямоугольника. В случае
равных по длине интервалов высоты прямоугольников пропорци115
ональны частостям. Высота j-го прямоугольника представляет собой значение эмпирической плотности распределения вероятности
признака качества в j-м интервале, т. е. f * (xj ) =
Pj*
H
. Для приведе-
ния к одинаковому масштабу кривых эмпирического и теоретического распределения при построении гистограммы необходимо
пользоваться формулой f * (xj ) =
Pj*
Hz
, где Hz – нормированная дли-
на интервала, определяемая из выражения Hz =
H
.
S
f*(xj)
Гистограмма имеет вид, показанный на рис. 5. Площадь гистоL
=
P* ∑
=
P* 1. Из способа построения гистограмграммы равна
j =1 j
мы следует, что она является аналогом эмпирической плотности
распределения. При увеличении объема выборки и уменьшении
длины интервалов гистограмма будет все более приближаться
к кривой плотности распределения. На практике эмпирическая
кривая плотности распределения f*(x) проводится
f*(x),f(x)
следующим образом. На
верхней стороне каждого из
1
построенных
прямоугольников гистограммы отмеча2
ются точками их середины.
Соединяя получение точки
3
кривой, получают график
функции f*(x), представленный на рис. 5.
х
Hz
После построения эмпирического закона распредеРис. 5. Гистограмма (1),
ления и расчета его числоэмпирическая (2) и теоретическая (3)
вых параметров осущесткривые плотности
вляется подбор и построение
распределения вероятности
теоретической кривой.
Определение теоретического закона распределения
производственных погрешностей
Подбор теоретической кривой, соответствующей полученной
эмпирической кривой, называется выравниваем статистических
116
рядов. Задача выравнивания заключается в том, чтобы подобрать
теоретическую кривую распределения, наиболее точно описывающую полученное эмпирическое распределение.
Подбор теоретической кривой осуществляется на основании математического анализа опытных данных выборочной совокупности
или из предложений, что каждому теоретическому закону распределения соответствуют вполне определенные условия функционирования технологических операций. При этом графики эмпирических зависимостей сравниваются с образцами известных кривых.
Для определения того, насколько правильно функция описывает
опытное распределение, используются различные критерии согласия.
После выбора подходящей теоретической кривой производится
ее построение. Рассмотрим построение теоретической кривой нормального закона распределения как наиболее характерного и распространенного при оценке точности технологических операций.
Теоретическая кривая плотности вероятности определяется выражением вида
f (x) =
1
S 2π
e
−
(xi − x)2
2 S2 ,
(8)
где x, S2, S – числовые значения параметров эмпирического распределения, найденные в предыдущем разделе.
Для облегчения расчетов по формуле (2.8) пронормируем распределение: перенесем начало координат x0 в центр группирования
(x0 = x) и выразим x в долях S.
Введя для нормированного аргумента обозначение Z, получим
Z=
xj − x
S
,
(9)
где xj – значение признака качества в середине j-го интервала. При
этом длина интервала Hz =
H
.
S
Определив по формуле (9) значения Zj для каждого интервала,
найдем с помощью таблицы в конце лабораторной работы соответствующие им значения плотностей f(Zj). Полученные данные заносятся в таблицы и используются для построения теоретической
кривой плотности распределения вероятности.
117
Теоретическая кривая плотности распределения вероятности
выполняется на одном графике с эмпирической кривой (см. рис. 5).
После построения теоретической кривой с помощью статистического критерия согласия проверяется гипотеза о соответствии этой
кривой эмпирическому распределению.
Таблица 2
Номер
интервала
Середина интервала
Zj
Значение теоретической
плотности f(Zj)
1
…
j
…
L
Z1
…
Zj
…
Zl
f(Z1)
…
f(Zj)
…
f(Zl)
Проверка гипотезы о соответствии эмпирического
и теоретического распределения с помощью критерия χ2
(Пирсона)
Для объективной оценки степени соответствия выбранного теоретического распределения эмпирическому используются различные статистические критерии согласия. Сущность этих критериев
сводится к тому, что выбирается некоторый количественный показатель D меры расхождения между выбранным теоретическим
распределением и эмпирическим, Если такая мера расхождения
(т. е. критерий) для рассматриваемого случая D P превосходит допустимый предел D äîï , то гипотеза отвергается; если D P < D äîï , то
гипотеза принимается.
В качестве меры расхождения D обычно берут определенным
образом выбранную функцию от разности между теоретической и
эмпирической плотностями вероятности f(x) и f*(x) либо разности
между теоретической и эмпирической функцией распределения
F(x) и F*(x).
Рассмотрим применение одного из наиболее употребительных
в технологии критериев – критерия χ2 (Пирсона).
Величина критерия χ2 определяется по формуле
L
118
χ2 =
n∑ j =1
(Pj − Pj* )2
Pj
,
(10)
где Pj – теоретическая вероятность нахождения xi в j-м интервале.
Величина χ2 характеризует меру расхождения между теоретическими Pj и эмпирическими Pj* вероятностями распределения случайной величины x в каждом j-м интервале. Следовательно, χ2 есть
также величина случайная.
Для расчета критерия χ2 по формуле (2.10) необходимо вычислить значения теоретических вероятностей Pj для каждого j-го интервала, определяемые выражением вида
Pj = f(Zj)Hz.
Данные для расчета критерия χ2 оформляются в виде табл. 3.
Таблица 3
Номер интервала
Теоретическая
вероятность
Pj
Эмпирическая
вероятность
Pj*
1
P1
P1*
…
…
…
(Pj − Pj* )2
Pj
(Pj − Pj* )2
Pj
j =1
L
j
Pj
Pj*
…
…
…
L
Pl
Pl*
x2 = n ∑
При использовании критерия χ2 количество частот mj в каждом
j-м интервале должно быть не менее 5-ти. Если данное условие не
выполняется, то необходимо объединить соседние интервалы. В результате этого число объединенных интервалов по сравнению с L
уменьшается, и значения теоретических и эмпирических вероятностей для k-го объединенного интервала (k = 1, L0 ) определяется
суммой соответствующих вероятностей объединяемых интервалов.
В процессе расчета χ2 суммирование ведется по L0, т. е.
* 2
L ( P − Pk )
χ2 =
n∑ k=0 1 k
.
Pk
Определив по данным табл. 3 экспериментальное значение χ2,
необходимо сравнить его с теоретическим χт2 в зависимости от чис119
ла степеней свободы r и равного r = L–t–1, где t – число параметров
закона распределения (для нормального закона t = 2).
По числу степеней свободы r выбирается такое значение χт2, при
котором выполняется условие χ2 ≤ χ2ò и определяется вероятность
выполнения этого условия, т. е. P{χ2 ≤ χ2ò }. Для принятия выдвинутой гипотезы о соответствии теоретического закона должно соблюдаться соотношение
P{χ2 ≤ χ2ò } ≥ 0,1.
Если P<0,1, то выдвинутая гипотеза отвергается и для имеющего эмпирического распределения подбирается другой теоретический закон.
Анализ точности технологической операции
при нормальном законе распределения
производственных погрешностей
Многочисленными исследованиями, проведенными для различных видов механической обработки, установлено, что распределение действительных размеров деталей, обработанных на настроенных станках, подчиняется чаще всего нормальному закону распределения.
Нормальное распределение образуется в том случае, когда действует большое число независимых или слабо зависимых случайных причин. Подчиненность закону нормального распределения
проявляется тем точнее, чем больше случайных величин действует
одновременно. Основное условие формирования нормального распределения состоит в том, чтобы среди случайных погрешностей
отсутствовали доминирующие. При несоблюдении указанных условий опытное распределение может подчиняться и другим законам распределения.
Обработка статистических данных позволяет соотнести эмпирическое распределение с одним из теоретических законов распределения. Оценку точности технологического процесса, если признак
качества изделия имеет нормальный закон распределения, можно
произвести с помощью коэффициента точности Тn коэффициента
точности настройки l, вероятного количества брака q и технологического допуска δò .
Коэффициент точности Тn определяется по формуле
120
Tn =
δ
,
DP
(11)
где DP – практическое поле рассеяния, для нормального закона
распределения D P =
6S; δ – допуск на выдерживаемый параметр.
Коэффициент точности Тn характеризует влияние, главным образом, случайных факторов. Если Тn >1, то поле допуска на обработку по чертежу превышает практическое поле рассеяния, и технологический процесс обеспечивает определенный резерв точности
(рис. 6, а). Если Tn<1, то поле допуска на обработку по чертежу
меньше практического поля рассеивания, и технологический процесс не обеспечивает заданной точности. Возможно появление как
исправимого, так и неисправимого брака (рис. 6, б).
При Тn = 1 технологический процесс может также не обеспечивать заданной точности в связи с действием систематических погрешностей.
Коэффициент точности настройки
l=
a
En
,
δ
δ
б
0,5δ
f(x)
(12)
En
Tn1 >1
A
Tn2 =1
Tn3 <1
-x
B
x
qA
qB
x
+x
∆P1
0,5δ
нм
Вфакт
∆0
∆P2
∆P3
0,5δ
δ
xB
xq
нб
B
нб
В факт
Рис. 6. Вероятное количество брака:
а – смещение En отсутствует (En = 0); б – смещение |En|>0
121
где En – величина смещения вершины кривой рассеяния от середины поля допуска.
Следует различать фактический коэффициент точности настройки lф
lô =
x − D0
,
δ
(13)
где x – среднее арифметическое значение опытного распределе-
Âíá + Âíì
ния; D0 =
– координата середины поля допуска; Внб,
2
Внм – предельные размеры детали по чертежу. Допустимый коэффициент настройки lдоп
läîï =
δ − 6S
.
2δ
(14)
Коэффициент точности настройки оценивает положение середины поля рассеяния относительно середины поля допуска, т. е. определяет уровень настройки технологического процесса и характеризует влияние систематических погрешностей.
Таким образом, достаточным условием работы без брака является условие
Tn > 1
.

lô < läîï
(15)
При отсутствии смещения середины поля рассеяния относительно середины поля допуска E = 0; lф = 0, что соответствует идеальной
настройке технологического процесса.
Вероятное количество бракованных деталей q характеризует
возможный выход за границы допуска определенного количества
деталей в зависимости от величины Tn и lф. Если условие (15) не
выполнено, возможно появление брака. При этом вероятное количество деталей, которые могут выйти за пределы допуска, изображаются графически заштрихованной площадью, показанной на
рис. 6, а, б.
Для нахождения вероятного количества бракованных деталей
необходимо воспользоваться функцией распределения, для норми122
рованного нормального закона выражается интегралом Лапласа,
т. е.
1 Z′ − Z /2
Ô(Z ′) =
∫ e dZ,
2π 0
где Ф(Z′) – интеграл Лапласа; Z′ – вероятный предел интегрирования;
Z – нормированный аргумент, определяемый из соотношения (9).
В соответствии с формулой (2) вероятность нахождения случайной величины в заданных пределах определяется через интеграл
Лапласа в следующем виде:
P{α ≤ Z ≤ β} = Φ(β) − Φ(α).
Для облегчения расчетов существуют таблицы значений интеграла Лапласа. Тогда может быть найден процент исправимого брака деталей для охватываемых поверхностей и неисправимого брака
для охватывающих поверхностей
q=
A [0,5 − Φ(
Βíá − x
)] ⋅ 100 S
(16)
и вероятный процент исправимого брака деталей для охватывающих поверхностей и неисправимого брака для охватываемых поверхностей
q=
B [0,5 − Φ(
Βíá − x
)] ⋅ 100.
S
Суммарный вероятный процент брака
q = qA+qB.
(17)
(18)
Технологический допуск δò в отличие от заданного допуска по чертежу характеризует тот допуск, который фактически
обеспечивается при существующем технологическом процессе.
Технологический допуск определяется по формуле
δò =D P + En .
Отношение заданного допуска δ к технологическому допуску δò
называется ресурсом точности Q. Технологический процесс считается удовлетворительным, если Q ≥ 120%.
123
2. Порядок выполнения работы
1. Получить у преподавателя результаты измерения диаметра
втулки.
2. Построить эмпирическую кривую плотности распределения
вероятности погрешностей обработки втулки.
3. Определить теоретический закон распределения производственных погрешностей.
4.Проверить гипотезу о соответствии эмпирического и теоретического законов распределения производственных погрешностей.
5. Провести анализ точности технологической операции при
нормальном законе распределения производственных погрешностей.
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных измерения диаметра втулки;
– результаты расчетов и построение гистограммы;
– результаты расчетов и построение эмпирической кривой распределения производственных погрешностей;
– результаты расчетов и построение теоретической кривой распределения производственных погрешностей;
– результаты расчетов и выводы о проверки гипотезы о соответствии эмпирического и теоретического законов распределения производственных погрешностей.
– анализ точности технологической операции.
Контрольные вопросы
1 Что является основными характеристиками точности технологических операций?
2. Перечислите этапы оценки точности технологических операций.
3. Назовите основные числовые параметры закона распределения погрешностей.
4. Перечислите основные этапы построения гистограммы.
5. Перечислите основные этапы построения теоретической кривой распределения погрешностей.
6. В чем состоит проверка гипотезы о соответствии эмпирического и теоретического законов распределения погрешностей?
124
7. С помощью каких коэффициентов можно оценить точность
технологической операции?
8. Как находится вероятное значение бракованных изделий?
Рекомендуемая литература
1. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и
ее инженерные приложения: учеб. пособие для вузов. М.: Высшая
школа, 2000.
2. Валетов В. А., Кузьмин Ю. П., Орлова А. А. и др. Технология
приборостроения: учеб. пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008.
Приложение
Таблица 1
Значение плотности вероятности нормированного распределения
случайной величины f (z) =
1
2π
− z2
e 2 ,
f (−z) =
f (z)
Z
0
5
Z
0
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
0,7889
0,3970
0,3910
0,3814
0.3683
0,3521
0,3332
0,3123
0,2897
0,2661
0,2420
0,2179
0,1942
0,1717
0,1497
0,1295
0,1103
0,0940
0,0790
0,0656
0,3984
0,3945
0,3867
0,3752
0,3605
0,3429
0,3230
0,3011
0,2780
0,2541
0,2299
0,2059
0,1826
0,1604
0,1394
0,1200
0,1023
0,0863
0,0721
0,596
2,0
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
0,0540
0,0440
0,0355
0,0283
0,0224
0,175
0,0136
0,0104
0,0079
0,0060
0,0044
0,0033
0,0024
0,0017
0,0012
0,0009
0,0006
0,0004
0,0003
0,0002
0,0488
0,0396
0,317
0,0252
0,0198
0,154
0,0119
0,0091
0,0069
0,0051
0,0038
0,0028
0,0020
0,0015
0,0010
0,0007
0,0005
0,0004
0, 0002
0,0002
125
Таблица 2
Значение критерия f2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
126
0,02
5,412
7,824
9,837
11,668
13,388
15,033
16,622
18,68
19,679
21,161
11,618
24,054
25,472
26,873
28,259
0,05
3,841
5,991
7,815
9,488
11,070
12,592
14,067
15.507
16,919
18.307
19.675
21,026
22.362
23,685
24,996
0,1
2,71
4,60
6,25
7,78
9,24
10,64
12,02
13,36
14,67
15,99
1?,28
18,55
19,81
21,06
22,31
0,5
0,46
1,39
2,37
3,36
4,35
5,35
6,35
7,34
8,34
9,34
10,34
11,34
12,34
13,34
14,34
0,7
0,148
0,713
1,424
2,20
3,00
3,83
4,67
5,53
6,39
7,27
8,15
9,03
9,93
10,82
11,72
Лабораторная работа № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ
ПРИ СБОРКЕ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Цель работы: изучение конструкторско-технологических методов обеспечения заданной точности при сборке электронной аппаратуры (ЭА)
1. Краткие теоретические сведения
и методические указания по проведению работы
Содержание работы: ознакомиться с конструкторско-технологическими методами обеспечения заданной точности при сборке
электронной аппаратуры, исследовать сравнительные статистические характеристики точности, методы расчета допусков и, организационно-технологические вопросы их реализации.
Основные сведения из теории
Выходной параметр (параметры) y электронной аппаратуры
(ЭА), в целом, зависит от множества первичных параметров элементов, компонентов и сборочных единиц, входящих в ЭА xi, i = 1,2,..,n
y = f(x1, x2,…,xi,…, xn).
Параметры xi, i = 1,2,..,n при этом могут относиться как к геометрическим так и к электрофизическим (электрическим, магнитным и др.) свойствам сборочных единиц. Показатели назначения
ЭА, связанные с выходным параметром y, определяются номинальными значениями yном и теми или иными допусками Dy на выходной параметр y. При этом обеспечение требований технических условий yн ≤ y ≤ yв, (2Dy = yв–yн) достигается за счет выбора допусков
Dxi – на параметры xi электрорадиоэлементов, компонентов и сборочных единиц.
В теории точности основным соотношением связи погрешностей
первичных параметров схемных элементов и выходных контролируемых параметров является уравнение погрешности
Dy n y Dxi
= ∑S
,
y i =1 xi xi
(1)
127
Dy
– относительная погрешность выходного контролируемого
y
Dy n y Dxi
параметра;
– относительная погрешность первично= ∑S
y i =1 xi xi
∂y xi
y
⋅ – относительная чувствительность
го параметра xi ; S=
xi
∂xi y
где
выходного контролируемого параметра y к вариации первичного
параметра xi.
В зависимости от того, каким образом обеспечиваются допуски Dxi на параметры xi сборочных единиц, различаются и методы
сборки. К числу наиболее распространенных методов обеспечения
заданной точности при сборке относятся:
– метод полной взаимозаменяемости;
– метод неполной взаимозаменяемости;
– метод групповой взаимозаменяемости;
– метод подгонки;
– метод регулировки.
Метод полной взаимозаменяемости предусматривает для достижения заданной точности выходных контролируемых параметров изготавливаемых узлов использование электрорадиоэлементов и деталей с заданными допусками на их первичные параметры,
обеспечивающими заданные допуски на все выходные контролируемые параметры узла без использования отбраковки, селекции,
подбора, подгонки или регулировки.
Допуски на параметры схемных элементов, обеспечивающие
полную взаимозаменяемость, предварительно рассчитывают с помощью статистического метода, пользуясь системой уравнений допусков:
=
D y ≥ δy
n
∑ Sxy2 Ki2δ2i ,
i =1
i
(2)
где Dy – производственный допуск на погрешности выходного контролируемого параметра; δy – половина поля рассеяния погрешности выходного контролируемого параметра y ; Sxy =
i
∂y
– чувстви∂xi
тельности выходного контролируемого параметра у узла к вариациям первичных параметров xi, i = 1,2, …, n; Ki = 3σ0 i /δi – коэффициент относительного рассеяния i-го параметра; σ0i – среднеквадра128
тическая величина отклонения среднего значения i-го параметра
cхемного элемента; δi – половина поля рассеяния i-го параметра.
Решение системы уравнений допусков относительно полей рассеяния δi позволяет оценить возможность выполнения допусков Dxi (δi
≤ Dxi), на выходные контролируемые параметры Dy и возможность
реализации элементов схемы с рассчитанными допусками на их
первичные параметры.
При отсутствии информации о законах распределения погрешностей схемных параметров для назначения допусков δi используют метод максимума-минимума
n


=
δi  Sxy ∑ Sxy  δy . (3)
i
i


i
=
1


Как правило, количество уравнений допусков меньше числа неизвестных членов уравнений. Это говорит о том, что задача определения допусков на первичные параметры в общем случае является
неопределенной и что необходимые допуски на выходные параметры узла могут быть получены различными сочетаниями величин
допусков на первичные параметры элементов схемы. Решение задачи синтеза допусков как правило осуществляется методом последовательных приближений.
Метод полной взаимозаменяемости имеет следующие достоинства:
– относительно просто достигается требуемая точность выходных контролируемых параметров изготавливаемых узлов, определяемая минимальными затратами на комплектацию и сборку;
– отсутствуют операции подгонки, регулировки и т. д., что упрощает технологический процесс, облегчает его нормирование и перевод на поточные методы производства;
– отказавшие при эксплуатации комплектующие элементы заменяются без дополнительной регулировки;
– позволяет решить задачу широкой кооперации заводов по изготовлению взаимозаменяемых электрорадиоэлементов.
Границы применения метода полной взаимозаменяемости определяются экономикой производства. Себестоимость изготовления
комплектующих схемных элементов гиперболически зависит от
величины допусков на их параметры, так как по мере повышения
их точности приходится использовать дорогостоящее высокоточное технологическое оборудование.
Метод неполной взаимозаменяемости, в отличие от метода
полной взаимозаменяемости, предусматривает использование бо129
лее широких допусков на первичные параметры схемных элементов и отбраковку дефектных узлов.
В основе рассматриваемого метода лежит известное положение
теории вероятностей о том, что все возможные сочетания первичных параметров схемных элементов встречаются значительно реже, чем сочетания их средних значений, поэтому процент дефектных изделий обычно небольшой. Дополнительные затраты труда и
средств на исправление бракованных изделий при использовании
данного метода меньше, чем затраты на изготовление электрорадиоэлементов с более жесткими допусками.
Основное преимущество данного метода перед методом полной
взаимозаменяемости заключается в выборе более широких допусков на первичные параметры схемных элементов, принимая во
внимание определенный процент риска. Для нормального закона
распределения погрешностей выходных контролируемых параметров и заданного процента риска с помощью решения интеграла вероятностей Ляпунова можно рассчитать погрешности параметров
с любой заданной степенью вероятности, которые учитываются
с помощью коэффициента KS относительного рассеивания выходного параметра y.
Значения коэффициента относительного рассеивания KS сведены в табл. 1 в зависимости от заданного процента риска.
Таблица 1
Процент риска
0,27
KS
1
0,5
1,0
1,5
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
8,0
10,0
1,05 1,11 1,17 1,21 1,26 1,30 1,33 1,36 1,40 1,44
C учетом коэффициента относительного рассеивания рассчитанные поля рассеивания погрешностей выходных контролируемых
параметров уменьшаются, а допуски на первичные параметры –
увеличиваются:
=
D y ≥ δy
1
KS
n
∑ Sxy2 Ki2δ2i . i =1
i
(4)
Метод групповой взаимозаменяемости. Сущность метода групповой взаимозаменяемости состоит в том, что требуемая точность
выходных выходных контролируемых параметров узлов достигается включением в схему одного или нескольких схемных элементов с узкими допусками на их первичные параметры. С этой целью
130
производится предварительная селекция или сортировка схемных
элементов и последующее их комплектование, таким образом, чтобы осуществлялась взаимная компенсация их погрешностей.
Дополнительные расходы, связанные с проведением селекции
или сортировки элементов схемы должны окупаться за счет экономии, получаемой при изготовлении электрорадиоэлементов с более
широкими допусками.
Вместе с тем следует иметь в виду, что экономическая целесообразность использования метода групповой взаимозаменяемости
значительно уменьшается при увеличении количества элементов,
проходящих селекцию или сортировку и за счет наличия незавершенного производства (т. е. остатков электрорадиоэлементов, не
вошедших в комплекты для сборки).
Метод подгонки. Сущность метода состоит в том, что требуемая
точность выходных контролируемых параметров изготавливаемых
узлов достигается необратимым изменением параметра или подбором одного или нескольких схемных элементов с постоянными
параметрами, применение которого в схеме узла обеспечивает частичную или полную компенсацию погрешностей выходных контролируемых параметров.
Подгоняемый или подбираемый элемент называется компенсатором. В качестве компенсаторов рекомендуется выбирать элементы, с наибольшей чувствительностью, чтобы уменьшить объемы
подгоночных операций или количество значений подбираемых параметров.
Метод регулировки обеспечивает точность выходных контролируемых параметров изготавливаемых узлов путем обратимого изменения первичного регулируемого параметра компенсирующего
элемента, в качестве которого применяют специальные схемные
элементы с переменными параметрами – регулировочные элементы.
Метод регулировки аналогичен методу подгонки. Однако в случае возникновения погрешности выходного параметра имеется возможность ее компенсации. Регулировочный элемент с переменным
параметром позволяет получить необходимую точность не только
при изготовлении, но и в период эксплуатации. Он компенсирует
производственные погрешности и погрешности, являющиеся следствием изменения температуры и старения схемных элементов.
Наряду с достоинствами метод регулировки имеет недостатки:
регулировочный элемент, поставленный в схему, снижает надежность аппаратуры, так как надежность регулировочных элементов
131
значительно ниже надежности элементов с постоянными параметрами; кроме того наличие регулировочных элементов в схеме значительно усложняет технологический процесс изготовления аппаратуры, поскольку требует неоднозначного выбора набора регулировочных элементов, разработки стратегии регулировки и высокой
квалификации регулировщиков.
Анализ методов сборки делителя напряжения
Схема делителя напряжения представлена на рис. 1. Основным
выходным параметром делителя является коэффициент передачи
(коэффициент деления) по напряжению
Ku =
R2
.
R1 + R2
(5)
При этом Uвых = KuE.
R1
E
R2
U вых
Рис. 1. Электрическая схема делителя напряжения
Уравнение погрешности выходного контролируемого параметра
Ku может быть записано следующим образом:
DKu
K DR1
K DR2
=
SR u
+ SR u
,
1 R
2 R
Ku
1
2
где
DR1 DR2
,
– относительные погрешности сопротивлений резиR1 R2
K
K
1
2
сторов R1, R2; SR u , SR u – чувствительности (коэффициенты влияния) выходного параметра Ku к вариациям первичных параметров
сопротивлений резисторов R1, R2.
132
K
K
1
2
Чувствительности SR u , SR u , используя выражение (5), определяются следующим образом:
∂Ku ⋅ R1
R2
R (R + R2 )
R1
K
SR u =
=
−
⋅ 1 1
=
−
;
2
1
∂R1 ⋅ Ku
R2
R1 + R2
(R1 + R2 )
∂K ⋅ R
R
R (R + R2 )
R
K
SR u =u 2 = 1 2 ⋅ 2 1
= 1 .
2
∂R2 ⋅ Ku (R1 + R2 )
R2
R1 + R2
K
K
При Ku = 0,5, R1 = R2 и SR u = −0,5; SR u = 0,5. Тогда уравнение
1
1
погрешности запишется следующим образом
DKu
DR
DR
=
−0,5 1 + 0,5 2 .
Ku
R1
R2
Сделаем следующие допущения.
1) закон распределения погрешностей схемных параметров –
нормальный;
2) погрешности схемных параметров R1, R2 не коррелированы;
3) центр группирования совпадает с серединой поля допуска;
4) в поле допуска находится 99,73% всех случайных отклонений;
5) выходной параметр y = Ku, первичные параметры схемных
элементов xi = Ri.
Тогда можно записать, что Ki = 1, так как δi = 3σ0i.
Уравнение допусков при статистическом методе расчета с полной взаимозаменяемостью в данном случае запишется следующим
образом:
D y ≥ δy =
n
∑ Sxy2 Ki2δ2i =
i =1
i
−0,52 δR1 2 + 0,52 δR2 2 ,
полагая δi = 10% и δR1 = δR2 = δR, уравнение допусков перепишется
в виде
−0,52 δR 2 + 0,52 δR 2 =
10 или 0,5δR 2 =
10,
тогда δR1 = δR1 = δR = 10/ 0,5 = 14,3%.
133
Расчет допусков по методу максимума-минимума в тех же условиях сводится к следующему:
 y
δ=
i  Sxi

n

i =1

∑ Sxyi  δy=
0,5
⋅ 10
= 5%,
1
причем полная взаимозаменяемость будет выполняться независимо от вида законов распределения погрешностей.
Из сравнения приведенных расчетов видим, что допуски рассчитанные по статистическому методу почти в три раза шире допусков, рассчитанных по методу максимума-минимума.
Рассмотрим расчет допусков на параметры сопротивлений
резисторов делителя по методу неполной взаимозаменяемости.
Допустим, что процент риска равен 5%, тогда коэффициент относительного рассеяния KS = 1,33. Уравнение допусков в данном случае запишется следующим образом:
Dy =
≥ δy
1
KS
n
1
−0,52 δR1 2 + 0,52 δR2 2 ,
1,33
2 2
∑ Sxy2 K=
i δi
i =1
i
аналогично полагая δi = 10% и δR1 = δR2 = δR, уравнение допусков
перепишется в виде
1
10, или
−0,52 δR 2 + 0,52 δR 2 =
1,33
тогда δR1 = δR2 = δR = 13,3
0,5
0,5δR 2 =
13,3,
= 19%.
При расчете допусков на параметры сопротивлений резисторов
для сборки с групповой взаимозаменяемостью воспользуемся методом максимума-минимума, так как законы распределения погрешностей в группах рассортированных деталей неизвестны. Тогда
 y
δ=
i  Sxi

n

i =1

∑ Sxyi  δy=
0,5
⋅1
= 0,5%,
1
а величина поля группового допуска равна δгр.i = 2δi = 2 · 0,5 = 1%.
Таким образом партия резисторов рассортировывается на группы шириной 1%, поскольку R1 = R2, то комплекты для сборки делителей формируются из пар резисторов, принадлежащих к одной
134
группе. Для проверки погрешностей выходного параметра воспользуемся уравнением погрешности (1). Для группы с границами
[9,10], наихудший случай сборки:
n
Dxi
Dy
=∑ Sxy
=−0,5 ⋅ 9 + 0,5 ⋅ 10 =0,5%;
i
y B i =1
xi
n
Dxi
Dy
=∑ Sxy
=−0,5 ⋅ 10 + 0,5 ⋅ 9 =−0,5%.
y H i =1 i xi
С учетом взаимной компенсации идентичных погрешностей ширину групп сортировки можно увеличить в 2 раза, т. е. δгр.i = 2%.
2. Порядок выполнения работы
Исследование процесса сборки по методу полной
взаимозаменяемости
1. Получить у преподавателя задание в виде партии резисторов (50–100) штук из производственной упаковки с допуском
D(R) = +10%, измерить их сопротивления, построить гистограмму
распределения сопротивлений, определить оценки математического ожидания m(R), среднеквадратического отклонения σ (R) и поля
рассеяния δ (R).
2. Сопоставить полученные характеристики с предположением
о нормальном законе распределения. При этом рассмотреть соответствие полученного поля рассеяния δ(R) с заданным допуском
D(R), оценку математического ожидания m(R) с номинальным значением сопротивления резисторов, указанным на упаковке Rном и,
сопоставить форму полученной гистограммы с кривой нормального
закона распределения.
3. Определить поля рассеяния коэффициента передачи делителя рис. 1, полагая, что R1 = R2 и Ku = 0,5, пользуясь выражением
(2), и предположением о нормальности законов распределения и
Ki = 3σ0i /δi = 1:
– для нормативных значений, заданных на упаковке – Rном,
D(R);
– для измеренных реальных (заданных гистограммой) характеристик выборки – m(R), δ(R) = 3σ(R).
4. Подготовить лабораторный стенд для контроля коэффициента передачи делителя.
135
Входное напряжение, на выходе источника питания установить
Е = 2В, тогда Uвых = KuЕ = 1В. В этом случае погрешность коэффициента передачи в процентах будет равна сотым долям Uвых.
5. Устанавливать последовательно пары резисторов (выбранные
случайно) в клеммы стенда и измерять Uвых с точностью до второго знака после запятой. Погрешности Uвых, т. е. отклонения от «1»
с точностью до второго знака после запятой – DKu занести в таблицу.
6. Построить гистограмму распределения отклонений DKu, определить оценки математического ожидания m(DKu), среднеквадратического отклонения σ(DKu) и поля рассеяния δ(DKu) при сборке
по методу полной взаимозаменяемости. Сопоставить экспериментальные данные с расчетными п. 3.
Исследование процесса сборки по методу
неполной взаимозаменяемости
7. Получить у преподавателя задание в виде заданного значения
процента риска выхода бракованных делителей, относительно
δ(DKu), полученного в п. 6.
8. Определить поле рассеяния δ(DKu)нп.в с учетом процента риска, пользуясь выражением (4).
9. Определить процент брака на основе гистограммы п. 6 для
расчетного значения δ(DKu)нп.в п. 8.
Исследование процесса сборки по методу
групповой взаимозаменяемости
10. Рассчитать групповые допуски для сортировки резисторов
при заданном значении допуска δу = D(DKu) = 2%.
11. Рассортировать резисторы полученной партии на группы
с групповым допуском 1% или 2% относительно оценки математического ожидания m(DKu).
12. Осуществить сборку делителей напряжения, устанавливая последовательно пары резисторов из одной группы в клеммы
стенда. Для каждой сборки (комплекта резисторов) измерять Uвых
с точностью до второго знака после запятой. Погрешности Uвых,
т. е. отклонения от «1» с точностью до второго знака после запятой – DKu занести в таблицу.
13. Построить гистограмму распределения отклонений DКu,
определить оценки математического ожидания m(DКu), среднеквадратического отклонения σ(DКu) и поля рассеяния δ(DКu) при
136
сборке по методу групповой взаимозаменяемости. Сопоставить экспериментальные данные с расчетными п. 3 и экспериментальными
п. 6.
14. Определить уровень незавершенного производства – количество резисторов в группах сортировки не имеющих пары.
Задания по УИРС
1. Исследование точности сборочных процессов на основе метода
взаимозаменяемости.
2. Исследование точности сборочных процессов на основе метода
селекции.
3. Исследование объема незавершенного производства при сборке по методу взаимозаменяемости и селекции.
4. Исследование влияния алгоритмов комплектования на точность сборки c групповой взаимозаменяемостью.
5. Исследование влияния числа групп разбиения на точность
сборки c групповой взаимозаменяемостью.
6. Исследование влияния границ групп разбиения на точность
сборки c групповой взаимозаменяемостью.
7. Исследование влияния числа групп разбиения на незавершенное производство при селективной сборке.
8. Исследование влияния границ групп разбиения на незавершенное производство при сборки c групповой взаимозаменяемостью.
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– формулировку цели работы;
– основные положения алгоритмов сборки по методу взаимозаменяемости;
– гистограммы и расчетные характеристики законов распределения;
– оценки точности выходного параметра для разных методов
сборки;
– выводы о результатах сравнительной оценки методов сборки.
Контрольные вопросы
1. В чем сущность уравнения погрешности?
2. Как реализуется метод полной взаимозаменяемости?
3. Как реализуется метод неполной взаимозаменяемости?
137
4. Как реализуется метод групповой взаимозаменяемости?
5. Как реализуется метод подгонки?
6. Как реализуется метод регулировки?
7. Назовите причины возникновения незавершенного производства при сборке с групповой взаимозаменяемостью.
Рекомендуемая литература
1. Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат:
учебник. М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2005.
2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: учебник / под ред. В.А. Шахнова. М.: Изд-во
МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2002.
3. Баканов Г.Ф., Соколов С. С., Суходольский В. Ю. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных средств: учеб. пособие / под ред. И.Г. Мироненко. М.: Академия, 2007.
4. Винников В. В. Основы проектирования электронных средств:
учеб. пособие: в 2 кн. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2009.
5. Шелест Д. К., Петрусев А. В., Денисова О. В. Технология
электронных средств: учебно-методический комплекс. СПб.: Издво СЗТУ, 2011.
6. Гусев В. П. Технология радиоаппаратостроения: учеб. пособие
для вузов. М.: Высшая школа. 1972.
7. Буловский П. И., Крылов Г. В., Лопухин В. А. Автоматизация
селективной сборки приборов. Л.: Машиностроение. 1978.
8. Лопухин В. А. Обеспечение точности электронной аппаратуры. Л.: Машиностроение. 1980.
138
Лабораторная работа № 9
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ
НА МОНТАЖНОМ ОСНОВАНИИ
ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКЕ
Цель работы: определение (расчет) суммарной погрешности
установки компонента на посадочное место монтажного основания (печатную плату) в зависимости от погрешностей элементов
размерных цепей; определение механической прочности паяных
контактных соединений, полученных на основе анализа величины
смещения сопрягаемых элементов при установке компонентов на
монтажное основание.
Методика расчета суммарной погрешности установки компонента на монтажное основание может быть использована также для
выполнения расчетов в курсовых и дипломных проектах.
1. Краткие теоретические сведения
Элементная база современного приборного и радиоэлектронного
оборудования характеризуется малыми размерными параметрами.
Это относится к габаритам корпуса, выводам (или контактным площадкам) компонентов, расстояниям между контактными площадками (КП). Соответственно, малые размерные параметры имеют
посадочные места для установки компонентов на монтажное основание (МО).
Достигаемая на этой основе повышенная плотность монтажа
компонентов на МО электронных узлов аппаратуры создает определенные трудности в реализации технологических операций сборки. Обеспечение качества монтажа электронных узлов, изготовляемых по технологии поверхностного монтажа, требует решения
трех основных задач:
– точное позиционирование компонентов на посадочные места
МО;
– получение необходимого объема каждого паяного соединения,
обеспечивающего требуемый электрический и механический контакт;
– выполнение достоверного контроля качества паяных соединений.
В данной лабораторной работе исследуется первая задача, решение которой связано с проведением полного точностного анализа
139
сборочной операции и определением требований к сборочному технологическому оборудованию.
В настоящее время имеется большое разнообразие типов корпусов компонентов, и каждый из типов характеризуется достаточно
большим типоразмерным рядом. Существуют компоненты с установкой на две КП, три и на посадочные места со многими десятками КП. Расстояния между соседними КП также характеризуются
изменениями в значительных пределах: от десятков мм до 1,25 мм
и 0,5 мм. Следовательно, необходимо выбрать в качестве объекта
рассмотрения такой тип корпуса, который позволял бы провести
объективный точностной анализ и получить результаты, применимые к широкой гамме корпусов и типоразмеров. С этой целью в качестве объекта монтажа выберем компонент в корпусе 61 подтипа
по ГОСТ 17467 (BGA корпус с так называемыми «шариковыми»
выводами).
С позиции конструирования данный тип корпуса наиболее привлекателен, так как позволяет реализовать максимальную плотность размещения компонентов на МО вследствие того, что вся
система КП посадочного места расположена под корпусом компонента.
С позиции технологии монтажа это самый сложный вариант,
требующий обязательной автоматической установки и новых подходов к решению второй и третьей задач из сформулированных выше.
Одним из основных требований, предъявляемых к автоматической установке компонентов на МО, является соблюдение условия
собираемости. Условие собираемости заключается в том, что монтируемые компоненты должны быть установлены на посадочном
месте МО с такой точностью, чтобы суммарная погрешность совмещения сопрягаемых поверхностей КП компонента с КП МО – εсум
не превышала допустимую величину |εдоп|, определяющую надежные электрический и механический контакты, т. е. εсум ≤ |εдоп|.
В общем случае εсум зависит от точности изготовления компонентов (их корпусов и КП), выбранной схемы базирования компонента, погрешности базирования МО, точности изготовления элементов печатного монтажа на МО, а также размерной кинематической и динамической точности звеньев сборочного агрегата.
Иллюстрация постановки задачи приведена на рис. 1.
Схема образования погрешности сопрягаемых поверхностей
компонента в корпусе 61 подтипа при его установке на МО показана на рис. 1, а. На схеме: корпус компонента 1, базируемый по
140
поверхности 3, позиционирован над посадочным местом на МО.
Базирование МО (поз. 4) осуществляется по поверхности 5. Ось
КП (поз. 2) компонента относительно КП (поз. 6) МО располагается с погрешностью εсум.x в направлении оси X. Аналогично образуется погрешность и в направлении оси Y, а результирующая
погрешность позиционирования εсум представляет собой геометрическую сумму составляющих погрешности по координатным осям.
Используя обозначения рис. 1, а, суммарную погрешность εсум.x
можно выразить функцией:
εсум.x = f(εN, εN1, εN2) (1)
где εN – погрешность относительного положения базовых поверхностей компонента и МО; εN1 – погрешность положения оси КП
компонента относительно его базовой поверхности (погрешность
базирования компонента); εN2 – погрешность положения оси КП
монтажного основания относительно его базовой поверхности (погрешность базирования МО).
Для рассмотрения структуры погрешности относительного позиционирования необходимо конкретизировать схему автоматической сборки. Из большого числа схем сборочных комплексов, используемых в приборостроении, выберем схему с использованием
двухкоординатного стола для перемещения МО по координатам
xк.ст, yк.ст и агрегата с подвижной сборочной головкой, перемещающейся по двум координатам xзахв, yзахв для захвата компонента
и для позиционирования над координатным столом в точке с постоянными координатами xпоз, yпоз. Данная схема характерна для
сборки электронных узлов приборов с применением автоматических сборочных агрегатов.
Необходимо определить допустимую предельную величину
εсум.x (εсум.y). Для этого введем численные значения параметров
КП. Диаметры КП компонентов в корпусах 61 подтипа имеют минимальное значение 0,5 мм и максимальное 1,8 мм. Размер для выполнения расчета задан для каждой бригады в разделе 3.
Пример расчета
Размеры квадратных по форме КП посадочного места на МО
определяются выражением
2
2
2
N
=
(2)
max dk.max + (δtý + δp +tí.î ), где dk.max – диаметр КП компонента (dk.max = 1,8 мм); δtэ – значение
позиционного допуска расположения геометрического центра корпуса устанавливаемого компонента относительно номинального
141
положения для принятой схемы сборки (δtэ.max = 0,1 мм); δp – значение позиционного допуска расположения КП относительно номинального положения (δp = 0,2 мм для 4 класса точности изготовления печатных плат); Dtн.о – нижнее предельное отклонение элементов печатного монтажа (Dtн.о = –0,03 мм для 4 класса точности
изготовления печатных плат).
Подставив в (2) численные значения параметров, получим
N = 2,026 мм. Примем номинальное значение равным N = 2 мм,
тогда при установленном для корпусов 61 подтипа шаге между
центрами КП e = 2,5 мм, допустимое смещение контура КП компонента относительно контура КП посадочного места МО γ = 0,1 мм.
Следовательно, допустимая величина εсум.x (εсум.y) равна 0,2 мм.
Параметры e и γ приведены на рис. 1, б.
Таким образом, имеем условие
εсум.x ≤ 0,2 мм. (3)
Суммарная погрешность относительного позиционирования εсум
представляет собой замыкающее звено размерной цепи, составляющими звеньями которой являются погрешности, входящие в выражение (1). Следовательно, при анализе структуры погрешностей
можно использовать методы анализа и расчета размерных цепей.
Погрешность εN является замыкающим звеном размерной цепи,
образованной погрешностями, структуру которых можно представить в виде:
εN = f1 (δп.сг, δп.кс, δд.сг, δд.кс, δб.к, δб.кс),
а
Z
(N± ε N )X
б
( N1 + εN ) 1X
e
1
3
dK
tx
5
Y
(N2 ± ε N )2X
ε сум. y
p
2
θ
ε сум. x
6
4
Y
X
γ
X
εcум. x
γ
γ
Рис. 1. Схемы позиционирования: а – компонента относительно
посадочного места на монтажном основании; б – контактных
площадок компонента и монтажного основания
142
где δп.сг, δп.кс – погрешности механизмов приводов сборочной головки и координатного стола; δд.сг, δд.кс – погрешности изготовления деталей фиксации (закрепления, зажима) сборочной головки и
координатного стола; δб.к, δб.кс – погрешность положения устройств
базирования компонента и МО.
Погрешность εN является замыкающим звеном размерной цепи,
где структурными элементами являются: погрешность, зависящая
от допуска на габаритный размер корпуса компонента – δр.к ; погрешность, зависящая от допуска на расстояние между КП компонента – δкп.к ; погрешность, вызванная несоосностью схемы расположения КП компонента относительно его габаритного размера – δс.к ;
погрешность формы компонента – δф.к. Таким образом, погрешность
базирования εN1 компонента может быть выражена функцией:
εN1 = f2 (δр.к, δкп.к, δс.к, δф.к).
Погрешность базирования МО также можно выразить функцией, составляющими которой являются структурные элементы размерной цепи, а замыкающим звеном служит εN2:
εN2 = f3 (δпм, δэ.пм, δф.мо),
где δпм – погрешность положения рисунка печатного монтажа
(включая КП) относительно установочных баз МО; δэ.пм – погрешность, зависящая от точности изготовления элементов печатного
монтажа на МО (включая КП); δф.мо – погрешность формы МО.
В рассмотренных размерных цепях предполагалось базирование МО по его неточно обработанным кромкам в приспособлении
на координатном столе. Для уменьшения погрешности базирования МО используется реперный знак, с которым, после установки и зажима МО в приспособлении, совмещается центр координат
системы «координатный стол – сборочная головка». В этом случае
можно не учитывать все погрешности, связанные с положением МО
в приспособлении (погрешность приспособления, погрешность положения приспособления на координатном столе, погрешность закрепления МО в приспособлении и т. п.), т. е. можно приравнять
нулю некоторые структурные элементы рассмотренных размерных
цепей, а погрешностью системы позиционирования по реперному
знаку пренебречь из-за ее малости. Таким образом, в размерных цепях εN и εN2 установим: δд.кс = 0, δб.кс = 0, δф.мо = 0, а δпм = δэ.пм.
Если принять |δэ.пм| = 0,03 мм (4-й класс точности изготовления
печатных плат), то εN2 = 0,04 мм. Примем δп.кс = 0,05 мм, δп.сг = 0,05
143
мм, δб.к = 0,01 мм, δд.сг = 0 (в силу сравнительной малости этой погрешности), тогда εN = 0,07 мм и для выполнения условия (3) величина εN1 должна быть: εN1 ≤ 0,12 мм.
В размерной цепи εN1 основную долю вносит погрешность δр.к,
которая не должна быть более 0,1 мм. Если δр.к > 0,1, то для обеспечения гарантированного точного позиционирования компонентов
в корпусах 61 подтипа необходимо ввести операцию входного контроля размера корпусов с выбраковкой.
Итак, допустимое смещение компонента не должно приводить
к уменьшению требуемой площади контакта Fk:
|Θ| = f(Fk).
Качество монтажа компонента на контактные площадки монтажного основания в конечном итоге определяется надежным электрическим и механическим контактом каждого соединения. В общем случае прочность контакта на срез определяется выражением:
Pср = Fk |τ|, (4)
где Fk – площадь контакта; |τ| – допустимое сопротивление срезу
материала контакта.
Наличие смещение выводов компонента в процессе автоматической сборки вызывает изменение площади контакта и приводит соответственно к дополнительному снижению его прочности.
Следовательно, допустимое смещение должно выбираться с учетом
необходимости обеспечения площадью Fk контакта необходимой
прочности Pср:
|ε| = f(Fk).
Для выбора |ε| можно использовать метод статистического моделирования.
Вычисление величины ε производится по заданным граничным условиям для каждого типоразмера системы «компонент – монтажное основание», а именно L – K ≤ 50 мкм; 2R ≤ L – K;
R ≥ H ≥ K – 10 мкм, где L – расстояние между контактными площадками компонента; K – зазор между соседними контактными
площадками монтажного основания; R – радиус контактной площадки компонента; H – величина пояска смещения контактных
площадок компонента и монтажного основания.
Вычисление площади контакта производится при условии смещения элементов контактирования на монтажном основании по
144
диагонали, что связано с симметричными допусками на геометрические размеры элементов. В этом случае:
при H = 0 F = π R2;
при H ≤ R −
8 H H(2R − H)
R2
F=
πR 2 −
;
3
2
πR 2
R2
F=
− 2R (R − H) + (R − H)2 .
4
2
Прочность присоединения всех контактов компонента на срез
определим, используя (4) по выражению Pk = mFk. [τ], где m – число
точек контактирования (контактных площадок) компонента.
Необходимо установить соответствие между суммарной погрешностью εсум и значением |ε|.
Если распределение εсум подчиняется нормальному закону, то
вероятность попадания его значения в заданное поле допуска с границами ±Θ может быть оценена выражением:
при H > R −
P(–Θ ≤ εсум ≤ + Θ) = 2[0,5- Ф(t)],
где Ф(t) – табулированная функция Лапласа, при этом t = Θ/σ; σ –
среднеквадратичное отклонение суммарной погрешности совмещения εсум.
При установке на одном монтажном основании нескольких компонента вероятность P обеспечения точности сборки электронного
узла определится как :
m
P = ∏ Pi ,
i =1
где Pi – вероятность точной установки i-го компонента; m – число
компонентов на монтажном основании.
2. Порядок выполнения работы
Изучить теоретический раздел методических указаний.
Выполнить расчет суммарной погрешности установки компонента,
используя уравнения погрешностей размерных цепей:
2
2
2
N
=
max dk.max + (δtý + δp +tí.î ),
εсум.x при исходных данных для выполнения расчета из табл. 1.
145
Таблица 1
№ бригады
1
2
3
4
5
Исходные параметры для расчета
dk.max
δtэ.max
δp
Δtн.о
|δэ.пм|
δп.кс
δп.сг
δб.к
0,5
1,0
1,5
1,2
0,75
0,1
0,5
0,75
0,5
0,1
0,15
0,2
0,2
0,2
0,15
0,01
0,03
0,03
0,03
0,01
0,025
0,03
0,03
0,03
0,025
0,02
0,05
0,05
0,05
0,02
0,02
0,03
0,05
0,03
0,02
0,005
0.01
0.01
0.01
0,005
Открыть рабочее окно программы «Прочность пайки» (рис. 2) и
ввести данные из табл. 2. Выполнить моделирование при различных значениях Н.
Рис. 2. Рабочее окно программы
Таблица 2
№ бригады
1
2
3
4
5
146
Исходные параметры моделирования
L
K
H
R
1,5
1,4
1,7
1,6
1,5
0,2
0,2
0,4
0,2
0,2
0,4; 0,8; 1,0; 1,4
0,4; 0,8; 1,0; 1,4
0,4; 0,8; 1,0; 1,4
0,4; 0,8; 1,0; 1,4
0,4; 0,8; 1,0; 1,4
0,5
0,6
0,4
0,7
0,5
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– перечень исходных данных и результаты расчета;
– исходные данные и результаты моделирования прочности пайки;
– выводы по выполненной работе.
Контрольные вопросы
1. От каких факторов зависит величина εсум ?
2. Что такое условие собираемости?
3. Рассмотрите схему образования результирующей погрешности при установке компонента на плату.
4. Провести детальный анализ размерных цепей, образованных
при установке компонента.
5. Как можно охарактеризовать качество монтажа компонентов, устанавливаемых на печатные платы?
6. От чего зависит механическая прочность паяного соединения?
7. Рассмотрите схему образования погрешности установки:
– компонентов, монтируемых в отверстия на плате;
– компонентов с планарными выводами;
– безвыводных компонентов.
8. Поясните принцип работы моделирующего алгоритма.
Рекомендуемая литература
Сборник технологических задач с расчетом на ЭВМ: лабораторный практикум / под ред. В. П. Ларина. [Электронный ресурс],
Инф. Система кафедры МиНТАП.2011.
147
Лабораторная работа № 10
ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАЙКИ ЭЛЕМЕНТОВ
НА ПЛАТЕ В КОНВЕЙЕРНЫХ ПЕЧАХ
Цель работы: изучение факторов, влияющих на качество паяных соединений; исследование процесса пайки компонентов поверхностного монтажа на печатных платах в установках оплавления припойной пасты конвейерного типа; определение оптимального режима пайки компонентов на плате в установках конвейерного типа.
1. Краткие теоретические сведения
и описание объекта исследования
Методы образования паяных соединений
поверхностно монтируемых компонентов
Основным способом создания неразъемного соединения выводов
навесных компонентов с контактными площадками печатных плат
(ПП) является пайка.
Исследования процессов пайки и паяных соединений проводятся с целью изучения механизма образования паяного соединения и
условий получения качественного соединения, обеспечения характеристик процесса пайки и управления параметрами операций.
Под пайкой понимают связывание или дополнение металлов
в твердом состоянии путем введения в зазор расплавленного связующего металлического материала (припоя). Если температура
плавления припоя лежит ниже 450°С, то говорят о мягкой пайке,
если выше – о твердой пайке. Все известные в настоящее время методы мягкой пайки при монтаже компонентов на ПП можно разделить по технологии выполнения на индивидуальные и групповые.
К индивидуальным методам относятся: пайка ручным паяльником; механизированная или автоматизированная пайка горячим
стержнем различного профиля и формы (конусообразным, расщепленным); пайка горячим призматическим паяльником (или так
называемым ″групповым паяльникомІ, одновременно прижимаемым к планарным выводам микросхемы с одной или двух сторон);
точечная электродуговая пайка; пайка сопротивлением; пайка микропламенем; пайка световым лучом; пайка электронным лучом;
пайка лазерным лучом.
148
К групповым методам относятся различные виды пайки погружением, ее разновидность – пайка в ванне с подвижным зеркалом
(например, пайка волной припоя). Особую подгруппу составляют
так называемые методы оплавления предварительно нанесенной
припойной пасты – инфракрасная пайка, пайка конвекционным
нагревом и конденсационная (парофазная) пайка.
Важнейшими критериями выбора метода пайки компонентов на
ПП являются:
– вид контактируемых материалов;
– конструктивные параметры ПП (шаг координатной сетки,
размеры и форма контактных площадок, зазоры между ними, толщина материала контактной площадки и др.);
– элементная база и способ установки на ПП (материал корпуса, форма и размеры выводов, монтаж в отверстия, поверхностный
монтаж);
– условия эксплуатации аппаратуры;
– термическая устойчивость ПП и компонентов;
– механическая устойчивость ПП и компонентов;
– экономические факторы;
– постоянство характеристик метода с позиции надежности контактирования.
Образование качественного паяного соединения осуществляется в следующей последовательности:
– подготовка металлических поверхностей с помощью флюса;
– нагрев выше точки плавления припоя;
– вытеснение флюса с помощью поступающего припоя;
– растекание жидкого припоя по металлической поверхности –
процесс смачивания;
– диффузия атомов из твердой металлической фазы в жидкий
припой и наоборот – образование сплавной зоны;
– последующая обработка паяных соединений – очистка, когда
удаляются флюсы, способствующие коррозии.
Флюс является неметаллическим материалом, который создает
условия для прочной связи на месте пайки. Механизм взаимодействия флюса и поверхностей, предназначенных для выполнения
паяного соединения, описывается следующим образом:
– быстрое и эффективное смачивание металлической поверхности благодаря влиянию сил поверхностного натяжения;
– удаление окисных слоев на контактируемых металлах, а также растворение и удаление продуктов реакции при температуре ниже температуры плавления припоя;
149
– защита очищенных металлических поверхностей от нового
окисления.
Остатки флюса должны легко удаляться или быть нейтральными, т. е. не должны изменять электрические параметры исходного
материала и не вызывать коррозии.
Типичный состав флюса для применения при пайке электронной аппаратуры: 20–25% канифоли, 5% салициловой кислоты,
остальное – этиловый или изопропиловый спирт.
В качестве припоев используются металлы, чаще всего сплавы,
которые расплавляются ниже температуры плавления контактируемых металлов. Припои должны содержать компоненты, которые могут образовывать сплавы с соединяемыми металлами. Относительно
невысокая термическая стойкость почти всех элементов монтажа и
плат ограничивает температуру пайки до 300°С. Поэтому применяются только припои с низкой температурой плавления.
Наибольшее применение имеют припои на основе олова и свинца. Возможные фазы сплавов Sn-Pb и их соотношения могут образовывать два вида твердых растворов: богатый свинцом a-твердый
раствор и богатый оловом b-твердый раствор. При температуре
183°С, эвтектическом составе 61,9% Sn и 38,1% Pb образуется
эвтектика, т. е. из сплава выделяются одновременно a-раствор и
b-раствор, минуя область двух фаз. Так как a и b-растворы растут
одновременно, то они распределяются очень точно.
Когда расплавленный припой попадает на чистые металлические поверхности контактирующих металлов, то происходит решающий этап пайки – смачивание металлических поверхностей.
Под смачиванием понимают свойство основного вещества при образовании поверхностного сплава покрываться тонким, сплошным,
прочно сцепленным слоем припоя. Процесс смачивания выдвигает
проблему соотношения граничных поверхностных энергий системы “металлическое твердое тело – жидкий припой – газообразный
или жидкий флюс”.
Объектами монтажа при изготовлении электронных узлов аппаратуры являются компоненты, монтируемые в отверстия (PTH)
или поверхностно монтируемые компоненты (SMD).
На данный момент широкое применение получили только две
технологии монтажа компонентов на печатные платы, это PTH
(Pin – Through – Hole) и SMT ( Surface – Mount – Technology).
У каждой из этих технологий есть свои достоинства и недостатки.
Использование SMD-компонентов вместо традиционных, монтируемых в отверстия, позволило заметно миниатюризировать
150
электронные модули. Меньшие размеры компонентов приводят к уменьшению размеров плат, что уменьшает себестоимость.
Типичное SMT-преобразование уменьшает пространство на плате
до 30 % размера за счет отсутствия отверстий.
Общие преимущества технологии поверхностного монтажа:
– большее количество функциональных возможностей на том
же размере платы;
– возможность размещения компонентов с обеих сторон платы,
что увеличивает плотность монтажа;
– увеличенная полезная площадь монтажного основания за счет
отсутствия отверстий;
– безвыводные SMD-компоненты имеют посадочные места с габаритами, практически совпадающими с габаритами компонентов.
Все это позволяет значительно повысить качественные характеристики конструкции аппаратуры и технико-экономические показатели производства, а именно:
– уменьшить габариты электронных узлов от 30 до 60% и снизить массу в 3–5 раз;
– снизить длины связей системы монтажа, что позволяет повысить быстродействие и улучшить электрические характеристики
электронного модуля (уменьшение паразитных параметров);
– увеличить вибро- и ударопрочность (примерно в 2 раза) за счет
меньшей массы изделия и небольшой высоты модуля;
– снизить энергопотребление, что требует решения меньших
проблем по теплоотводу;
– снизить расход припоя, так как для обеспечения одного паяного соединения расходуется в 2–3 раза меньше припоя, чем при
монтаже в отверстие.
Основными недостатками SMT являются увеличение примерно
на 30% числа технологических операций (приготовление, нанесение пасты, контрольные операции в процессе монтажа и др.), необходимость использования дорогостоящего прецизионного оборудования, необходимость в специальной оснастке (магазины, трафареты и др.).
Важнейшим элементом процесса SMT являются припойные пасты. Характеристики припойных паст в первую очередь определяются их составом, особенно для бессвинцовых методов.
Припойные пасты представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой; при
этом содержание порошка припоя составляет приблизительно 88
% от веса всей смеси (обычно этот показатель меняется в пределах
151
от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припойных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, например, 63/37 означает содержание в составе материала припоя 63
% олова и 37 % свинца, а 62/36/2–62 % олова, 36% свинца и 2 %
серебра.
Характеристики частиц материала припоя в припойной пасте
оказывают существенное влияние на качество паяного соединения.
Наиболее важным параметром, характеризующим припойный материал, является размер частиц припоя, который выражается в мешах (единицах измерений при классификации номеров сит). Так,
200/+325 означает припойную пасту, частицы которой проходят
через сито номер 200, но не проходят через сито номер 325 после
предварительного удаления крупнодисперсных частиц, т. е. их
размер лежит в диапазоне 44–74 мкм. Если припойная паста наносится на коммутационную плату методом трафаретной печати,
рекомендуется применять припойную пасту, у которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера ячейки
трафарета.
Форма частиц материала припоя также оказывает существенное влияние на процесс трафаретной печати; считается, например,
что использование в составе паст частиц припоя сферической формы облегчает процесс трафаретной печати, в то время как наличие
частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению загрязнений (например, трафарета), затрудняющих процесс печати. Пульверизация расплавленного припоя,
с помощью которой наиболее просто получить порошкообразные
припои, образует частицы преимущественно сферической формы.
Использование паст со сферическими частицами припоя позволило
достичь требуемую воспроизводимость технологического процесса
от одной партии изделий к другой при формировании рисунка припойной пасты.
Флюс в составе припойных паст служит не только для активации контактируемых металлических поверхностей, удаления
с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного соединения), но и обеспечивает требуемую растекаемость (реологию), а также изменение
вязкости со временем (тиксотропность) при нанесении припойной
пасты на монтажное основание. Если состав припойной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет растекаться, или «расползаться», что, несомненно, приведет к потере точности рисунка,
обеспечиваемой трафаретом, а это в свою очередь может послужить
152
причиной образования шариков припоя или перемычек в процессе пайки. Кроме того, количество припойной пасты, нанесенной на
плату, в ряде мест может оказаться недостаточным из-за ее растекания по плате.
Для уменьшения растекания припойной пасты можно увеличить процентное содержание в ней порошка припоя. Можно также
изменить химический состав флюса путем введения в него специальных вяжущих добавок (загустителей), но здесь нужно соблюдать меру, ибо в противном случае может произойти закупорка
сопла дозатора или ячеек трафарета.
Флюс должен удалять окислы с контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим пайки. Если во время разогрева платы
температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что приводит к потере активности флюса и разложению или выгоранию его
компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а процесс пайки – непредсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование
слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически
инертной атмосфере (для избежания окисления припоя).
Несомненно, припойная паста должна быть совместима с материалами платы, а также с технологическими процессами, в которых она участвует. Распространенными материалами выводов или
внешних контактов электронных компонентов являются золото,
серебро, палладий-серебро, медь, а также луженая медь Припойная
паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить выщелачивание этих материалов в местах пайки для обеспечения надежности паяного соединения.
Метод нанесения припойной пасты связан с методом установки
компонентов. Вязкость припойной пасты обеспечивает несмещаемость компонента после его установки при перемещениях ПП по
конвейерному тракту. Припойная паста наносится непосредственно на контактные площадки печатной платы трафаретным или диспенсорным (шприцом-дозатором) методом. Каждый из методов требует своих специальных приспособлений и материалов. Практика
показывает, что больше половины ошибок всего процесса монтажа
печатных плат приходятся именно на процесс нанесения припойной пасты.
153
Скребок
Направление движения
Шаблон
Припойная паста
Печатная плата
Открытая поверхность шаблона
Контактная площадка
Рис. 1. Нанесение припойной пасты
В серийном производстве электронных модулей применяется
метод трафаретного нанесения припойной пасты, при котором паста продавливается через трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Материалом трафарета может быть как сплав
никеля, так и нержавеющая сталь. Основные этапы этого метода
показаны на рис. 1.
При проведении скребком (ракелем) по поверхности трафарета
припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете на
контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет
и скребок должны быть чистыми и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки
в этих параметрах приводят к плохим характеристикам пайки, таким как непропай и другие. Преимуществом метода трафаретного
нанесения припойной пасты является то, что паста может быть нанесена слоем до 300 мкм с очень высокой точностью. Также трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм. Более качественное нанесение припойной пасты обеспечивается применением
сетчатых трафаретов, позволяющих формировать тонкослойные
участки пасты малых размеров с высокой точностью.
Применение предварительно нанесенной на контактные площадки ПП припойной пасты требует соответствующего метода пайки. Такой метод называется пайка оплавлением припойной пасты
и выполняется с применением различных принципов создания
условий оплавления этой пасты. В настоящее время в числе таких
154
принципов применяется инфракрасная пайка, конденсационные,
конвекционные способы и избирательная, выполняемая с помощью фольгового трафарета по каждому паяному соединению индивидуально – селективная пайка.
Процесс начинается с нанесения принтером, шприцом или трафаретной печатью припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются
компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после
нанесения, с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов
или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой.
После этого плата разогревается до температуры расплавления
шариков припоя, содержащихся в пасте. Максимальная температура соответствует оплавлению соединяемых поверхностей, в результате чего образуется паяное соединение между контактной
площадкой платы и корпусом компонента.
При пайке компонентов, собранных на плате, с помощью
ИК-нагрева оплавление пасты производится ИК-излучением.
Конденсационная пайка основана на оплавлении пасты за счет конденсации паров специальной жидкости, разогретой до температуры оплавления. Конвекционная пайка выполняется в среде азота
или воздуха с использованием мощных калориферов и вентиляционных систем. Классификационная схема конструктивных вариантов установок оплавления приведена в табл. 1
Схема типичной установки ИК оплавления приведена на рис. 2.
Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон нагрева, в каждой из которых поддерживается
заданный тепловой режим. В первой и второй зонах (в современных установках обычно пять таких зон) производят постепенный
предварительный нагрев изделия 2 с помощью плоских нагревателей 3.
Пайку производят в зоне оплавления быстрым нагревом объекта
выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИКламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5 (2–3 зоны
охлаждения).
Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы
работы нагревателя и скорость конвейера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, температурный профиль
вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на
экране дисплея 8.
155
Таблица 1
Виды конструктивного исполнения установок оплавления
КлассификациВарианты конструктивного исполнения
онные признаки
Формирование Воздействие лу- Воздействие лу- Воздействие лутеплового потока чевое и конвекчевое и конвекчевое и конвективное, рассетивное, сфокутивное, сфокуян-ное в объеме
сированное на
сированное в
камеры
поверхности
«щель»
изделия
Расположение
С верхним рас- С верхним параС нагревом в
источника наположением
болическим
объеме камеры
грева
источника
расположением газовым теплоисточников
носителем
Формирование
температурного
профиля
С одноступенча- С многоступенФормирование
тым предвари- чатым предварипрофиля нательным прогре- тельным прогре- гревателями без
вом изделия
вом изделия
перемещения
изделия
(установки каФормирование профиля за счет
мерного типа)
скорости перемещения изделия
транспортером (многопозиционные
установки конвейерного типа)
8
7
2
3
1
4
5
6
Рис. 2. Схема установки пайки ИК-излучением
Характеристики температурного профиля, т. е. значения температур в каждой зоне, возможно изменять в широких пределах. Для
печатных плат различных типоразмеров формируется библиотека
типовых режимов оплавления.
При мелкосерийном выпуске практически исключительно используется процесс пайки оплавлением с использованием инфракрасных излучателей, часто с принудительной вентиляцией для
156
T, град
300
10 s
260 град
245 град
250
215 град
200
10 s
40 s
180 град
150
130 град
Предельная пайка
Типовая пайка
Инфра-пайка
100
2 K/s
50
f, c
0
0
50
100
150
200
250
Рис. 3. Типовой температурный профиль для свинцовых (нижняя
кривая) и бессвинцовых паст (верхние кривые)
обеспечения равномерности нагрева. Типовой температурный профиль приведен на рис. 3.
В ходе выполнения конденсационной пайки пары специальной
жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая
скрытую теплоту парообразования открытым участкам электронного узла или микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной
площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым
заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы от
ее начальной температуры (например, окружающей среды перед
пайкой) до температуры расплавления припоя осуществляется
очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим
предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах их контактов с платой.
Температура расплавления припоя также не регулируется и
равна температуре кипения используемой при пайке жидкости.
Такой жидкостью является инертный фторуглерод. Схематичное
представление установки конденсационной пайки приведено на
рис. 4.
157
Пайка расплавлением
дозированным припоем
Нагреватель
ПП
с компонентами
Охладитель
Охладитель
Пары фтороуглерода
Смонтированная
ПП
Вентиляционное
отверстие
Жидкий фтороуглерод
Нагреватель
Контейнер
Рис. 4. Схематичное представление установки конденсационной пайки
Моделирование процесса пайки и методика проведения
исследований с применением модели
Наиболее эффективным и производительным методом проведения различных исследований такого многофакторного процесса,
как процесс пайки, является моделирование. Моделированием можно решить множество задач поиска оптимального режима, определения различных зависимостей, степени влияния факторов, отладки управляющих программ и т. п. В настоящее время имеются программные средства, позволяющие не только создавать программные
модели практически любого технологического оборудования, но и
осуществлять эффективное управление его работой.
Одним из таких средств является система National Instruments
Lab View. На ее основе была создана программная модель конвейерной печи для пайки компонентов поверхностного монтажа на плате
(рис. 5).
Для моделирования технологического процесса групповой пайки в установке конвейерной пайки разработана математическая
модель для определения оптимальных значений технологических
режимов и допустимых отклонений параметров.
В процессе исследований, выполненных в ОАО «Авангард» [1],
установлено, что факторами, влияющими на качество пайки, являются температуры зон нагрева 1, 2, 3, мощность ИК-излучения
зоны 4 и скорость конвейера 6 при стабилизации факторов, связанных с качеством материалов и паяемых поверхностей (рис. 6).
Исследования показали, что качество пайки достаточно характеризовать дефектностью и средней прочностью паяного соединения.
158
Модель конвейерной печи
Close
Проверка
140
x1
50
150
x2
250
x3
1.80
x4
0.47
x5
250 100 200 150 270 1.20 2.50 0.1
Описание
Распределение температуры
Ok
4 6 7 В начало
Дефекты
1
2
3
1.0
Прочность (Y1)
100
28,17
0
Дефектность (Y2)
5
0,04
Факторы
х1-температура первой зоны
х2-температура второй зоны
х3-температура третьей зоны
х4-интенсивность ИК-нагрева
х5-линейная скорость конвейера
dx x1
1 150
0 1 40
-1 1 30
Диапазоны
Факторы
x2
x3
x4
x5
160 240 1.95 0.54
1 50 2 30 1. 80 0. 47
1 40 2 20 1. 65 0. 40
Рис. 5. Модель конвейерной печи для оплавления припойной пасты
Прочность Y1 определяется усилием, достаточным для отрыва
вывода припаянного компонента от контактной площадки, а дефектность Y2 – отношением числа соединений с недопустимыми
дефектами внешнего вида, к общему числу паяных соединений на
плате в процентах.
В результате проведенного исследования были получены зависимости прочности Y1(X) и дефектности Y2(X) паяного соединения
от вектора технологических факторов X = (X1,X2,X3,X4,X5) в виде полинома второго порядка, в котором коэффициенты при переменных были определены методом наименьших квадратов, а также
1
2
3
4
5
1 – нагрев
2 – ИК–нагрев
3 – охлаждение
4 – транспортер
5 – привод
Рис. 6. Структурная схема процесса конвейерной пайки
159
были рекомендованы допустимые интервалы изменения значений
технологических факторов.
Технологические Факторы
Х1-X3 – температура нагрева зон 1 – 3 град,
Х4 – интенсивность ИК-нагрева усл.ед.,
Х5 – линейная скорость конвейера мм/мин
Ниже приведены значения изменяемых факторов:
dX
1
0
–1
Х1
155
140
125
Х2
165
150
135
Х3
245
230
215
Х4
2.10
1.8
1.50
Х5
0.60
0.47
0.34
За критерии качества приняты:
У1 – прочность паяного соединения, H/мм2 и
У2 – дефектность паяного соединения, %
Дефектность – это число дефектных паяных соединений по отношению ко всем паяным соединениям на плате в процентах.
Полученные в работе соотношения, были заложены в программную модель, реализованную в системе National Instruments
LabView.
В лабораторной работе студенты должны получить математическую модель зависимости прочности Y1(X) и дефектности Y2(X)
паяного соединения от технологических факторов: X = (X1, X2, X3,
X4, X5)
и определить оптимальный режим пайки по критерию минимума затрат на пайку и на исправление дефектов от пайки.
Математическая модель для обоих критериев качества пайки
ищется в виде полинома второго порядка:
Y(X) = B0+B1X1+B2X2+B3X3+B4X4+B5X5+B11X1X1+…
+B15X1X5+B22X2X2+…+25X2X5+B33X3X3+…
+B35X3X5+B44X4X4+B45X4X5+B55X5X5.
Для определения неизвестных Bij, i = 1..5, j = i..5 проводится эксперимент по ортогональному, ротатабельному или некомпозиционному плану.
В ортогональных планах получаются самые простые соотношения для расчета коэффициентов Bij, В ротатабельных планах точность модели одинакова для всех точек факторного пространства.
В некомпозиционных планах используется наименьшее число
160
уровней значений факторов и выполняется наименьшее число экспериментов.
Матрица ортогонального плана эксперимента для пяти факторов имеет следующий вид:
№
X0
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
27
+
X1
X2
X3
X4
X5
Основные точки плана
–
–
–
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
–
–
+
–
+
–
–
–
+
–
+
+
+
–
+
+
+
–
–
–
–
+
–
–
–
+
+
+
–
+
+
+
–
+
–
–
+
+
+
–
+
+
–
+
+
+
–
+
+
+
+
Звездные точки плана
1,547
0
0
0
0
–1,547
0
0
0
0
0
1,547
0
0
0
0
–1,547
0
0
0
0
0
1,547
0
0
0
0
–1,547
0
0
0
0
0
1,547
0
0
0
0
–1,547
0
0
0
0
0
1,547
0
0
0
0
–1,547
Центральная точка плана
0
0
0
0
0
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
Y1
Y2
20,55
30,84
20,88
24,25
20,21
24,96
23,48
23,27
29,48
24,12
24,58
25,13
22,80
26,44
24,31
24,53
0,08
0,03
0,00
0,01
0,26
0,21
0,10
0,18
0,01
0,09
0,01
0,00
0,20
0,21
0,22
0,15
25,58
23,55
22,48
24,32
21,74
24,50
24,64
26,48
27,85
28,66
0,04
0,01
0,10
0,04
0,18
0,06
0,04
0,04
0,12
0,16
28,86
0,06
На основе этих данных в приложении Excel была создана расчётная
таблица для определения практических и теоретических значений
прочности и дефектности паяного соединения вывода к контактной
площадке (рис. 7).
161
162
C
У2 -дефектность паяного соед-ния
Номер х0
х1
х2
х3
х4
1
1
-1
-1
-1
-1
2
1
1
-1
-1
-1
3
1
-1
1
-1
-1
4
1
1
1
-1
-1
5
1
-1
-1
1
-1
6
1
1
-1
1
-1
7
1
-1
1
1
-1
8
1
1
1
1
-1
9
1
-1
-1
-1
1
10
1
1
-1
-1
1
11
1
-1
1
-1
1
12
1
1
1
-1
1
13
1
-1
-1
1
1
14
1
1
-1
1
1
15
1
-1
1
1
1
16
1
1
1
1
1
Коэфф В0
В1
В2
В3
В4
-0,2
У1лин
24,9
0,58 -0,9 0,31
У2лин
0,11 -0
0,08 0
0 Номер х0
х1
х2
х3
х4
17
1
1,55
0
0
0
18
1
-1,55
0
0
0
19
1
0
1,55
0
0
20
1
0
-1,5
0
0
21
1
0
0
1,55
0
22
1
0
0
-1,5
0
23
1
0
0
0
1,55
24
1
0
0
0
-1,5
25
1
0
0
0
0
26
1
0
0
0
0
Номер х0
х1
х2
х3
х4
27
1
0
0
0
0
28
29
30
31
32
32 Число опытов
5 Число факторов
6 Центральн. Опыты
26 Звёздн. Опыты
0,879 Униф. Константа
0,493 Коэфф. Ротатаб-сти
Уровни
1
0
-1
Пайка в печах конвейерного типа
х1 град
155
140
125
Технологические факторы
х1 град
х1 град
х4 усл. ед.
165
245
2
150
230
1,8
135
215
1,6
Матрица 5-факторного 3-хуровневого ортогоналного плана 2-го порядка
Рис. 7. Расчетная таблица определения критериев качества
х5
У1т
У2т
20,3 0,107
30
0,05
21
0,022
23,9 0,025
27,3 0,28
24,7 0,237
23,2 0,125
23,4 0,212
28,7 0,042
22,9 0,115
24,2 0,037
25,2 0,02
23,3 0,215
26,6 0,232
23,6 0,24
24,2 0,177
У1т
У2т
25,7
0,032
23,9 0,032
22,2 0,052
25,1 0,133
23,4
0,218
23,4
-0,03
26,4
0,095
25,5
0,091
26,7
0,087
30,4 0,098
У1т
У2т
26
0,032
х5 мм/мин
0,58
0,48
0,38
Коэфф. Квадр-сти
Основные опыты
х1х2 х1х3 х1х4
х1х5 х2х3 х2х4 х2х5 х3х4 х3х5 х4х5 х1х1 х2х2 х3х3 х4х4 х5х5 У1пр У2пр
1
1
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 20,55 0,08
-1
-1
-1
-1
-1
1
1
1
1
1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 30,84 0,03
-1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
1
1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 21,88
0
1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
1
-1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,25 0,01
-1
1
-1
1
1
-1
1
1
-1
-1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 27,21 0,26
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,96 0,21
1
-1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 23,48
0,1
-1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
-1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 23,27 0,18
-1
1
1
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 29,48 0,01
1
-1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,12 0,09
1
-1
1
-1
-1
-1
1
1
-1
-1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,58 0,01
-1
1
-1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 25,13
0
1
1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
1
1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 22,8
0,2
-1
-1
1
1
-1
-1
-1
1
1
-1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 26,44 0,21
-1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
1
-1
-1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,31 0,22
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 24,53 0,15
В5
В12
В13
В14
В15 В23 В24 В25
В34 В35
В45 В11
В22 В33 В44 В55
-0,21 0,23 0,21 0,04
-0,1 -1,2
-0,4
-0,7 0,4 1,49 -0,4 0,52 -0,5
-1 -1,1
0 1,07
0 0,001 0,001 0,01 0,01 -0,01 -0,02 0,01
0,03
0,03 0,03
0 0 0 0,03 0,03 Опыты в звёздных точках
х5
х1х2 х1х3 х1х4
х1х5 х2х3 х2х4 х2х5 х3х4 х3х5 х4х5 х1х1 х2х2 х3х3 х4х4 х5х5 У1пр У2пр
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62 -0,8
-0,8 -0,8 25,58 0,04
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
23,55 0,01
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0,8 1,62
22,48
0,1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
24,32 0,04
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
21,74 0,18
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
24,5
0,06
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
24,64 0,04
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62
26,48 0,04
1,55
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62 27,85 0,12
-1,5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1,62 28,66 0,16
0
Опыты в центре плана
х5
х1х2 х1х3 х1х4
х1х5 х2х3 х2х4 х2х5 х3х4 х3х5 х4х5 х1х1 х2х2 х3х3 х4х4 х5х5 У1пр У2пр
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-0,8 -0,8 -0,8 -0,8 -0,8 28,86 0,06
Хкв.ср.
0,77
0
0
0
0
0
28,2
0,03
27,74 0,06
30,93 0,02
29
0,06
28,41 0,02
ДиспИзмер 1,239
0
У
1,239
0
N
K
No
Nc
Lmb
A
х1 -температура нагрева зоны 1
х2 -температура нагрева зоны 2
х3 -температура нагрева зоны 3
х4 -интенс-сть ИК-нагрева з.4
х1 -линейная скорость конв-ра
У1 -прочность паяного соед-ния
Зависимость прочности от факторов прочность отрыва Н
номера экспериментов
30
25
20
Ряд 1
Ряд2
15
10
5
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
Рис. 8. Разница между практической и теоретической прочностью
В результате расчета в Excel коэффициентов Bij и теоретических
значений прочности и дефектности пайки были получены следующие графики (рис. 8, 9):
Расчетный критерий Фишера:
Fр = ДиспАдекв/ДиспИзмер = 1,27/1,2394 = 1,025.
Теоретический критерий Фишера: Fт = 4,5.
Для 5% уровня значимости, 5-ти степеней свободы для 1,24 и
21-й степени свободы для 1,27 модель прочности пайки адекватна,
так как Fр < Fт.
0,3
0,25
0,2
Y2 экспл
Y2 теор
0,15
0,1
0,05
0
–0,05
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Рис. 9. Разница между практической и теоретической дефектностью
163
(Зависимость дефектности от технологических факторов дефектность пайки % номера экспериментов Y2эксп Y2теор)
Расчетный критерий Фишера:
Fр = ДиспАдекв /ДиспИзмер = 0,002 /0,00042 = 4,8.
Теоретический критерий Фишера: Fт = 4,5.
Для 5% уровня значимости, 5-ти степеней свободы для 0,00042,
21-й степени свободы для 0,002 модель дефектности пайки адекватна, так как практически Fр = Fт.
Знание зависимостей прочности пайки Y1(X) и процента дефектных соединений Y2(X), а также рассчитываемой стоимости пайки
Y3(X) от управляемых факторов X необходимо для определения
оптимального режима пайки. Оптимальным считается режим, для
которого общая стоимость Со(Y1,Y2) = Сп(Y1,Y2) + Сд(Y1,Y2) будет минимальна.
Первое слагаемое Сп(Y1,Y2) означает минимальную стоимость,
пайки, а второе слагаемое Сд(Y1,Y2) означает стоимость исправления дефектов пайки, которую можно получить на основе анализа
производственных данных.
Стоимость пайки увеличивается при увеличении нагрева всех
зон (X1, X2, X3, X4) и уменьшается при увеличении скорости конвейера X5,что можно выразить следующей зависимостью:
Y3(X) = A1(A2+ X1 + X2 + X3 + X4)/(A3+X5),
где А1, А2, А3 принимаем равными: А1 = 1; А2 = 20; А3 = 2.
Минимальная стоимость пайки Сп(Y1,Y2) определяется как минимум Y3(X) по всем значениям X для фиксированных значений
прочности Y1 и дефектности Y2:
Сп(Y1,Y2) = min(Y3(X), для всех X,
при которых Y1 = const1, а Y2 = const2.
На рис. 10 приведены данные по минимизации стоимости пайки
для каждой пары значений прочности и дефектности.
Минимальная стоимость пайки Сп(Y1,Y2) результаты определения минимальной стоимости пайки при заданных значениях прочности и дефектности прочность дефектность.
На рис. 11 приведен график зависимости минимальной стоимости пайки от прочности и дефектности.
Из графика видно, что значение минимальной стоимости пайки
является вогнутой функцией от значений прочности и дефектности
соединений.
164
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Минимальная стоимость пайки для каждой пары значений прочности
и дефектности Сп(Y1,Y2)
Дефектность
Прочность 0,045 0,075 0,105 0,135 0,165 0,195 0,225 0,255 0,285 0,315 0,345
29,764
18 17,75 17,5 17,5 18,25 18,5 19,5
19
28,765 18,75 14,6 14,2 14,2 14,4 14,6
15 18,25 15,2
27,766
14,6 12,167 11,833 11,833 12 12,167 13
14,6 14,6
19
26,767 11,143 10,429 9,5
9,25 9,25 9,75 10,857 12,667 11,143 15 18,75
25,768
9,5 6,667 6,417 6,333 6,333 6,333 6,5
9,75
6,5
12,5 18,25
24,769
7,6 6,333 6,167 6,083 6,083 6,083 6,167 6,333 6,25 12,167 18
23,77
6,818 6,083 5,917 5,917 5,833 5,833
6
6,083 6,167 6,983
22,771 6,167 5,917 5,833 5,75 5,583 5,75 5,833 5,917
6
21,772
6
5,75 5,667 5,583 5,417 5,583 5,75
7,2
6,6
20,773 6,083 5,75 5,583 5,55 5,333 8,889 7,9
19,774 6,455
6
5,417
18,775
8
Рис. 10. Значения минимальной стоимости пайки
Рис. 11. График минимальной стоимости пайки
Стоимость исправления дефектов пайки Сд(Y1,Y2) увеличивается с уменьшением прочности Y1 и увеличением дефектности Y2.
Это можно выразить следующей зависимостью:
Сд(Y1,Y2) = (A4+A5*Y2)/(A6+A7*Y1).
При значениях постоянных А4 и А6, равных нулю, и значениях констант А5 и А7, равных, единице были получены следующие
данные по стоимости исправления дефектов (см. рис. 12).
График зависимости стоимости исправления дефектов от прочности и дефектности соединений приведен на рис. 13.
165
Cтоимость исправления дефектов пайки для каждой пары значений прочности и дефектности
Сд(Y1,Y2)
Дефектность
№ Прочность 0,045 0,075 0,105 0,135 0,165 0,195 0,225 0,255 0,285 0,315 0,345
1
29,764
2,5
4
5,5
7
8,5
10
11,5
13
2
28,765
1
2,5
4
5,5
7
8,5
10
11,5
13
3
27,766
1
2,5
4
5,5
7
8,5
10
11,5
13
14,5
4
26,767
1,1
2,6
4,1
5,6
7,1
8,6
10,1 11,6 13,1 14,6 16,1
5
25,768
1,2
2,7
4,2
5,7
7,2
8,7
10,2 11,7 13,2 14,7 16,2
6
24,769
1,3
2,8
4,3
5,8
7,3
8,8
10,3 11,8 13,3 14,8 16,3
7
23,77
1,4
2,9
4,4
5,9
7,4
8,9
10,4 11,9 13,4 14,9
8
22,771
1,6
3,1
4,6
6,1
7,6
9,1
10,6 12,1 13,6
9
21,772
1,8
3,3
4,8
6,3
7,8
9,3
10,8 12,3 13,8
10
20,773
2,2
3,7
5,2
6,7
8,2
9,7
11,2
11
19,774
3
4,7
6,9
12
18,775
5
Рис. 12. Значения стоимости исправления дефектов
Рис. 13. График значений стоимости
исправления дефектов Сд(Y1,Y2)
Наконец, после сложения обеих зависимостей – минимальной
стоимости пайки и стоимости исправления дефектов от прочности
и дефектности соединений получаем искомые таблицу и график
суммы этих зависимостей от тех же аргументов (рис. 14, 15). Из
графика следует, что оптимальной парой прочности и дефектности
является пара (22,721; 0,045), которая и определяет оптимальный
режим пайки платы в конвейерной печи.
Таким образом, получены технологические режимы для оптимальных значений прочности и дефектности пайки Y1опт = 22.764
и Y2опт = 0,045.
ИТОГИ:
Минимальная стоимость пайки и исправления дефектов: 7,767 ед.
Оптимальная п рочность пайки 22,771 Н/ммкв
166
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Cтоимость пайки и исправления дефектов для каждой пары значений прочности и
дефектности Сс(Y1,Y2)
Дефектность
Прочность 0,045 0,075 0,105 0,135 0,165 0,195 0,225 0,255 0,285 0,315 0,345
29,764
20,5 21,75 23
24,5 26,75 28,5
31
32
28,765
19,75 17,1 18,2 19,7 21,4 23,1
25 29,75 28,2
27,766
15,6 14,667 15,833 17,333 19 20,667 23
26,1 27,6 33,5
26,767 12,243 13,029 13,6 14,85 16,35 18,35 20,957 24,267 24,243 29,6 34,85
25,768
10,7 9,367 10,617 12,033 13,533 15,033 16,7 21,45 19,7 27,2 34,45
24,769
8,9 9,133 10,467 11,883 13,383 14,883 16,467 18,133 19,55 26,967 34,3
23,77
8,218 8,983 10,317 11,817 13,233 14,733 16,4 17,983 19,567 21,883
22,771
7,767 9,017 10,433 11,85 13,183 14,85 16,433 18,017 19,6
21,772
7,8
9,05 10,467 11,883 13,217 14,883 16,55 19,5 20,4
20,773
8,283 9,45 10,783 12,25 13,533 18,589 19,1
0
0
19,774
9,455 10,7
12,317
0
0
0
0
18,775
13
0
0
0
0
Рис. 14. Значения суммарной стоимости пайки и исправления дефектов
Рис. 15. График значений суммарной стоимости Со(Y1,Y2)
Оптимальная дефектность пайки 0,045
Оптимальная температура первой зоны 130 °С
Оптимальная температура второй зоны 155 °С
Оптимальная температура третьей зоны 215 °С
Оптимальная интенсивность ИК-излучения четвертой зоны 1,8 ед
Оптимальная скорость конвейера 0,47 м/мин
2. Порядок выполнения лабораторной работы
Внимательно изучить раздел 2 настоящих методических указаний. Включить компьютер и запустить программу Excel 2003.
Получить задание; провести эксперимент; получить коэффициенты для модели; провести проверку адекватности обеих моделей
167
прочности и дефектности; определить минимальную стоимость
пайки для каждой пары прочности и дефектности; определить
зависимость стоимости исправления дефектов от прочности и дефектности; определить минимальную суммарную стоимость пайки
и исправления дефектов и оптимальный режим пайки в конвейерной печи.
Оформить титульный лист, создать скриншоты графиков и таблиц оптимальных режимов. Сделать выводы по работе.
3. Указания оформлению отчета
Основными результатами лабораторной работы являются файлы таблиц, графиков и отчёта о проведении лабораторной работы.
Отчёт должен содержать:
– порядок выполнения работы;
– скриншоты промежуточных и окончательных результатов выполнения лабораторной работы.
Контрольные вопросы
1. Что такое безусловно лучшее решение?
2. Что такое эффективное решение?
3. Что такое Парето область?
4. Что такое оптимальное решение
5. Что такое ортогональный план?
6. Что такое ротатабельный план?
7. Что такое некомпозиционный план?
8. Как рассчитывается критерий Фишера?
9. Как проверяется адекватность модели?
10. Как рассчитывается минимальная стоимость пайки?
11. Как рассчитывается стоимость исправления дефектов пайки?
12. Как определяется оптимальный режим пайки?
13. Каковы итоги проведения работы?
Рекомендуемая литература
1. Оптимизация режимов технологического процесса групповой пайки компонентов микросборок / В. А. Шубарев, К. Б Фомин,
Н. Н. Иванов, А. А. Кротов // Вопросы радиоэлектроники. Вып. 2.
Сер. 1888.
168
Лабораторная работа № 11
СТАТИСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
РЕЗИСТОРОВ ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫХ МИКРОСБОРОК
Цель работы: изучение методики статистического контроля и
регулирования технологического процесса формирования толстопленочных резисторов
1. Краткие теоретические сведения и методические указания
по подготовке к работе
Содержание работы: ознакомиться с объектом контроля, измерить сопротивления указанных резисторов, построить контрольные карты, по которым определить необходимость регулирования
технологического процесса.
Основные сведения из теории
Технологический процесс формирования резисторов толстопленочных МСБ (рис. 1) реализуется на четырех участках:
1) подготовки подложек;
2) изготовления (или подготовки) паст;
Контроль паст
Контроль
подложек
Брак
Нанесение
паст
Контроль
нанесения
Сушка
Брак
Контроль
Контроль
трафаретов
Допусковый
контроль
Выход годных
МСБ
Брак
Контроль
внешнего
вида
Брак
Вжигание
Контроль
ТП
Рис. 1. Структурная схема технологического процесса формирования
резисторов толстопленочных МСБ
169
3) нанесения паст (трафаретной печати); 4) температурной обработки.
Содержание контрольных операций:
– участок 1 – проверка поверхности подложек на отсутствие царапин, трещин, загрязнений;
– участок 2 – проверка вязкости паст;
– участок 3 – проверка формы и положения элементов, растекания, смачиваемости необходимых площадей;
– участок 4 – контроль отсутствия дефектов: трещин, царапан,
инородных включений (пыли, грязи), вспучивания паст после сушки и обжига.
На участке 4, кроме контроля готовых резисторов по внешнему
виду, производится выборочный контроль сопротивлений резисторов каждой партии (по четырем-пяти образцам из партии), на основе которого судят о качестве технологического процесса формирования резисторов в целом. На участке 4 также производится выходной 100%-й допусковый контроль сопротивлений резисторов, при
этом верхний технологический допуск равен схемному для данного
резистора, а нижний равен половине номинального значения сопротивления. Подложки с сопротивлениями вне этого допуска отбраковывается.
Технологический процесс формирования резисторов может находиться в одном из двух состояний – налаженном или разлаженном. Налаженному ТП соответствует относительная доля брака
подложек в партии, не превышающая допустимую.
Разладка ТП обычно связана с нарушениями точности и стабильности ТП, обусловленными объективными и субъективными
технологическими факторами. Для ТП формирования резисторов
основными разлаживающими факторами являются:
а) на участке нанесения паст:
– разладка технологического оборудования в процессе обработки подложек последовательности партий одинаковых микросборок
(смещение трафарета, изменение давления и скорости перемещения ракеля, ухудшение состояния сетчатого трафарета и т. д.);
– изменение режимов ручного нанесения, связанные с утомляемостью операторов;
– изменение характеристик паст (структуры, вязкости) за период обработки всех подложек последовательности партий;
б) на участке температурной обработки:
– разладка печей температурной обработки, влияющая на изменение технологических режимов;
170
– флюктуации режимов окружающей среды (температуры,
влажности, давления) с периодом, превышающим время обработки одной партии;
– изменение параметров газа для продувки печей (состава, запыленности, скорости продувки).
Для уменьшения доли дефектных изделий необходимо незамедлительно перевести ТП в налаженное состояние путем корректировки его параметров. Сигнал о разладке ТП может быть получен
по данным контроля ТП или его отдельных операций. В практике
управления качеством продукции такая корректировка ТП по результатам выборочного контроля параметров производимой продукции, осуществляемая для технологического обеспечения требуемого уровня ее качества, носит название статистического регулирования технологического процесса (СРТП).
Анализ контроля отдельных этапов формирования толстопленочных резисторов показывает, что только по данным выборочного
контроля сопротивления готовых резисторов, т. е. контроля всего
ТП в целом, можно получить полную информацию об изменении
состояния TП и использовать ее для корректирования процесса.
Разладку всего ТП можно скорректировать изменением технологических режимов: температурного профиля печи, скорости движения ленты транспортера. Наиболее удобно осуществлять СРТП
путем изменения скорости движения ленты конвейера печи температурной обработки.
Процедура СРТП заключается в следующем. Из каждой партии отбираются случайным образом несколько подложек (обычно
четыре-пять), на которых измеряются сопротивления резисторов –
по одному для каждой пасты, и рассчитываются основные выборочные статистические характеристики: среднее значение x и среднее
квадратическое отклонение (с.к.о.) S
x=
=
S
1 n
∑ xi ;
n i =1
(1)
1 n
∑ (xi − x)2 .
n − 1 i =1
(2)
Точки, соответствующие выборочным характеристикам, наносятся на x -карту или S-карту (рис. 2), на которой также отмечаются верхняя и нижняя границы регулирования – a+ и a– – для
x -карт и верхняя – sгр – для S-карт. Если значение выборочной ха171
рактеристики находится за пределами границ регулирования, то
ТП считается разлаженным и для коррекции ТП необходимо изменять скорость движения ленты.
Для того чтобы решить, какой вид карт ( x -карты или S-карты)
применять при контроле ТП, а также построить план контроля,
определяющий объем выборки, период отбора выборок, положение границ регулирования, необходимо провести предварительный статистический анализ ТП. При этом должно быть определено
с.к.о. сопротивления в партиях для налаженного ТП – σ0 [6].
Статистический анализ ТП формирования толстопленочных резисторов показывает, что практически все технологические факторы влияют на величину выборочного среднего x , в то время как
на величину s – факторы индивидуального характера (поверхность
подложки, нанесение пасты).
На практике СРТП можно производить по контрольным картам
средних значений. В настоящей работе в целях ознакомления с методикой построения и применения контрольных карт рассматриваются оба вида карт.
Для построения x -карты необходимо задать среднее значение
сопротивления в партиях µ0, соответствующее налаженному ТП.
Целесообразно выбрать µ0 равным значению середины поля допуска. Границы регулирования устанавливаются как статистические допуски для выборочного среднего значения сопротивления
в партиях, соответствующие заданной вероятности a (рис. 2, а).
Распределение плотности вероятности величины сопротивления
в партиях можно принять нормальным, тогда положение границы
регулирования определяют по формулам
σ
α ± =μ0 ± u1−α/2 0 ,
n а
Разладка ТП
x
б
(3)
Разладка ТП
s
s гр
a+
µ0
a–
Номер
партии
1
2
3
4
5
6
σ0
Номер
партии
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Контрольные карты: а – x – карта; б – S – карта
172
где n – объем выборки; u1–a/2 – квантиль нормального распределения для вероятности 1–α, определяемая из условия
(
)
1 u1−α 2 −(t2 2)
=
e
dt F u1−α 2 ,
∫
2π −∞
где F(u) – табулированная функция стандартного нормального распределения.
Для построения s-карты используется найденное при предварительном анализе ТП значение σ0. Границы регулирования устанавливаются как статистические допуски для выборочной дисперсия
S2, соответствующе вероятности a (рис. 2, б).
При нормальном распределении плотности вероятности сопротивлений в партиях величина (nS2)/σ02 распределена по закону χ2
(«хи-квадрат») с n–1 степенями свободы [6]. Верхнюю границу регулирования Sгр2, для S2 можно определить из выражения
1− α 2
=
2
nSãð
=
χ12−α 2 ( n − 1), σ20
(4)
2
где χ1−α 2 ( n − 1) – квантиль распределения χ2 для вероятности 1–α/2
и числа степеней свободы (n – 1) (табличная функция). Нижняя граница регулирования, как правило, не устанавливается, так как разладка ТП по дисперсии разброса сопровождается ее увеличением.
Величина a – это вероятность появления ложного сигнала о разладке ТП (ошибки первого рода) и обычно принимается α = 0,9–
а
б
_ _
f(x)
f
Доверительная
вероятность-P
α/2
α/2
a–
µ0
a+
( nσ s2 )
0
α/2
_
x
2
Доверительная
вероятность-P
α/2
n s2
σ 02
Рис. 3. Нормальный закон распределения случайной величины x – а;
закон распределения χ2 («хи-квадрат») случайной величины
(n. S2)/σ02 с n–1 степенями свободы – б
173
0,95. При этом один ложный сигнал о разладке в среднем будет
приходиться на 10–20 партий.
Широко распространен подход, при котором границы регулирования на x -карте выбираются по правилу «трех сигм»
σ
a± =μ0 ± 3 ⋅ 0 .
n
В этом случае Роб = 0,9973.
Описание объекта контроля
и методики измерений
Объектом контроля являются резисторы, сформированные на
керамической подложке. Топология микросборки приведена на
рис. 4. Номинальные значения сопротивлений резисторов микросборки и их схемные допуски даны в табл. 1.
Таблица 1
Позиционное
обозначение
Номинал, кОм
Допуск, %
Позиционное
обозначение
Номинал,
кОм
Допуск,
%
1
2,7
+5
12
2
10
2
3,0
15, – 5
13
0,08
10
3
3,0
15, – 5
14
0,08
10
4
2,7
5
15
2
10
5
3,0
15, – 5
16
3,0
10
6
2,7
5
17
2,7
10
7
3,0
15, – 5
18
4,0
10
8
0,08
10
19
2,0
10
9
2,0
10
20
1,0
10
10
2,0
10
21
47
10
11
0,08
10
Для контроля ТП в лабораторной работе используются выборки
объемом в пять подложек из пяти последовательно изготавливаемых партий. Для удобства измерений подложки каждой выборки
объединены конструктивно в одной кассете.
174
13
12
R18
14
R21
11
R17
15
10
R16
16
R20
R19
17
18
R5
R4
21
22
23
24
R15
R14
R13
20
R3
R2
R1
8
7
R6
R7
19
9
R12
R11
R10
R9
6
5
4
3
2
1
R8
Рис. 4. Эскиз топологического чертежа микросборки
Измерения сопротивлений производятся прибором М-838.
Контактные площадки, к которым должны подключаться щупы
прибора, на топологии рис. 4 обведены жирными линиями.
2. Порядок выполнения работы
Подготовка контрольных карт
1. Получить у преподавателя задание, включающее номера измеряемых сопротивлений, соответствующие значения среднеква175
дратического отклонения σ0 сопротивлений в партиях для налаженного процесса, вероятность ошибки первого рода a.
2. Рассчитать положения границ регулирования по формулам
(3) и (4). Значения квантилей up и χp2(u) приведены в табл. 2.
Таблица 2
Квантиль
up
χp2(u)
0.9
1.28
7,78
Значение Р
0,95
1,645
9,49
0,975
1,96
11,1
3. Вычертить заготовки для контрольных карт и нанести на них
линии, соответствующе границам регулирования.
Контроль состояния технологического процесса
1. Измерить значения первого из заданных резисторов на всех
подложках первой выборки.
2. Рассчитать значения выборочных характеристик x и S по
формулам (1) и (2), нанести на карты точки, соответствующие этим
значениям.
3. Повторить пункты 1 и 2 для второй и последующих партий и
заполнить контрольные карты для первого резистора.
4. Проанализировать ход ТП по x и S картам и сделать вывод о
налаженности ТП при формировании данного резистора.
Заполнить и проанализировать контрольные карты в соответствии
с пунктами 1–4 для остальных резисторов, указанных в задании.
Задание по УИРС
В порядке УИРС могут быть предложены следующее вопросы:
– анализ корреляционных связей сопротивлений резисторов,
выполненных из одной пасты по объединенной выборке, заданной
преподавателем; формулы для расчета выборочного коэффициента
корреляции и соответствующих доверительных интервалов приведены в литературе [2, 3];
– анализ налаженности процесса по контрольным картам размаха по методике, приведенной в литературе [2].
3. Указания по оформлению отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
176
– формулировку цели работы;
– расчетные формулы с пояснениями;
–  x -карты и S-карты для заданных резисторов;
– выводы о состоянии ТП по всем резисторам.
Контрольные вопросы
1. В чем сущность статистического контроля ТП производства
толстопленочных резисторов?
2. Что понимается под налаженным ТП производства толстопленочных резисторов?
3. Чем вызывается разладка ТП производства толстопленочных
резисторов?
4. В чем сущность процедуры статистического регулирования ТП?
5. Как определяются границы регулирования для x -карты ?
6. Как определяются границы регулирования для S-карты ?
7. Почему на x -карте задаются две границы, а на S-карте задается только одна граница ?
Рекомендуемая литература
1. Клячкин В. Н. Многомерный статистический контроль технологического процесса. М.: Финансы и статистика, 2003.
2. Клячкин В. Н. Статистические методы в управлении качеством: компьютерные технологии: учеб. пособие / М.: Финансы и
статистика, 2007.
3. Адлер Ю. П., Шпер В. Л. Интерпретация контрольных карт
Шухарта // Методы менеджмента качества. 2003. № 11.
4. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника.
Физические и технологические основы, надежность. М.: Высшая
школа, 1986.
5. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование / под ред. Л.А. Коледова. М.: Высшая школа, 1984.
6. Лопухин В. А., Филатов Б. Г., Шелест Д. К. Проектирование
микросборок и микросхем: учеб. пособие / ЛИАП. Л., 1985.
7. Гимпельсон В. Д., Радионов Ю. А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники. М.:
Машиностроение, 1976.
177
Приложение
Статистическая обработка экспериментального материала
1. Методика построения гистограммы
Разбить диапазон изменения сопротивления на 8 – 10 интервалов (разрядов). Подсчитать количество измерений сопротивлений
mi, приходящихся на каждый i-й разряд. Значения сопротивлений, находящихся на границе разрядов, разнести пополам в каждый из смежных разрядов (по 1/2).
Определить частоту для каждого разряда по формуле
mi
,
n
где n – общее число исследуемых резисторов.
По оси абсцисс отложить разряды и на каждом из разрядов, как
на их основании, построить прямоугольник, площадь которого равна pi*, при этом высота прямоугольника должна быть равна частоте, деленной на длину разряда.
2. Методика определения статистических характеристик
Математическое ожидание (статистическое среднее) сопротивления определяется по формуле
pi* =
k
m ( R ) = ∑ R i pi* ,
i =1
где R i – представитель i-го разряда (его среднее значение); k – число разрядов.
Среднее квадратическое отклонение определяется по формуле
σ (=
R)
k
∑ R i − m ( R )
i =1
178
2
pi* .
Лабораторная работа № 12
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ
МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (МПП)
Цель работы: изучение методов изготовления МПП; определение наиболее важных электрических параметров КПП; приобретение навыков в определении основных дефектов МПП; исследование взаимосвязи между технологическими факторами.
1. Краткие теоретические сведения и методические указания
по подготовке к работе
Конструктивно-технологические особенности
изготовления МПП
Многослойная печатная плата представляет собой единый коммутационный узел, состоящий из нескольких спрессованных (склеенных) печатных слоев, гальваническая связь между которыми соответствует принципиальной схеме. При конструировании МПП руководствуются следующими соображениями. Схема коммутации должна
соответствовать принципиальной схеме при минимуме значений паразитных параметров МПП. Контактные площадки следует расположить так, чтобы соединяющие их проводники оказались минимальной длины. Прокладка входных и выходных печатных проводников
параллельно друг другу не рекомендуется из-за возникновения паразитной обратной связи. Шины, по которым текут суммарные токи
схемы, должны быть по возможности шире. Для надежного сцепления особо длинных печатных проводников с основанием необходимы
дополнительные контактные площадки и отверстия.
МПП применяются, как правило, для коммутации корпусированных интегральных микросхем, а также для соединения функциональных узлов общей соединительной платой в блок. В зависимости от сложности схемы выбирается определенное число слоев
МПП. При этом на отдельных слоях рекомендуется располагать цепи питания, нулевого потенциала, сигнальные цепи и т. д. Процесс
проектирования и изготовления МПП весьма сложен и трудоемок.
Однако в связи с переходом на интегральные схемы применяемость
МПП резко возрастает, а стоимость падает, в частности в результате использования машинного метода проектирования.
179
Технологический процесс изготовления МПП мало чем в принципе отличается от процесса производства одно- и двусторонних
печатных плат. Однако для обеспечения необходимой точности
совмещения плат требования к размерам и допускам МПП значительно выше. Наиболее высокие точностные требования предъявляются к следующим операциям:
– изготовление фотооригиналов и негативов с применением малоусадочных материалов,
– пробивка базовых отверстий на негативах и заготовках,
– выполнение межцентровых расстояний и получение самих отверстий.
Электрические и механические характеристики МПП зависят
от качества выполнения процесса прессования, основными характеристиками которого являются удельное давление прессования,
температура нагрева и время выдержки. В процессе прессования
пакеты, содержащие собираемые платы и слои стеклоткани, пропитанные лаком, устанавливаются между плитами, нагретыми
до 120–130°С, и производится прессование с удельным давлением
5–15 кг/см2 в течении 15–20 мин. Далее температура пресса поднимается до 150–160°C, давление – до 10–60 кг/см2, а время выдержки определяется из расчета 10 мин не каждый миллиметр толщины
платы. После окончания цикла прессования платы охлаждается,
давление снимается и пресс разнимается. На этом этапе возможно
появление следующих дефектов:
– расслоение МПП из-за недостаточной полимеризации, обусловленной малым временем прессования,
– разрыв или сдвиг печатных проводников в слое в результате чрезмерно высокого давления при прессовании или перекоса плит пресса.
Для получения отверстий в МПП наибольшее распространение
получил метод сверления, так как в эпоксидных стеклопластиках
пробивка отверстие методом штамповки весьма затруднительна.
Одним из главных недостатков сверления МПП является наволакивание смолы между контактной площадкой и металлизацией
в отверстии, вызванное местным перегревом материала при сверлении. Поэтому очень важно вести сверление в правильно выбранном
технологическом режиме.
По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних
плат. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев.
Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias).
180
Металлизированное
сквозное отверстие
Глухой
микропереход
Скрытый
микропереход
Слой 7
Слой 5
Слой 3
Слой 1
Слой 2
Слой 4
Слой 6
Скрытые межслойные
отверстия
Контактная площадка
Слой 8
Рис. 1. Сечение многослойной печатной платы со скрытыми
микропереходами и отверстиями
Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними
слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.
Глухой переход – это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы.
Скрытые же переходы используются для соединения между
собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной коммутации
(рис. 1).
В настоящее время используют несколько конструктивно-технологических методов изготовления МПП [5].
Метод открытых контактных площадок (рис. 2). Здесь отдельные слои МПП изготавливает фотохимическим способом на
Колодец
Вывод
Диэлектрик
фольгированный
Рис. 2. Плата, выполненная методом
открытых контактных площадок
181
Вывод
Окно
Pис. 3. Плата, выполненная методом
наружных соединений
односторонних фольгированных диэлектриках. В слоях вырубают
отверстия таких образом, чтобы после сборки слоев ко всем контактным площадкам имелся свободный доступ. В процессе сборки
слом наклеивают друг на друга. Диаметр открытой контактной
площадки должен превышать диаметр отверстия не менее чем на
400–600 мкм. Метод имеет ограниченную коммутационную способность, так как электрические межслойные соединения отсутствуют, а увеличение слойности ухудшает качество сборки, поскольку
наличие глубоких «колодцев» затрудняет отмывку флюса к часто
приводит к браку. По типовому технологическому процессу максимально допустимое число слоев – 6.
Метод наружных соединений (выступавших выводов) (рис. 3)
заключается в одновременном прессовании заготовок с нанесенным рисунком и перфорированными в них окнами, в которых проходят выводы отдельных слоев в виде полосок медной фольги, отгибаемых на наружную поверхность готового пакета. Межслойные
соединения в платах отсутствуют. Кроме того при травлении меди
с пробельных участков из-за подтравливания происходит снижение механической прочности выводов и даже их отрыв. Метод имеет среднюю коммутационную способность, так как из-за наличия
«окон» в МПП зона трассировки печатных проводников сокращена. По типовому технологическому процессу максимальное число
слоев – 15.
Метод послойного наращивания (рис. 4) заключается в том, что
на заготовку фольги напрессовывается слой тонкого диэлектрика,
перфорированного в местах межслойного соединения. В перфорированные отверстия на внутреннюю поверхность фольги осаждается гальваническая медь, заполнявшая их на толщину диэлектрика. Далее на наружную поверхность диэлектрика осаждается слой
меди, на котором выполняется рисунок схемы. По количеству слоев повторяется напрессовывание диэлектрика, выполнение меж182
Фольга
Медь
Рис. 4. Плата, выполненная
методом
послойного наращивания
Металлизация
Рис. 5. Плата, выполненная
методом
попарного прессования
слойных соединений и рисунка схемы. На последний слой рисунка
напрессовывается сплошной слой диэлектрика. Затем получают
рисунок первого фольгированного слоя. Метод послойного наращивания имеет большую коммутационную способность, несмотря
на ограниченную слойность (не более 5 слоев). При большом числе
слоев на МПП появляется рельефность. Метод обеспечивает надежные межслойные соединения, однако весьма трудоемок и длителен.
Метод попарного прессования (рис. 5). Здесь на двух заготовках двустороннего фольгированного диэлектрика выполняется
рисунок схемы внутренних слоев МПП. Для каждой заготовки
в местах межслойных соединений сверлят и металлизируют отверстия. Затем двусторонние платы склеивают между собой схемами
внутрь. Полученная структура может рассматриваться как сложная двусторонняя печатная плата с металлизацией отверстий, соединяющих первый и четвертый слои. Далее можно подклеить еще
одну двустороннюю печатную плату. В полученной шестислойной
структуре вновь сверлят и металлизируют отверстия, соединяющие первый и шестой слои. Недостатком метода является малое
числе сдоев (6 слоев). Однако техпроцесс технологичен, так как на
многих операциях он аналогичен комбинированному техпроцессу
изготовления двусторонних печатных плат.
Метод металлизации сквозных отверстий (рис. 6) заключается в том, что необходимое количество слоев, на которых тем или
иным способом выполнена печатная схема, склеивают между собой
с помощью стеклоткани, пропитанной лаком, после чего в полученной МПП сверлят насквозь и металлизируют отверстия. При этом
те слои, которые должны быть соединены между собой, имеют контактные площадки, соединяющиеся по торцу с металлизированными отверстиями. Для увеличения надежности межслойных соединений применяют подтравливание диэлектрика внутри отверстия
до металлизации, в результате чего часть поверхности контактной
183
Металлизированное
сквозное отверстие
Рис. 6. Плата, выполненная методом
металлизации сквозных отверстий
площадки обнажается. Метод имеет высокую коммутационную
способность за счет большой слойности (до 12 слоев). В платах, изготовленных по этой технологии, часто нарушается целостность
электрических цепей. Разрывы обусловлены малыми поверхностями контакта внутренних слоев с металлизированными отверстиями, низким качеством химической металлизации и существенным
различием коэффициентов расширения составляющих материалов.
Гибкие печатные платы
Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это,
прежде всего – уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежности.
Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть
конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат
на жесткой основе.
Рис. 7. Конструкция гибкой печатной платы (ГПП)
184
Односторонние ГПП наиболее распространены в этом классе
плат, поскольку проявляют наилучшую динамическую гибкость.
Контактные площадки таких плат расположены с одной стороны,
в качестве материала проводящей фольги чаще всего используется
медь.
Односторонние ГПП с двухсторонним доступом имеют один
проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены
с обеих сторон платы.
Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами
(на рисунке проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя).
Многослойные ГПП содержат не менее трех проводящих слоев,
соединеных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В таких платах проще реализовывать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать большие значения соотношений «высота/диаметр отверстия». Прогнозируется применение таких ГПП для сборки на них
многокристальных интегральных схем.
Жестко-гибкие ПП являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между
собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями. Наиболее распространены в изделиях оборонной техники, однако расширяется их применение и в промышленной электронике.
ГПП с местным ужесточением (укреплением). В таких платах
возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей. Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.
Как показала практика, причины возникновения дефектов при
изготовлении МПП различными способами разнообразны и обусловлены либо невысоким качеством самих материалов, из которых изготавливается слои платы, либо нарушениями режимов технологического процесса. К наиболее часто встречающимся дефектам МПП
можно отнести следующие: внутренние короткие замыкания на слоях и между слоями, разрыв печатных проводников, плохое совмещение слоев, отсутствие соединения между контактными площадками
и металлизациями отверстий, пониженное сопротивление изоляции, дефекты при сверлении отверстий, расслоение платы.
Для устранения перечисленных дефектов необходимо установить связь между технологическими факторами (температура
185
прессования, удельное давление, время прессования, время травления фольги и т. п.) и параметрами МПП. С этой целью изготавливают специальные тест-платы, по которым определяют все режимы
технологического процесса на основе оценки следующих электрических параметров МПП:
– омического сопротивления межслойных переходов Rпер;
– сопротивления изоляции между проводниками, расположенными рядом в одном слое (наружном или внутреннем) Rип;
– сопротивления межслойной изоляции Rим;
– паразитной емкости между проводниками, расположенными
рядом в одном слое Спп;
– паразитной емкости между проводниками, расположенными
друг под другом в разных слоях Спм;
– омического сопротивления печатных проводников Rпр;
– диэлектрической проницаемости межслойной изоляции ε.
Расчет паразитных параметров МПП
Паразитные емкости печатной платы могут быть рассчитаны
в зависимости от геометрических размеров и варианта взаимного
расположения (рис. 8) печатных проводников, а также величины
диэлектрической проницаемости межслойной изоляции по известной формуле [5]
С = Спогl,
Cпог = kпε′, пФ
kП , см
1 b1 d1 b2 d2 3
4
0,6
b2
b1 = b2
2 b1 d1 b2 d2 4
3
0,4
0,2
b1
b1 = b2
0,5
0,3
(1)
2
b1 ≤ b2/3
1
b1 ≤ b2/3
0,1
0,1
0,2 0,3
0,5
1,0
2,0 3,04,0
d1
b1
b2
d2
b1
Рис. 8. Зависимость коэффициента kп от варианта расположения
печатных проводников и конструктивного параметра платы – 1, 2, 3, 4
186
где Спoг – погонная емкость С (емкость на единицу длины), kn – коэффициент пропорциональности, определяемый по графику рис. 8,
l – длина взаимного перекрытия проводников, ε′ – действующая
диэлектрическая проницаемость среды, вычисляемая по формуле
ε′ = 0,5(ε0 + ε),
(2)
где ε0 – диэлектрическая проницаемость воздуха, ε – диэлектрическая проницаемость материала плат. При покрытии печатной платы лаком паразитная емкость увеличивается, так как
ε′ = 0,5(eл + e) (3)
где εл – диэлектрическая проницаемость лака.
Паразитная взаимоиндуктивность между печатными проводниками характеризуется коэффициентом взаимоиндукции М
(нГ), который рекомендуется определять по формулам:
– для платы без экранирующей плоскости (рис. 9, а)
 2l 
=
M 2l  ln − 1 ,
 S
 (4)
– для платы с экранирующей плоскостью (рис. 9, б)
 2H S 
=
M 2l  ln
+ ,
S
l 
(5)
где l – длина проводника, cм; S – расстояние между осями проводников, см; Н – расстояние между проводником и экраном, см.
a
b1
S
b2
t
б
b1
S
b2
Н
Рис. 9. Варианты расположения печатных проводников на плате: а) без
экранирующей плоскости; б) c экранирующей плоскостью
187
Индуктивность печатного проводника для платы с экранирующей плоскостью (рис. 9, б) рекомендуется определять по формуле
L = Lпогl, (6)
где Lпог – погонная индуктивность печатного проводника (индуктивность на единицу длины), мкГ/см. Экспериментальные значения погонной индуктивности печатных проводников приведены на
рис. 10.
мкГ
LПОГ, см
0,017
0,015
t = 0,05мм
0,013
0,011
0,009
0,007
0,2 0,3
0,5
1,0
2,0 3,0
b, мм
5,0
Рис. 10. Зависимость погонной индуктивности
от ширины печатного проводника
Оценка качества МПП
Проверка готовой платы начинается обычно с внешнего осмотра,
при этом определяется наличие вздутий, раковин, расслоения слоев, отслоений фольги, механических повреждения и загрязнений.
Толщину слоя меди в отверстиях проверяют с помощью микроскопа
УИМ-23. Анализ микрошлифов поперечных сечений металлизированных отверстий позволяет определить качество металлизации.
О качестве паек судят по отсутствию раковин, пузырей, смещений
контактных площадок и т. п. В условиях массового производства
для отбраковки МПП разработаны методы автоматизированного
контроля целостности проводников и отсутствия коротких замыканий. Целостность проводников определяется путем пропускания
по цепям платы тока от источника низкого напряжения, а отсутствие коротких замыканий – подачей высокого напряжения. Для
контроля качества изоляции используют устройство, содержащее
испытательную камеру, блок измерения, снабженный контактным
щупами, камеру предварительной выдержки печатной платы.
188
Для оценки величин сопротивлений МПП применяют приборы
с пределами измерения от долей Ом (миллиомметры) до 10 14 Ом
(терраомметры).
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка включает в себя тест-плату МПП-4-13Т
и измерительные приборы: миллиомметр Е6-12, мост универсальный Е7-4 и RCL BRIDGE SE 8280.
Измерение паразитной емкости с помощью RCL BRIDGE SE
8280.
Нажать кнопку «Сеть» для включения прибора. Установить диапазон измеряемых емкостей С = 200 pF.
Подключить измеряемую емкость и провести измерение.
Измерение сопротивления проводников с помощью Е6-12.
Установить тумблер «Сеть» в правое положение, а ключ – в положение
«Калибровка». Вращением оси потенциометра «Калибровка» установить стрелку микроамперметра на отметку «10» верхнее шкалы.
Установить переключатель шкал в положение «10000». Подключить
к соединительным проводам измеряемое сопротивление.
Нажать ключ вниз в положение «Измерение» и по шкале микроамперметра отсчитать величину сопротивления. Если показания
малы, следует перейти на более чувствительную шкалу с помощью
переключателя шкал.
2. Порядок выполнения работы
Исследование тест-платы МПП-4 -13T
1. Измерение паразитной емкости между соседними печатными
проводниками, расположенными в одном слое.
Подготовить прибор Е7-5А к работе. С помощью универсальных щупов прибора подсоединиться к выходным клеммам стенда
или контактным площадкам платы в последовательности, указанной в табл.1, и произвести измерения паразитной емкости Сп.
Результаты измерений записать в предварительно подготовленную
табл. 1. Ознакомиться с расчетом погонной паразитной емкости по
формулам (1)–(3) и рассчитать значения
Cï.ïîã =
Cï.èçì
,
l
(7)
189
где Сп.изм – измеренное значение паразитной емкости, пф; l – длина
проводников, расположенных рядом (cм. табл. 1), см.
Таблица 1
Обозначе- № Ширина Зазор
ние кон- слоя провомежду
тактных
дника,
провоплощадок
мм
дниками,
мм
Длина Сп,
прово- пФ
дника, см
№
п.п
№
клемм
стенда
1
3 – 4
К4–К5
1
0,5
0,5
92
2
5 – 6
К10–К11
2
0,5
0,5
92
3
11–12 К28–К29
3
0,5
0,5
92
4
13–14 К39–К40
4
0,5
0,5
92
5
К1–К6
1
0,5
0,5
13,1
6
К6–К2
1
0,5
0,5
12,7
7
К2–К7
1
0,5
0,5
12
8
К7–К3
1
0,5
0,5
11,8
9
К30–К33
3
0,5
0,5
10,6
10
К16–К17
1
5
0,3
2,5
11
К17–К18
1
5 – 0,3
0,3
2,5
12
К18–К19
1
0,3 – 5
0,3
2,5
13
К12–К13
2
5
0,3
2,5
14
К13–К14
2
5 – 0,3
0,3
2,5
15
К14–К15
2
0,3 – 5
0,3
2,5
16
К24–К25
3
5
0,3
2,5
17
К25–К26
3
5 – 0,3
0,3
2,5
18
К26–К27
3
0,3 – 5
0,3
2,5
Сп.пог, Примечание
пФ/см
Проводники
в виде
встречных
гребенок
2. Измерение межслойной паразитной емкости.
Подготовить прибор RCL BRIDGE SE 8280 к работе. С помощью универсальных щупов прибора подсоединиться последовательно к выходным клеммам стенда, указанным в табл. 2.
и произвести измерения межслойных паразитных емкостей.
Результаты измерений записать в предварительно подготовленную табл. 2.
190
Таблица 2
№
п.п
№ клемм
стенда
Обозначение
контактных
площадок
№ слоя
Толщина
изоляции,
мм
1
2
3
10 – 9
9 – 8
8 – 7
К22–К20
К20–К21
К21–К23
1 – 2
2 – 3
3 – 4
0,42
0,21
0,42
4
15 – 16
К41–К31
1 – 2
0,42
5
6
16 – 17
17 – 18
К31–К32
К32–К33
2 – 3
3 – 4
0,21
0,42
Сп.изм, пФ
Рассчитать значения диэлектрической проницаемости межслойной изоляции
C
⋅d
ε = ï.èçì ,
0,0885 ⋅ S (8)
где С п.изм – измеренная емкость в пф; d – толщина межслойной
изоляции, cм; S – площадь обкладки конденсатора, см2.
Для платы МПП-4-13Т диаметр обкладок составляет 16 мм, а
коэффициент 0,0885 имеет размерность пф/см.
3. Расчет коэффициента взаимоиндукции между печатными
проводниками.
Измерить длину параллельных проводников между контактными площадками согласно табл. 3.
Таблица 3
№
п.п
1
2
3
4
Обозначение
Ширина
Расстояние
Длина паралконтактных проводника, между ося- лельно располоплощадок
мм
ми проодни- женных провоков, мм
дников, мм
К1–К36
К6–К34
К6–К34
К2–К37
К2–К37
К7–К35
К7–К35
К3–К38
0,5
1,0
0,5
1,0
0,5
1,0
0,5
1,0
М,
нГ
Ознакомиться о расчетом коэффициента взаимоиндукции M по
формулам (4), (5). Рассчитать коэффициент взаимоиндукции для
соседних проводников (рис. 9 а, б). Результаты занести в табл. 3.
191
3. Указания по оформлению отчета
Отчет должен содержать: цель работы, укрупненную структурную
схему техпроцесса изготовления исследуемой МПП, схемы измерений,
экспериментальные данные в виде таблиц, анализ результатов исследований МПП и сопоставление их с теоретическими предпосылками.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение МПП?
2. Перечислите требования к конструкции МПП, к вариантам
их технологического обеспечения.
3. Назовите основные варианты конструкций МПП и методы их
изготовления.
4. В чем сущность технологического процесса изготовления
МПП по методу металлизации сквозных отверстий ?
5. Какие основные технологические факторы определяет качество
МПП при изготовлении по методу металлизации сквозных отверстий?
6. В чем заключается расчет и измерение коэффициента M?
Назовите факторы, определяющие величину М.
7. В чем заключается расчет к намерение Сп? Назовите факторы,
определяющие величину Спог.
8. От чего зависит сопротивление проводников к изоляции?
Рекомендуемая литература
1. Кечиев Л. И. Проектирование печатных плат для цифровой
быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.
2. Медведев А. М. Обеспечение надежности межсоединений при
проектировании печатных плат // Технология приборостроения.
2003. № 4. С. 3–12.
3. Медведев А. М. Современное состояние и перспективы развития производства электроники в России // Технология приборостроения. 2008. № 1. С. 3–15.
4. Грачев А. А., Мельников А. А., Панов Л. И. Конструирование
электронной аппаратуры на основе поверхностного монтажа компонентов. М.: НТ Пресс, 2006.
5. ГОСТ 2.417–91. Платы печатные. Правила выполнения чертежей. М.: Изд-во стандартов, 1991.
6. ГОСТ 23751–86. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М.: Изд-во стандартов, 1986.
192
Лабораторная работа № 13
ВЫБОРОЧНЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
Цель работы: освоение методов статистического контроля и
произвести входной контроль партии резисторов; изучение основных положений статистического контроля качества изделий; проведение статистического входного контроля партии резисторов по
качественному признаку методами одноступенчатого и двухступенчатого контроля и методом последовательного анализа.
По результатам проведенных исследований оценить надежность
выборочного входного контроля.
1. Краткие теоретические сведения
и методические указания для выполнения работы
Теоретическая часть
Контроль качества продукции ведется в течение всего производственного процесса и является неотъемлемой его частью. При изготовлении РЭА используются следующие виды контроля:
а) входной контроль материалов и комплектующих изделий;
б) межоперационный контроль;
в) выходной контроль.
Цель входного контроля – проверка на соответствие требованиям сертификатов, технических условий и стандартов параметров
материалов и комплектующих изделий, поставляемых заводу-потребителю заводом-изготовителем. Часть поступающих изделий
может не соответствовать требованиям ТУ, ГОСТ вследствие ненадёжности выходного контроля на заводе-изготовителе, воздействия климатических и механических факторов при хранении и
транспортировке и т. д.
Межоперационный контроль позволяет поддерживать постоянное качество продукции, выявляя случайные ошибки рабочих, отклонения режимов работы оборудования и т. д.
Приемочный контроль является завершающей операцией технологического процесса изготовления изделия. Проверка параметров готовой продукции на соответствие ТУ, ГОСТ проводится для
принятия окончательного решения о ее годности.
По способу отбора изделий различают следующие виды контроля;
193
а) сплошной контроль;
б) выборочный контроль.
Сплошному контролю подвергаются все изделия, когда их число невелико или к качеству предъявляются жесткие требования.
В тех случаях, когда сплошной контроль связан с уничтожением,
порчей изделий или экономически не оправдан, проводится выборочный контроль.
Критериями при выборе вида контроля является необходимая
надежность проверки и возможно меньшая стоимость работ по контролю.
Выборочный контроль является статистическим, если основан
на теоретическом вероятностном расчете надежности (достоверности результатов) проверки. Различают два варианта статистического контроля:
– качественный контроль, при котором изделия по проверяемому признаку классифицируются на «годные» и «брак». Оценка
партии производится по величине доли дефектных изделий в выборке;
– количественный контроль, когда определяется один или несколько количественных параметров выборки. Оценка партии изделий проводится по статистическим характеристикам распределения проверяемых параметров.
Оценка соответствия параметров изделий заданному значению
проводится по сравнению с образцовыми изделиями или непосредственным измерением контролируемых параметров соответствующими измерительными приборами.
В случае контроля по качественный признакам качество партии
характеризуется долей дефектных изделий q:
M
,
(1)
N где N – общее число изделий в партии, а М – число дефектных изделий.
Вероятность приемки партии по результатам выборочного контроля Р зависит от q и плана контроля. План контроля содержит
сведения об объеме выборки в зависимости от объема N, а также
значения браковочных чисел. Существует зависимость
q=
r = P(q),
называемая оперативной характеристикой выбранного плана контроля.
194
План контроля с идеальной оперативной характеристикой показан на рис. 1, а. Следовательно, если доля дефектных изделий в партии q не превышает допустимого qбр, вероятность приемки партии
P(q) = 1, а если превышает – вероятность приемки равна нулю.
Практические оперативные характеристики P(q) имеют плавный ход (рис. 1, б). Для их построения при объеме выборки n > 20 и
n
≥ 0,1 можно пользоваться соотношением
N
q
n

P(q=
) 1 −  ,
N 
n
≤ 0,1 формулой
а при
N
n
q 

P(q=
) 1 −  . N

(2)
(3)
План контроля лучше тот, в котором оперативная характеристика ближе к идеальной. При контроле качества устанавливаются
два уровня качества: приемочный уровень качества q0 и браковочный уровень качества qm.
Если q < q0, то партия продукции по результатам выборочного
контроля принимается, а если q < qm – партия бракуется.
Риском поставщика a называется вероятность забракования по
результатам статистического контроля хорошей партии изделий
с приемочным уровнем качества q0
a = 1 – P(q0).
Риском заказчика b называется вероятность приемки некачественной партии изделий с браковочным уровнем качества qm –
b = P(qm).
a
б
P(q)
1
0,5
P(q)
1
1-α
α
0,5
β
0
q бр
1 q
0
q0
qm
1 q
Рис. 1. Идеальная (а) и практическая (б) оперативные характеристики
195
Методика проведения
статистического контроля
по качественному признаку
Статистический контроль партии изделий охватывает следующие этапы:
1) извлечение из партии изделий случайной выборки назначенного объема;
2) проверку входящих в выборку изделий;
3) принятие решения о качестве партии.
В основном применяются три метода выборочного контроля:
одноступенчатый, двухступенчатый и метод последовательного
анализа.
Одноступенчатый контроль. Из партии выбирается n изделий,
среди которых m может оказаться бракованных. Если m ≤ C1 где
C1 – приемочное число, то партия принимается. Если m > C1, партия бракуется.
Двухступенчатый контроль. По результатам контроля первой выборки партия принимается, если m ≤ C1, и бракуется, если
m > C1. Если C1 < m ≤ C2, то извлекается вторая выборка. По результатам контроля второй выборки – партия принимается, если
количество дефектных единиц в двух выборках меньше пли равно
приемочному числу m1 + m2 ≤ C3, и бракуется, если m1 + m2 ≥ C4.
Необходимо иметь в виду, что организовать двухступенчатый
контроль сложнее, чем одноступенчатый. Однако при установившемся технологическом процессе или надежной поставке комплектующих изделий и электрорадиоэлементов он оказывается экономически выгодным в связи с тем, что второй выборки часто не приходится извлекать.
Метод, последовательного анализа. При использовании этого
метода объем выборки заранее не определяется. Контролер последовательно проверяет качество продукции, ведет счет количества
годных и бракованных изделий до тех пор, пока не накопится необходимое количество данных о качестве партии.
При практической реализации этого метода в системе координат m, n выделяются три зоны: приемки, продолжения испытаний
и браковки (рис. 2).
Если заданы приемочный уровень q0, браковочный уровень qm,
риск поставщика a и риск заказчика b, то в случае закона распределения Пуассона P(q) (это справедливо при P, P0, Pm < 0,1), для
построения зон на рис. 2 можно воспользоваться формулами
196
m
Зона браковки партии
С бр
7
Зона продолжения
испытаний
5
С пр
3
Зона приемки
партии
1
1
3
5
7
9
n
Рис. 2. Контроль качества методом
последовательного анализа
=
ε
где
=
Cïð
A
ε −1
,
à−
ln ε
ln ε (7)
=
Cáð
Â
ε −1
,
à+
ln ε
ln ε
(8)
qm
1− α
1−β
=
=
=
, a nq
, A ln
, B ln
.
β
α
q0
Испытания заканчиваются, когда после проведения очередного
измерения и проверки изделия точка с координатами m, n оказывается вне зоны продолжения испытаний. При этом в зоне приемки
партия принимается, в зоне браковки – бракуется.
Проведение статистического приемочного контроля оговаривается стандартами. Имеется необходимый материал для
организации контроля [6], когда приемка партии при наличии
дефектных изделий по экономическим или другим соображениям является недопустимой. Стандарт [7] применяется при статистическом приемочном контроле по альтернативному признаку
при установившемся и стабильном производстве, где по результатам предыдущих выборок можно оперативно переходить к облегченному или усиленному контролю. Методика обеспечения
случайности и представительности выборки дана в литературе
[8].
197
Выбор плана контроля и построение его
оперативной характеристики
Для выбора плана контроля следует определить:
– значение риска потребителя;
– значение браковочного уровня качества;
– вариант браковки.
Значение риска потребителя b устанавливается компетентными
органами или соглашением между поставщиком и потребителем.
Значение риска потребителя 0,05 соответствует более жестким требованиям потребителя к качеству контролируемой продукции.
Значение риска поставщика a может быть вычислено по оперативной характеристике плана контроля, если вычислена оценка
среднего уровня входного качества:
– точечная оценка риска поставщика a вычисляется по формуле
α = 1 − P ( q ),
где q – точечная оценка среднего уровня входного качества;
доверительные границы для риска поставщика вычисляются по
формулам
α1 = 1 − P ( q1 ) ,
α2 = 1 − P ( q2 ) ,
где α1 и α2 – соответственно нижняя и верхняя доверительные
границы для риска поставщика; q1 и q2 – соответственно нижняя
и верхняя границы для среднего уровня входного качества.
Значение браковочного уровня качества qm следует выбирать
исходя из значения qг граничного уровня качества, которое представляет собой максимально допустимую долю дефектных изделий
в партии и устанавливается компетентными органами или соглашением между поставщиком и потребителем. Значение браковочного уровня качества qm не должно превышать значения граничного уровня качества qг.
Вариант браковки выбирается по правилам:
– если сплошной контроль изделий в партии невозможен, то
следует применять вариант браковки В (партия возвращается поставщику);
– если сплошной контроль изделий в партии возможен, то следует применять варианты браковки К (проводится сплошной кон198
троль всех изделий в партии с возвращением всех дефектных изделий поставщику) или КЗ (проводится сплошной контроль всех
изделий в партии с заменой дефектных изделий годными).
Для определения плана контроля следует установить его кодовое обозначение, которое содержит обозначение стандарта, коды типа плана контроля, показателя качества, объема выборки.
К примеру, кодовое обозначение ГОСТ 18242-72 – 1.32.07 означает
следующее. Первая цифра после обозначения стандарта (1) – код
типа плана контроля: 1 – одноступекчатый, 2 – двухступенчатый.
Две последующие цифры (32)-код показателя качества. Для определения кода показателя качества по таблице 1 следует задать приемочный уровень качества в процентах.
Таблица 1
Приемочный уровень качества в %
В /о
Кодовое
обозначение
1,0
1,5
2,5
4,0
6.5
10
15
25
31
32
35
34
35
36
37
38
40
39
Последние две цифры: (07) – код объема выборки зависит от
объема проверяемой партии и степени контроля. Установлены три
общих (I, II, III) степени контроля. Основной является степень контроля II (нормальный контроль). Степень контроля I соответствует
облегченному контролю, а III – усиленному.
Для нахождения кодового обозначения объема выборки используется табл. 2.
Таблица 2
Объем партии
Общие степени контроля
I
II
III
Oт 26 до 50 шт.
03
04
05
От 51 до 90 шт.
03
05
06
От 91 до 150 шт.
04
06
07
План одноступенчатого контроля следует выбирать по табл. 3, 4.
В таблицах выбирается графа, соответствующая коду показателя качества, и строка, соответствующая коду объема выборки. На
пересечении графы и строки следует прочесть приемочное и браковочное числа.
199
Таблица 3
Кодовое обозна- Объем
чение объема выборвыборки
ки
Приемочные и браковочные числа при приемочном
уровне качества в % и коде показателя качества
(нормальный контроль)
1,0 1,5 2,5 4,0 6,5
10
15
25
40
31
35
36
37
38
39
32
33
34
01
2
01 01 01 01 01
1 2
1 2
1 2
2 3
02
3
01 01 01 01 01
1 2
1 2
2 3
3 4
03
5
01 01 01 01 12
1 2
2 3
3 4
5 6
04
8
01 01 01 12 12
2 3
3 4
5 6
7 8
05
13
01 01 12 12 23
3 4
5 6
7 8
10 11
06
20
01 12 12 23 34
5 6
7 8
07
32
12 12 23 34 56
7 8
08
50
1 2 2 3 3 4 5 6 7 8 9 10 14 15 21 22 21 22
10 11 14 15
10 11 14 15 21 22
Таблица 4
Кодовое обозначение объема выборки
Объем
выборки
Приемочные и браковочные числа при приемочном
уровне качества в % и коде показателя качества
(усиленный контроль)
1,0 1,5 2,5 4,0 6,5
10
15
25
40
31
32
33
34
35
36
37
38
39
01
2
01
01
01
01
01
12
1 2
1 2
1 2
02
3
01
01
01
01
01
12
1 2
1 2
2 3
03
5
01
01
01
01
12
12
1 2
2 3
3 4
04
8
01
01
01
12
12
12
2 3
3 4
5 6
05
13
01
01
12
12
12
23
3 4
5 6
8 9
06
20
01
12
12
12
23
34
5 6
8 9
12 13
07
32
12
12
12
23
34
56
8 9
08
50
12
12
23
34
56
8 9 12 13 18 19 18 19
12 13 18 19
План двухступенчатого контроля следует выбирать по таблицам
5, 6. В таблицах выбирается графа, соответствующая коду показателя качества, и строка, соответствующая коду объема выборки.
На пересечении графы и строки следует прочесть приемочные и
браковочные числа для 1-й и 2-й выборки.
200
Таблица 5
Кодовое
обозначение объема
выборки
04
05
06
07
08
Обьем
Приемочные и браковочные числа при приемочном уров1-й и 2-й
не качества в % и коде показателя качества
выборок
(нормальный контроль)
1,0 1,5 2.5 4,0 6,5
10
15
25
40
31
32
33
34
35
36
37
38
39
5
–
–
–
02 0 2
0 3
1 4
2 5
3 7
5
–
–
–
12 1 2
3 4
4 5
6 7
8 9
8
–
–
02 02 0 3
1 4
2 5
3 7
5 9
8
–
–
12 12 3 4
4 5
6 7
8 9
12 13
13
–
02 02 03 1 4
2 5
3 7
5 9
7 11
13
–
12 12 34 4 5
6 7
8 9
12 13 18 19
20
02 02 03 14 2 5
3 7
5 9
7 11 11 16
20
12 12 34 45
67
89
12 13 18 19 26 27
32
02 03 14 25
37
5 9
7 11 11 16 11 16
32
12 34 45 67
89
12 13 18 19 26 27 26 27
Таблица 6
Кодовое обоОбъем
значение объ- 1-й и 2-й
ема выборки выборок
Приемочные и браковочные числа при приемочном
уровне качества в % и коде показателя качества
(усиленный контроль)
1,0 1,5 2,5 4,0 6,5
10
15
25
40
39
31
32
33
34
35
36
37
38
5
–
–
–
02
02
0 2
0 3
1 4
2 5
5
–
–
–
12
12
1 2
3 4
4 5
6 7
05
8
–
–
02
02
02
0 3
1 4
2 5
3 7
8
–
–
12
12
12
3 4
4 5
6 7
11 12
06
13
–
02 02
02
03
14
2 5
3 7
6 10
–
04
13
07
08
12 12
12
34
4 5
6 7
11 12 15 16
20
02 02 02
03
14
2 5
3 7
6 10
20
12 12 12
34
45
6 7
11 12 15 16 23 24
32
02 02 03
14
25
3 7
6 10
32
12 12 34
45
6 7 11 12 15 16 23 24 23 24
9 14
9 14
9 14
201
Таблица 7
Р, % Приемочный уровень качества (нормальный контроль) объема выборки 0 5
1,0
4,0
6,5
10
Доля дефектных
единицпродукции в %
99
95
90
75
50
25
10
5
1
0,077
0,394
0,807
2,19
5,19
10,1
16,2
20,6
29,8
1,5
1,0
4,0
6,5
10
15
25
Число дефектов на 100 единицпродукции
1,19 3,63 7,00 0,078 1,15 3,35 6,33 13,7
2,81 6,63 11,3 0,395 2,73 6,29 10.5 20,1
4,16 8,80 14,2 0,808 4,09 8,48 13,4 24,2
7,41 13,4 19,9 2,22 7,39 13,3 19,5 32,5
12,6 20,0 27,5 5,33 12,9 20,6 28,2 43,6
15,4 28,0 36,2 10,7 20,7 30,2 39.3 57,1
26,8 36,0 44,4 17,7 29, 9 40,9 51,4 71,3
31,6 41,0 49,5 23,0 36,5 48,4 59,6 80,9
41,5 50,6 58,7 35,4 51,1 64,7 77,3 101
6,5
10
1,5
6,5
10
15
25
Приемочный уровень качества (усиленный контроль)
22,4
30,6.
35,8
45,8
59,0
74.5
90,5
101
123
-
Таблица 8
Р,
%
Приемочный уровень качества (нормальный контроль) объема выборки 0 6
0,65
2,5
4,0
6,5
10
Доля дефектных единицпродукции
в %
0,65
2,5
4,0
6,5
10
Число дефектов на 100 единиц продукции
90
0,525 2,69 5,64
9,03
16,6
0,527 2,66
5,51
8,73
15,8
75
1,43
4,81 8,70
12,8
21,6
1,44
4,81
8,68
12,7
21,1
50
3,41
8,25 13,1
18,1
27,9
3,47
8,39
15,4
18,4
28,4
25
6,70
12,9 18,7
24,2
34,8
6,93
13,5
19,6
25,5
37,1
10
10,9
18,1 24,5
30,4
41,5
11,5
19,5
26,6
33.4
46,4
5
13,9
21,6 28,3
34,4
45,6
15,0
23,7
31,5
38,8
52.6
10
_15
1,0
4,0
6,5
10
15
1,0
4.0
6,5
Приемочный уровень качества (усиленный контроль)
После выбора плана контроля можно построить его оперативную характеристику. Для этого применяют подготовленные квантили оперативных характеристик [8]. Указанные квантили для
кодов объема выборки 05 и 06 даны в табл. 7, 8. Из таблиц в графе,
соответствующей заданному приемочному уровню, находят значе202
ния доли дефектных изделий, соответствующих значениям вероятности приемки партии, и строят кривую P(q).
2. Порядок выполнения работы
1. После проверки подготовки к лабораторной работе получить
партию исследуемых резисторов и измеритель сопротивлений.
2. Произвести сплошной (100;%) контроль партии резисторов,
установить границы допуска для заданного относительного количества дефектных изделий и, определить приемочный уровень качества. По полученным результатам сделать выводы.
3. По полученным характеристикам: номинальной величине,
допустимым отклонениям сопротивления резисторов, а также
значению приемочного уровня качества определить кодовое
обозначение показателя качества (табл.1)
Для нахождения кодового обозначения объема выборки по
заданному объему партии резисторов, согласно стандарту [8], определить код плана нормального и усиленного выборочного контроля.
Произвести одноступенчатый нормальный и усиленный контроль
резисторов по качественному признаку.
Для обоих случаев построить оперативные характеристики,
определить риск поставщика и заказчика. Сделать вывод о приемке
или браковании исследованной партии резисторов.
4. Для заданного объема партии резисторов и значения приемочного уровня по измерениям сопротивления резисторов произвести
двухступенчатый входной контроль. Определить план нормального и усиленного контроля, построить оперативные характеристики, найти риск поставщика и заказчика. Провести исследование
партии резисторов и сделать вывод о ее качестве.
5. По заданным браковочному, приемочному уровням, риску поставщика и заказчика произвести выборочный контроль резисторов
методом последовательного анализа. Построить показанный на рис. 2
график и занести на него результаты исследования. Сделать выводы.
3. Указания по оформлению отчета
1. Формулировка цели работы.
2. Краткое описание хода проведения исследований.
3. Результаты исследований и построенные гистограммы, оперативные характеристики при одноступенчатом и двухступенчатом контроле.
203
4. График исследований методом последовательного анализа.
5. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Какие виды контроля изделий используются в процессе изготовления электронной аппаратуры?
2. Какие применяются виды контроля по способу отбора изделий?
3. Какой контроль можно считать статистическим?
4. Как следует отбирать единицы продукции в выборку?
5. Какие применяются методы выборочного контроля?
6. Что представляет собой план контроля, оперативная характеристика контроля, основные ее параметры?
7. Как составляется код плана контроля?
8. Как принимается решение о качестве партии изделии в случае одноступенчатого контроля?
9. Как принимается решение о качестве партии изделий в случае двухступенчатого контроля?
10. Сравните методы одноступенчатого и двухступенчатого контроля и укажите, когда какой из них следовало бы применять?
11. Как определяется необходимый объем выборки?
12. Как строится оперативная характеристика плана контроля?
13. Объясните сущность метода последовательного анализа.
14. Как определяется риск поставщика и риск заказчика ?
Рекомендуемая литература
1. Лапач С. Н., Чубенко А. В., Бабич П. Н. Статистика в науке и
бизнесе. Киев: Морион, 2002.
2. Лагутин М. Б. Наглядная математическуая статистика: в 2-х
т. М.: П-центр, 2003.
3. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. М.:
Физматлит, 2006.
4. Тюрин Ю. Н., Макаров А. А. Анализ данных на компьютере.
М.: Инфра-М, 2003.
5. Гусев В. П. Технология радиоаппаратостроения. М.: Высшая
школа. 1972.
6. ГОСТ 16493–70. Статистический приемочный контроль по
альтернативному признаку. Случай недопустимости дефектных
изделий в выборке.
204
7. ГОСТ 18242–72. Статистический приемочный контроль по
альтернативному признаку. Одноступенчатые и двухступенчатые
корректируемые планы контроля.
8. ГОСТ I8321–73. Статистические методы управления. Правила
отбора единиц, продукции в выборку.
205
Содержание
Предисловие................................................................... Лабораторная работа № 1. Определение размера партии
изделий, запускаемых в сборочную производственную
систему.......................................................................... 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Блок-схема алгоритма решения задачи..................... 3. Порядок выполнения работы................................... 4. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 2. Исследование сборочномонтажной линии с применением имитационной
динамической модели....................................................... 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Блок-схема алгоритма............................................ 3. Порядок выполнения работы................................... 4. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 3. Моделирование процесса
обслуживания гальванических ванн
промышленным роботом................................................... 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 4. Анализ характеристик лазерных
технологий и исследование операций лазерной сварки ......... 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по выполнению отчета.............................. Лабораторная работа № 5. Проектирование и исследование
операций входного контроля комплектующих
электронных узлов........................................................... 1. Краткие теоретические сведения
и описания алгоритмов решения задач...................... 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 6. Исследование процесса термовакуумного напыления резистивных пленок........................ 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 7. Статистический анализ точности
технологических операций................................................ 1. Краткие теоретические сведения.............................. 206
3
4
4
7
9
10
12
12
19
21
24
26
26
46
47
49
49
79
80
82
82
94
94
95
95
101
105
107
107
2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 8. Исследование методов обеспечения
заданной точности при сборке электронной аппаратуры ....... 1. Краткие теоретические сведения
и методические указания по проведению работы........ 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 9. Оценка точности позиционирования компонентов на монтажном основании
при автоматической сборке............................................... 1. Краткие теоретические сведения.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 10. Исследование и оптимизация
пайки элементов на плате в конвейерных печах................... 1. Краткие теоретические сведения
и описание объекта исследования............................. 2. Порядок выполнения лабораторной работы............... 3. Указания оформлению отчета.................................. Лабораторная работа № 11. Статистический контроль
технологического процесса формирования
резисторов толстопленочных микросборок.......................... 1. Краткие теоретические сведения и методические
указания по подготовке к работе.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 12. Исследование влияния
технологических факторов на параметры
многослойных печатных плат (МПП).................................. 1. Краткие теоретические сведения и методические
указания по подготовке к работе.............................. 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. Лабораторная работа № 13. Выборочный контроль качества
продукции...................................................................... 1. Краткие теоретические сведения
и методические указания для выполнения работы...... 2. Порядок выполнения работы................................... 3. Указания по оформлению отчета.............................. 124
124
127
127
135
137
139
139
145
147
148
148
167
168
169
169
175
176
179
179
189
192
193
193
203
203
207
Учебное издание
Ларин Валерий Павлович,
Пашков Валерий Павлович,
Смирнов Олег Леонидович и др.
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Практикум
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка А. Н. Колешко
Подписано к печати 16.09.14. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 12,09. Уч.-изд. л. 13,05.
Тираж 150 экз. Заказ № 231.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
35
Размер файла
7 744 Кб
Теги
larix, 026aac61d1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа