Обработка материалов является одной из важнейших отраслей деятельности человека и лежит в основе различных отраслей промышленности. Наряду с металлами в настоящее время все большее применение находят минералы. Кроме традиционных сфер применения в строительстве и ювелирной промышленности, минералы, особенно в форме кристаллических образований (кристаллов), находят широкое применение при производстве высокотехнологичных изделий в области нанотехнологий.
Однако поверхностная обработка минералов в отличие, от металлов имеет свои особенности, связанные с широким разбросом физических свойств минералов, их анизотропией, наличием включений и других особенностей, их строения. В связи с этим при шлифовании минералов использование основных закономерностей шлифования металлов требует введения дополнительных эмпирических коэффициентов, учитывающих свойства минерала.
Расширение области применения минералов (в том числе кристаллов) ставит задачу их поверхностной обработки с заданными выходными параметрами для различных сфер применения. Технологический процесс формообразования поверхности при обработке минералов можно рассматривать как процесс удаления поверхностного слоя (ПС) минерала с формированием поверхности заданной шероховатости и неплоскостности. Особое значение приобретает качество обработки поверхности с минимизацией отходов сырья для применения кристаллической формы минералов, в том числе алмаза и лейкосапфира, например в микроэлектронике при изготовлении подложек интегральных микросхем (ИМС).
Подложка, изготовленная из кристаллов (кремния, лейкосапфира, алмаза и других твердых материалов), выполняет роль механического носителя и отводит тепло от микросхемы в процессе её работы. Поэтому для изготовления подложек применяются кристаллические минералы, обладающие большой твердостью и высокой теплопроводностью (лейкосапфир, алмаз).
При поверхностной обработке материалов на первый план выходит вопрос недопустимости возникновения сколов, трещин, микродефектов и дислокаций в основной массе материала. Требуется прецизионное удаление поверхностного слоя минерала с получением нанометрового рельефа поверхности с минимальным количеством дефектов, привнесенных процессом обработки. Одним из решений в данной ситуации является реализация способа размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов с помощью компьютерного средства числового программного управления (ЧПУ).
Устройство для осуществления выбранного способа содержит станок, а его упругая обрабатывающая система содержит закрепленное на станке приспособление для крепления режущего инструмента. Под этим приспособлением размещен суппорт, на котором установлен стол с приспособлением для крепления обрабатываемого изделия. При этом устройство имеет привод продольного перемещения стола в плоскости формообразования по координатной оси X станка, привод продольного перемещения суппорта со столом в плоскости формообразования по координатной оси У станка, привод перемещения суппорта со столом по координатной оси Ъ станка, а также привод вращения приспособления для крепления режущего инструмента. Кроме того, устройство содержит компьютерное средство числового программного управления (ЧПУ). Его управляющие выходы электрически связаны с соответствующими приводами вращения приспособления для крепления режущего инструмента и перемещения стола и приспособления для крепления обрабатываемого изделия по координатным осям X, У и Ъ станка.
Микрошлифование происходит посредством упругой обрабатывающей системы шлифовального станка с программным управлением инструментом, который имеет производящую инструментальную поверхность со связанными режущими зернами. При размерно-регулируемом микрошлифовании изделий в режиме пластичности необходимо снять пластически с обрабатываемой поверхности единичную стружку с помощью каждого режущего зерна производящей инструментальной поверхности, то есть без потери упругости в обрабатывающей системе станка. Для этого необходимо ввести в программу числового программного управления (ЧПУ) предел упругости системы на сжатие и расчетные параметры интенсивности съема припуска с обрабатываемой поверхности заготовки изделия, а затем осуществить шлифование обрабатываемой поверхности заготовки изделия путем сложного движения. Конструктивная особенность системы оперативного контроля и многоканального цифрового пьезоэлектрического привода состоит в том, что датчик является общим элементом. Датчик силы (пьезопреобразователь) обладает высоким быстродействием и чувствительностью, достаточной для регистрации динамики дискретного процесса периодического одновременного (синхронного) отделения множества единичных стружек.
Во время осуществления микрошлифования в точке касания обрабатываемой поверхности с вершиной каждого режущего зерна, пьезоэлектрический датчик силы непрерывно измеряет величину статической и динамической составляющих силы резания. В этом режиме непрерывно осуществляется корректировка, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности съема припуска так, чтобы в каждой точке касания величина динамической составляющей упругой деформации не превышала заданную высоту микронеровностей, а сумма величин статической и динамической составляющей упругой деформации не превышала заданного предела упругости на сжатие этой системы. При данном способе, система числового программного управления позволяет обрабатывать изделия и детали сложной формы в режиме пластического микрошлифования с высокой точностью получения заданных размеров. Однако система управления обладает существенными недостатками и не может решить все многообразие задач, которые в настоящее время возникают в области современной распределенной системы управления.
Согласно существующей статистике, большинство шлифовальных станков нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. Модернизация средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей. Современные требования, предъявляемые к объектам управления^ заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную точность, заданные параметры и быстродействие технологических процессов на объектах управления.
Одним из решений в данной ситуации является модернизация устаревших систем управления с использованием современных (программируемых контроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами. Использование микропроцессоров, а так же построение систем управления с применением распределенной архитектуры, обеспечивает надежность и эффективность системы управления. Добавление программируемого контроллера к числовой системе управления даёт ряд очень важных преимуществ. Первое, аппаратуру программируемого микроконтроллера не надо изменять при соединении многопроцессорной числовой системы управления с разными типами приводов. Вместо этого, программируемый микроконтроллер программируется так, чтобы позволить ему связаться с интерфейсом данного привода. Во вторыххотя программные интерфейсы уже известны много лет в системах числового управления, основанного на миникомпьютерах, но программируемые микроконтроллеры легче использовать при программировании благодаря набору прилагаемых инструкций и способности редактировать. Применение контрольно-обрабатывающих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов, позволяет оптимизировать работу оборудования в различных режимах, и обеспечить эффективное и надежное функционирование основного технологического оборудования в целом. Работа решает проблему автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур, что позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.
Применение структуры многопроцессорной автоматической системы управления, позволяет реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики.
Вопросами теории и практики цифровой системы числового программного управления шлифовальным станком занимались такие отечественные и зарубежные ученые, как Коныпин A.C., Прилуцкий В. А., Степанов Ю. С., Афонасьев Б. И., Костин Н. В., Mine Н., Hatayama К., Hiroshi Kamimura., Jerry F. Mallard и другие.
Эти вопросы, составляющие предмет данной работы вполне актуальны.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка многопроцессорной системы числового программного управления для высокопроизводительного бездефектного равномерно-регулируемого пластичного микрошлифования оптических поверхностей.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач: исследование объекта управления при разных способах шлифованияразработка структурных и функциональных схем системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
• разработка передаточных функций системы управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) — построение архитектуры многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий;
• создание математических моделей системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;
• исследование качества функционирования системы управления в процессе микрошлифования поверхности изделий.
• оценка отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
• разработка резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;
• разработка способа интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого приводаисследование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования, методы проектирования систем управления, теория систем числового программного управления, экстремальная система и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:
• предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя" формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания, получение оперативной, достоверной и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданных выходных параметровпредложены математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых хрупких материалов;
• разработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У и г станка при плоским микрошлифовании изделийразработана функциональная модель управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У, Ъ, А и В станка при размерном микрошлифовании изделийсозданы алгоритмы приводов перемещения и вращения шлифовального станка при плоским и размерном микрошлифовании изделий;
• проведен анализ качества функционирования системы управления при вариации параметров управления процессом микрошлифованияразработана автоматизация процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формыразработаны структурные схемы многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;
• исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связямипредложен алгоритм управления резервной функцией;
• предложен алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
Практическая значимость работы заключается в следующих результатах:
• разработанные способ и устройство для микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий обеспечивают получение высокого качества оптических характеристик поверхностей изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) с гарантированной суперпрецизионной точностью размеров заданной формы;
• на основе моделирования определены характеристики автоматических устройств управления процессом микрошлифования, а именно:
— оптимальная постоянная микронеровность поверхности изделия не больше, чем величина 0,05 мкм;
— наибольшая величина снимаемого припуска при дискретной врезной подачи 0,7(3) мкм/проход не превышает 160 мкм.
• разработанная структурная схема многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией позволяет повысить вероятность безотказной работы системы управления;
• результаты исследования отказоустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями, внедрены при оценке надежности микропроцессоров за требуемое время обработки;
• разработанный способ интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка используется в многопроцессорной системе при отказе любого привода;
• результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Система автоматического управления и контроля» МИЭТ и в учебно-методических разработках по курсу «Алгоритмические и технические средства обработки сигналов» .
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность результатов работы обусловлены соответствием свойств исходных данных решаемой задачи постановке научной задачи и используемым методам ее решения.
Достоверность результатов работы подтверждается также результатами вычислительных экспериментов и их сопоставлением с показателями частотных методов.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
• предложение модели, позволяющей реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания получение оперативной, достоверной и достаточной информации для получения заданных выходных параметров;
• разработка функциональной модели управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У и Z станка при плоским микрошлифовании изделий;
• разработка функциональной модели управления приводами перемещения суппорта со столом по осям X, У, Ъ, А и В станка при размерном микрошлифовании изделий;
• алгоритмы приводов перемещения и вращения шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий;
• разработка автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;
• исследование качества функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами;
• разработка структурных схем многопроцессорной системы числового программного управления с резервной функцией;
• исследование отказо-сбоеустойчивости многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
• алгоритм управления резервной функцией управления;
• алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
Научные положения, выносимые на защиту.
• архитектура системы числового программного управления процессами размерного микрошлифования сложно-профильных поверхностей изделий одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
• структурные и функциональные схемы системы управления шлифовального станка с системой числового программного управления с использованием приводов перемещения вдоль координатных осей станка, датчиков силы резания и системы оперативного контроля;
• математические модели системы управления для плоского и размерного микрошлифования сверхтвёрдых и хрупких материалов;
• анализ качества функционирования системы управления для получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и точностью размеров заданной формы;
• структурные схемы многопроцессорной системы управления процессом микрошлифования плоской поверхности и сложно профильных поверхностей изделий;
• отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
• резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора и ее алгоритмы;
• способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода;
• алгоритмы работы приводов перемещения и вращения инструментов шлифовального станка при плоском и размерном микрошлифовании изделий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика — 2006» (Москва, 2006 г.);
• 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика — 2007» (Москва, 2007 г.);
• 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика — 2008» (Москва, 2008 г.).
• 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика — 2009» (Москва, 2009 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двенадцати печатных работах, в их числе три статьи в научных журналах, три статьи в сборниках научных трудов, пять публикаций в тезисах докладов Всероссийских межвузовских научно-технических конференций, в том числе одна статья в журнале, входящем в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.
Выводы по главе 4.
1. Предложена архитектура многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий.
2. Разработана многопроцессорная система числового программного управления с резервной функцией управления микроконтроллерами.
3. Выведено выражение, определяющее вероятность безотказной работы системы управления.
4. Исследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления, резервированной по схеме голосования с многократными связями.
5. Разработан алгоритм управления резервной функцией управления микроконтроллерами.
6. Разработан алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого привода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Наиболее распространенным способом шлифования изделий является способ размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых, хрупких, оптических и микроэлектронных материалов был реализован с помощью компьютерного средства числового программного управления (ЧПУ), позволяет многократно повысить производительность за счет групповой обработки изделий независимо от сложности их формы и с учетом индивидуальных свойств материала каждого изделия с минимизацией их весовых потерь.
Благодаря развитию микроэлектроники, система ЧПУ процессом шлифования поверхностей изделий нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. В связи с этими средствами решается задача модернизации устаревших систем управления с использованием современных (программируемых микроконтроллеров) микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению приводами и механизмами и построения архитектуры многопроцессорной системы управления с резервной функцией. В результате этого многопроцессорная система ЧПУ позволяет повысить сбоеустойчивость и отказоустойчивость системы управления, обеспечивающей процесс микрошлифования изделий.
В заключении подводятся итоги проведенной работы. В ходе диссертационной работы:
• Проведен анализ существующих автоматических систем управления процессами шлифования изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов);
• Разработана модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и условий размерно-регулируемого бездефектного микрорезания и получение оперативной информации с использованием этой информации для достижения заданных выходных параметров;
• Разработаны передаточные функции, функциональные и структурные схемы системы управления процессом микрошлифования плоских и сложнопрофильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) — Разработаны математические описания системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских поверхностей и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов) — Предложена архитектура многопроцессорной системы управления при микрошлифовании плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и группы изделий;
Реализована многопроцессорная система числового программного управления с использованием современных микропроцессоров при решении проблемы автоматизации процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов и процессов планаризации многослойных полупроводниковых структур;
Рассмотрена общая характеристика оптимальных автоматических систем управления и синхронного детектирования для процессов шлифованияРазработана система ЧПУ с синхронным детектором, обеспечивающая оптимальную постоянную микронеровность поверхности изделия г не больше чем величина 0,05 мкм при подавлении силы резания на поверхность изделия и при наличии случайных возмущений;
Предложена резервная функция управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;
Разработан способ и алгоритм интерактивного управления задержкой привода шлифовального станка при отказе любого приводаИсследована отказо-сбоеустойчивость многопроцессорной системы управления за 25 000 часов, резервированной по схеме голосования с многократными связями;
Проведено математическое моделирование функционирования системы управления при вариации параметров управления режущими инструментами;
• В работе получены характеристики многопроцессорной системы числового программного управления процессом микрошлифования плоских и сложно-профильных поверхностей одного изделия и групповых изделий из наиболее труднообрабатываемых материалов и минералов (алмазов):
— микронеровность обрабатываемой поверхности готового изделия равна -0.05 мкм (50 нм).
— при групповой обработке микрошлифования производительность увеличивается в количество раз, соответствующих числу обрабатываемых изделий. предложен способ обеспечения сбоеустойчивости и отказоустойчивости системы управления методом резервирования по схеме голосования с многократными связями.
