Конспект лекций Бордусов

60

При такой системе управления предъявляются высокие требования практически ко всем параметрам электронно-лучевой установки, поскольку изменение их в процессе обработки не учитывается, что может привести к браку. К обрабатываемому изделию также предъявляются высокие требования, что накладывает особые условия на предыдущие технологические операции (например, нанесение проводящего, резистивного слоев и маскирующего покрытия и т.д.).

Примером системы управления второго вида является система, предусматривающая автоматическое совмещение начального положения луча с обрабатываемым изделием. При обработке каждого модуля в программу вносят поправку, компенсирующую начальные рассогласования, что позволяет снизить требования к системе перемещения изделия, к стабильности отклоняющих усилителей и т.д.

К первому виду систем управления относят те, которые используют фотокопировальные и телепередающие системы.

Всистеме управления с фотокопировальным устройством в качестве программы используется топологический рисунок обрабатываемого изделия, выполненный в увеличенном масштабе. В системе управления с телепередающей системой программой служит диапозитив, имеющий размеры значительно больше, чем обрабатываемое изделие.

Вназванных системах управления с помощью светового луча производиться последовательный обход всех элементов рисунка. Обычно развертка производиться вдоль строк и строка за строкой. По этому же закону с полной синхронизацией производится отклонение электронного пучка. Видеосигналы, возникающие при обходе элементов топологического рисунка или диапозитива,

поступают на устройство, формирующее модулирующие импульсы. В результате этого электронная пушка открывается, и проводится обработка изделия.

В системе управления второго вида обычно используется специальное устройство программного управления, содержащее ЭВМ или микропроцессор. Типовая структурная схема электропитания и управления современной элек- тронно-лучевой технологической установкой имеет вид, представленный на рис. 4.7.

Схема состоит из системы автоматического контроля и управления с вычислительными средствами 1, основных и вспомогательных устройств, обеспечивающих функционирование установки. В качестве управляющих вычислительных средств могут использоваться микро-ЭВМ или специализированные вычислители собранные на основе микропроцессорных наборов.

4.6. Автоматизированная электронно-лучевая установка для сварки и размерной обработки

61

Функциональная схема автоматизированной установки для электроннолучевой сварки и размерной обработки изделия, малых и средних габаритных размеров имеет вид, представленный на рис. 4.8.

Электронно-лучевая установка содержит технологическую вакуумную камеру 1; шлюз камеру 2; электростатическую часть электронной пушки 3; системы 4, 5, фокусирующие и отклоняющие электронный пучок 6 в продольном или поперечном 8 направлении по отношению к стыку свариваемого изделия 9; координатный стол 10; кинематически связанный с электроводами движущего механизма, с датчиками скорости 11 и положения 12.

Рис. 4.7. Типовая структурная схема электропитания и управления ЭЛ установкой:

1 – вычислительные средства; 2 – электронная пушка; 3 – источник ускоряющего напряжения; 4 – катод; 5 – система фокусировки; 6 – система отклонения; 7 – система задания тока луча; 8 – электроприводы движущих механизмов; 9 – система вакуумирования; 10 – многоканальные источники вторичного электропитания цепей управления, контроля и ЭВМ; 11 – катод с накалом; 12, 13, 15 – управляющий, ускоряющий, фокусирующий электроды; 14 – отклоняющие катушки; 16 – датчик (коллектор) вторичных электронов; 17 – обрабаты-

ваемое изделие; 18 – координатный стол.

62

63

Рис. 4.8. Функциональная схема автоматизированной установки для ЭЛ сварки

Загрузка (выгрузка) детали в технологическую и шлюзовую камеры выполняется приспособлениями для перемещения детали 13 и 14 через вентили (двери) 15 и 16, причем наличие в камерах деталей регистрируется датчиками положения 17…19. Вакуум контролируется датчиками 20…24. Датчики 21…23 формируют дискретные сигналы о наличии предварительного и высокого вакуума, а датчик 24 выдает сигнал при медленном изменении вакуума в аварийных ситуациях. Вентиль 25 отделяет пространство излучателя от технологической вакуумной камеры, вакуумные системы 26…28 обеспечивают откачку в технологической, шлюзовой камере и излучателе электронов 3. Излучатель соединен высоковольтными кабелями со стабилизированным источником ускоряющего напряжения, ИВЭП накала и бомбардировки катода 29 и блоком управления модулирующего напряжения 30.

Установка работает следующим образом: с включением установки управляющая система 36 тестирует себя, выводя необходимые данные о режимах обработки изделия. Если после этого деталь поступает на исходную позицию, датчик положения 17 подает сигнал в управляющую систему 36, которая выра-

64

батывает команду для открытия вентиля 16 шлюзовой камеры 2 и включает движущий механизм 15 для перемещения детали по направлению к камере. Система 36 включает движущий механизм, когда деталь устанавливается на определенном расстоянии от датчика 18. После этого закрывается шлюзовая дверь 16 и включаются вакуумные системы 26, 27. После установления необходимого вакуума формируется сигнал датчиком 20 и система 36 подает команду для открытия двери 15 и включения движущего механизма 13, перемещающего изделие в направление сварочной камеры 1. В момент когда изделие устанавливается в рабочем положении, датчик 19 формирует сигнал для закрытия дверей 15. Низкий и высокий вакуумы регулируются датчиками 21…23. Когда устанавливается достаточно высокий вакуум, из системы 36 поступают сигналы на электропривод, который открывает вентиль 25. После этого система 36 формирует сигналы управления движением координатного стола 10, который перемещается до «нулевого положения «в соответствии с сигналом датчика скорости 11 и фиксации «нулевого уровня» 12. Затем управляющая система 36 формирует управляющие сигналы, воздействующие на ИВЭП 29 накала и бомбардирования катода электронной пушки; блок управления модулирующего напряжения 30; управляемый стабилизированный источник тока фокусировки 31; функциональный генератор отклоняющих токов 32; электропривод 33, обеспечивающий перемещение электронной пушки 3. Одновременно с этим начинает функционировать программа «совмещение луча со стыком обрабатываемой детали 9. Работа программы основана на том, что система 36 получает информацию о совмещении электронного луча 6 со свариваемым стыком с помощью коллектора (датчика) вторичных заряженных частиц 34 и формирователя управляющих импульсов 35 при поперечном сканировании луча по стыку движущейся детали. Система 36 обрабатывает информацию и формирует команду пуска в движение электропривода 33, который выключается при получении необходимой точности совмещения.

Затем начинается выполнение программы «сварка». При этом в зависимости от выбранного режима управляются: ток луча, ток программируемого источника фокусирующей системы 4; токи программируемых источников системы отклонения по определенному закону; скорости рабочего перемещения координатного стола 10; проводится контроль вакуума в случаях его медленного изменения с помощью датчика 24; токи ИВЭП накала и бомбардировки катода. При отклонении одного из регулируемых параметров установки выше допустимого значения выполняется программа «аварийная ситуация».

После того, как проведена сварка детали, если это необходимо, выполняется программа «косметический шов», при котором деталь обрабатывается также, как и по предыдущей программе, но с другими параметрами луча. После окончания этой программы деталь возвращается на позицию 17 и проводится цикл обработки новой детали по приведенной выше последовательности.

Автоматизация установки обеспечивает повышение качества швов за счет: точного совмещения и поддержания параметров процесса сварки в узких пределах при предварительно подобранном режиме.

65

5.Лазерное технологическое оборудование

5.1.Технологические особенности оборудования для лазерной обработки

материалов

К основным технологическим преимуществам лазерной обработки материалов, определяющим ее широкое применение, относятся следующие:

1)энергию в виде светового луча можно передавать на расстояние (в том числе и через разделительную перегородку или по специальному световоду);

2)Отсутствует механический и электрический контакт между источником энергии с изделием в месте обработки;

3)Высокая концентрация энергии в пятне нагрева при «острой фокусиров-

ке»;

4)Можно плавно регулировать плотность лучистого потока в пятне нагрева за счет изменения фокусировки луча;

5)Высокие температуры в зоне воздействия излучения;

6)Можно получить как импульсы энергии весьма малой длительности (до 10-9), так и непрерывное излучение;

7)Малые размеры (до нескольких мкм) зон обработки;

8)Можно перемещать луч с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки;

9)Мощность луча можно модулировать по требуемому закону;

10)Технологический процесс можно вести в любой оптически прозрачной

среде.

Однако при всех достоинствах стоимость лазерного оборудования существенно выше, чем стоимость обычного. Оно сложно в изготовлении и эксплуатации, потребляет значительную мощность. Поэтому лазерную обработку целесообразно применять там, где:

— невозможна обработка другими способами;

— традиционная обработка возможна, но лазерная обеспечивает более высокую точность, производительность или показатели качества;

— при равных с обычной обработкой показателях, лазерная позволяет сократить число операций или численность персонала;

— мелкосерийное производство с широкой номенклатурой изделий, где высокая доля стоимости инструмента.

5.2. Применение лазерного технологического оборудования в производстве РЭС

Лазерная обработка материалов, наряду с другими, используется для следующих приложений.

1. Сварка:

—корпуса п/п и ИС;

—выводы диодов, выводы реле;

66

—миниатюрные модули на печатных схемах;

—выводы для солнечных элементов;

—герметичная линейная сварка газонаполненных и сосудов под вакуу-

мом;

—соединение малогабаритных деталей (лист — лист, проволока — проволока, проволока — лист) и др.

2. Резка:

—заготовки из алмаза;

—формы из керамических подложек;

—резка листовых материалов малой толщины;

—фасонная резка термопластов и др.

3. Лазерное удаление материала, сверление:

—подложки из кварца;

—точное сверление в камнях часов (рубин), проволочные волоки (алмаз), керамика (диаметр отверстия не менее 0,003 мм);

—скрайбирование керамики, полупроводников (150 мм/с);

—подгонка элементов ГИС (резисторов, конденсаторов) и др.

Другие виды лазерной обработки (упрочнение, маркировка, динамическая балансировка) в технологических процессах производства РЭС применения не находят.

5.3. Структура и состав оборудования для лазерной обработки

Технологические установки, на которых осуществляется обработка заготовок или изделий лазерным лучом, называется лазерными технологическими установками (ЛТУ), или лазерными технологическим комплексами (ЛТК). (Термин ЛТК используется обычно для автоматизированных ЛТУ и для ЛТУ, сочетающих лазерную обработку с другими технологическими операциями).

В состав ЛТУ помимо лазера входят:

1)устройство для относительного перемещения луча и обрабатываемой детали (рабочий стол);

2)оптическая система транспортировки луча от лазера в зону обработки, включающая фокусирующее устройство;

3)система управления ЛТУ;

4)различная оснастка: крепления обрабатываемой детали, система подачи технологического газа, приборы для контроля параметров излучения, положения пятна фокусировки на детали, скорости его перемещения и др.

Типовая структурная схема применяемых ЛТУ имеет вид, представленный на рис. 5.1.

В зависимости от конструктивных особенностей и конкретных условий в реальных установках могут отсутствовать или быть совмещенными те или иные устройства и узлы.

67

Рис. 5.1. Типовая структурная схема лазерной технологической установки: 1 – зарядное устройство; 2 – емкостный накопитель; 3 – лазерная головка; 4 – система охлаждения; 5 – датчик энергии излучения;6 – оптическая си-

стема; 7 – изделие; 8 – предметный столик; 9 – система программного устройства;

10 – система стабилизации энергии излучения; 11 – система управления; 12 – блок поджига.

5.4. Виды лазерных технологических установок

Для каждой из известных технологических операций разработаны специальные установки, возможности которых не ограничиваются основным назначением в силу универсальных свойств лазерного излучения как технологического инструмента. Специализация установок особенно характерна для электронной промышленности где необходимо учитывать высокие точности позиционирования (до долей микрометра ) и особенности самого технологического оборудования. Типичными примерами являются лазерные генераторы изображения, установки для нарезки и подгонки пассивных элементов, а также пайки печатных узлов и маркировки.

Одно из наиболее совершенных ЛТУ, выпускаемых на территории СНГ, это установка с твердотельным технологическим лазером МА4Р222Ф3 (на

68

ИАГ), разработанная в 1989 — 1991 гг. в ЭНИМСе (совместно с НПО «Зенит», ИК АН СССР, ЛЭМЗ и др.). Установка предназначена для размерной обработки особо твердых, хрупких и тугоплавких металлов, керамики и т.п.

Наряду со специальным лазерным технологическим оборудованием в последнее время начали выпускаться лазерные обрабатывающие центры, которые в едином технологическом цикле позволяют проводить разнообразные операции, сильно отличающиеся по требованиям к выходным параметрам лазера как технологического инструмента: сверление, резка металлов и неметаллов, сварка, термическая обработка, а также скрайбирование, гравировка, маркировка, пайка и обработка материалов полупроводниковой электроники. Один обрабатывающий центр, заменяя несколько специализированных установок, выполняет любую из перечисленных операций, что позволяет повысить эффективность использования лазеров на производстве.

Вобрабатывающем центре осуществляется программное управление для автоматического регулирования выходных параметров лазерного излучения (энергия, длительность и частота повторения импульсов). Кроме того, используются волоконно-оптические кабели для транспортировки излучения на рабочее место.

По способу транспортировки луча ЛТУ делятся на две группы — с постоянной и переменной длинной оптического тракта.

К первой группе относятся ЛТУ с неподвижным лучом и перемещаемой под лучом деталью, а также ЛТУ с неподвижно закрепленной деталью, относительно которой перемещается весь оптический блок, т.е. излучатель с системой транспортировки и фокусировки луча. Последнее возможно только для излучателей с малой массой, например твердотельных лазеров. Для установки первой группы характерна высокая стабильность плотности мощности излучения в зоне обработки они обычно используются для точной обработки изделий небольших габаритов и малой массы.

ВЛТУ второй группы излучатель неподвижен, а лазерное излучение передается в зону обработки с помощью системы подвижных оптических элементов. Типовым примером такой ЛТУ является так называемая портальная (или трехзеркальная) установка для лазерного раскроя листа, неподвижно закрепленного на рабочем столе.

Установки второй группы более универсальны, но на них труднее обеспечить высокую точность обработки, т.к. взаимные перемещения оптических элементов и изменение длинны тракта, по которому двигается расходящийся лазерный луч, приводят к нестабильности оси диаграммы направленности излучения и изменению диаметра сфокусированного луча. Это, в свою очередь, приводит к нестабильности потока мощности в зоне обработки и отклонению параметров технологического процесса от номинальных. При повышенных требованиях к точности и качеству обработки в ЛТУ этого типа необходимо применять специальные меры:

— снижать расходимость лазерного излучения;

— использовать в оптическом тракте сложные асферические зеркала;

— изменять параметры движения фокусирующего устройства.

69

Рис. 5.2. Схема портальной установки для лазерного раскроя листа: 1 – СО лазер; 2 – неподвижное зеркало З1; 3 – направляющие портала; 4 – портал, перемещающийся по направляющим (ось У);

5 – каретка с зеркалом З3 и оптическим резаком, перемещающаяся по порталу (ось Х);

6 – неподвижный стол для размерной обработки детали; 7 – подвижное зеркало З2, укрепленное на портале.

Установки второй группы более универсальны, но на них труднее обеспечить высокую точность обработки, т.к. взаимные перемещения оптических элементов и изменение длинны тракта, по которому двигается расходящийся лазерный луч, приводят к нестабильности оси диаграммы направленности излучения и изменению диаметра сфокусированного луча. Это, в свою очередь, приводит к нестабильности потока мощности в зоне обработки и отклонению параметров технологического процесса от номинальных. При повышенных требованиях к точности и качеству обработки в ЛТУ этого типа необходимо применять специальные меры:

—снижать расходимость лазерного излучения;

—использовать в оптическом тракте сложные асферические зеркала;

—изменять параметры движения фокусирующего устройства.

5.5.Компоновочные решения лазерных технологических устройств

Структура любого ЛТУ представлена на рис. 5.3.

В зависимости от назначения, мощности, типа используемого лазера различают различные компоновочные решения ЛТУ.

Прежде всего, это могут быть либо малогабаритные переносные установки настольного типа, либо стационарные, на базе мощных газовых лазеров или твердотельных со сложными технологическими устройствами.