Моделирование и алгоритмизация управления роботизированными модульно-кластерными комплексами в технологических процессах фотолитографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Ююкин, Николай Викторович

• Ююкин, Николай Викторович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ююкин, Николай Викторович

Введение

1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ФОРМИРОВАНИЮ СТРУКТУРЫ МОДУЛЬНО-КЛАСТЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ФОТОЛИТОГРАФИИ

1.1 Особенности технологического процесса фотолитографии

1.2 Специфика кластерной компоновки роботизированных комплексов в электронной промышленности

1.3 Математические модели модульно-кластерных комплексов фотолитографии

1.4 Цели работы и задачи исследования

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ

2.1 Структурная модель системы управления технологическим модулем

2.2 Математическая модель системы управления механизмом перемещения в составе РТК

2.3 Математическая модель манипулятора с учетом динамики исполнительных приводов

2.4 Критерии планирования траектории движения схвата робота и анализ области практической устойчивости робототехнической системы

Выводы

3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ

3.1 Алгоритмы управления роботом в составе комплекса фотолитографии

3.2 Алгоритмы управления технологическими модулями

3.3 Критерии выбора элементов системы управления 83 Выводы

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ФОТОЛИТОГРАФИИ

4.1 Исследование системы управления комплексом фотолитографии

4.2 Математическое моделирование программных траекторий движения робота с учетом динамики исполнительных приводов робота-перегрузчика

4.3 Структура системы управления кластером фотолитографии «Лада-200Кфл»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и алгоритмизация управления роботизированными модульно-кластерными комплексами в технологических процессах фотолитографии»

Актуальность темы. Рост требований, накладываемых на СБИС и совершенствование технологии производства полупроводниковых пластин, предъявляют повышенные требования к технологическому оборудованию: к транспортным механизмам, к точности позиционирования пластин на модулях центрифугирования, к системе управления оборудованием в отношении взаимодействия технологических модулей между собой с целью обеспечения необходимых качественных характеристик технологического процесса.

Использование специализированного робота-перегрузчика в качестве транспортного механизма позволяет решить задачи по обеспечению требуемой точности позиционирования, производительности комплекса.

Для реализации данных задач необходима разработка принципиально новых видов оборудования, так как вписывание робота в оборудование старой конфигурации не будет целесообразным и не даст большого экономического эффекта.

Для создания единого комплекса технологического оборудования нужно решить задачи, связанные с разработкой методов планирования траекторий движения робота, с оптимизацией совмещения циклов активности робота с циклами работы технологических модулей, вопросы о выборе структуры системы управления и ее реализации.

На настоящий момент недостаточно изучен ряд теоретических вопросов, связанных с проблемой создания алгоритмов, позволяющих совместить несколько технологических процессов в одном комплексе оборудования.

В этой связи актуальность темы диссертационного исследования продиктована необходимостью дальнейшего совершенствования математических моделей и алгоритмов управления модульно-кластерными комплексами для повышения эффективности работы сложного технологического оборудования.

Тема диссертации соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка структур систем управления роботизированными технологическими установками фотолитографии, а также моделей и алгоритмов, обеспечивающих оптимальное решение задач технологической обработки. Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих структур систем управления оборудования для фотолитографии, основных требований, предъявляемых к ним, путей их оптимизации;

- разработка математических моделей системы управления РТК и отдельных ее элементов относительно информационных сигналов;

- анализ методов синтеза алгоритмов управления роботом в составе РТК, создание универсальных алгоритмов предназначенных для использования в самых широких областях промышленности;

- анализ результатов моделирования и экспериментального исследования, макетирования и внедрения системы управления комплексом субмикронной литографии.

Методы исследования. Теоретические результаты работы получены с использованием разделов теории моделирования и идентификации объектов управления, алгоритмизации управления, теории оптимального управления, теории электропривода, методы синтеза систем управления.

Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- математические модели системы управления робототехническим комплексом, отличающиеся структурным воспроизведением информационных взаимодействий между отдельными элементами САУ;

- универсальные критерии выбора системы управления технологическим оборудованием, применимые для различных многоуровневых САУ;

- алгоритмы управления роботом в составе спецтехнологического оборудования, отличающиеся реализацией технологической гибкости процесса фотолитографии;

- структура системы многоуровневого управления РТК субмикронной литографии на основе запатентованного устройства (патент на полезную модель РФ №36906, 2004).

Практическая значимость и результаты внедрения. В результате проведенных исследований разработаны компоненты математического, программного и информационного обеспечения для модульно-кластерных комплексов субмикронной литографии.

Разработанные методы, алгоритмы, методики и устройства использовались в ОАО "НИИ ПМ" (г. Воронеж) при разработке и изготовлении оборудования, введенного в промышленную эксплуатацию на ФГУП ПО «УОМЗ» г. Екатеринбург, ГУП ППП «Электрон» г. Санкт-Петербург, ОАО «Ангстрем» г. Зеленоград, ФГУП НПО «Орион» г. Москва; в Воронежском государственном техническом университете в рамках учебного процесса по исследованию АСУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции "Автоматизация и роботизация технологических процессов" (Воронеж, 2001), научно-технической конференции студентов и молодых ученых "Вычислительные машины. Автоматика и робототехника" (Воронеж, 2002), региональной научно-технической конференции "Автоматизация и роботизация технологических процессов" (Воронеж, 2002), научно-технической конференции студентов и молодых ученых "Вычислительные машины. Автоматика и робототехника" (Воронеж, 2003), на тематических семинарах кафедры «Роботы и робототехнические системы» Воронежского государственного технического университета (2003-2006).

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ; получен патент на полезную модель «Устройство для управления технологическим процессом фотолитографии» (патент РФ №36906, 2004).

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: разработка математического описания информационных сигналов [71]; разработка структуры системы управления комплексом фотолитографии [73]; определение направление развития технологического оборудованием для фотолитографии [62, 63]; обоснование направлений оптимизации основных технологических характеристик фотолитографического оборудования [64]; разработка динамической модели робота со сферической системой координат с учетом ограничений его рабочей зоны [66]; разработка математической модели планирования движения схвата робота [67]; определение метода сбора технологической информации [72].

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Материал изложен на 134 страницах, содержит список литературы из 73 наименований, 31 рисунок, 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, определена цель, научная проблема и задачи исследования, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, практическая ценность работы, апробация и реализация результатов, определены ее структура, объем и содержание.

Первая глава посвящена анализу современного этапа развития теории и практики систем управления технологическим оборудованием фотолитографии, рассмотрены особенности технологического процесса фотолитографии, предъявляющие требования к системе управления ее комплексом.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам разработки математической модели отдельных элементов и всей системы управления в целом для рассматриваемой области применения.

В третьей главе разработаны алгоритмы работы робота в рабочем режиме, в аварийной ситуации и алгоритм позиционирования. Также приведены алгоритмы активизации основных технологических модулей.

В четвертой главе использовался пакет программ, написанный в среде Matlab 5.0, для расчета управляющих воздействий и построения требуемых программных траекторий движения, состоящий из следующих подпрограмм: подпрограмма формирования динамической модели манипулятора и расчета управляющих моментов (сил), подпрограмма формирования динамической модели привода и расчета управляющих воздействий, программа расчета управляющих воздействий робота.

Определены программные траектории движения робота при перемещении пластин с одной позиции на другую.

Практически апробирована структура системы управления кластером фотолитографии «Лада-200Кфл».

В заключении изложены основные результаты проведённых теоретических и экспериментальных исследований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Ююкин, Николай Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие основные результаты:

• математические модели системы управления робототехническим комплексом, отличающиеся структурным воспроизведением информационного взаимодействия между отдельными элементами САУ;

• универсальные критерии выбора системы управления технологическим оборудованием, применимые для различных многоуровневых САУ;

• алгоритмы управления роботом в составе спецтехнологического оборудования, позволяющие реализовать его технологическую гибкость;

• структура системы многоуровневого управления РТК субмикронной литографии на основе запатентованного устройства (патент на полезную модель РФ №36906, 2004);

• компоненты математического, программного и информационного обеспечения для модульно-кластерных комплексов субмикронной литографии;

• методы, алгоритмы, методики и устройства использованные в ОАО "НИИ ПМ" г. Воронеж при разработке и изготовлении оборудования, введенном в промышленную эксплуатацию на ФГУП ПО «УОМЗ» г. Екатеринбург, ГУП ППП «Электрон» г. Санкт-Петербург, ОАО «Ангстрем» г.Зеленоград, ФГУП НПО «Орион» г. Москва; в Воронежском государственном техническом университете в рамках учебного процесса по исследованию АСУ.

По результатам проведенных испытаний системы управления РТК фотолитографии составлен акт испытаний устройства для управления технологическим процессом фотолитографии в котором делается вывод о том, что результаты данной диссертационной работы могут быть рекомендованы для построения системы управления технологическим процессом роботизированным комплексом фотолитографии модульно-кластерного типа, что обеспечит требуемую воспроизводимость и технологическую гибкость процесса с минимальными размерами элементов 0,25 -0,5 мкм в производстве СБИС СОЗУ уровня 1-16 Мбит и БМК 250 тыс. вентилей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ююкин, Николай Викторович, 2006 год

1. Бакиров А.К. Проблемы управления распределенными мобильными системами. М. - 2000. - 23 с.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука. 1996. - 457 с.

3. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением. Л.: Энергоатомиздат. 1984. 216 с.

4. Бочков А.П. Гасюк Д.П., Филюстин А.Е. Модели и методы управления развитием технических систем,- СПб.: Союз. 2003. - 277 с.

5. Бурдаков С.Ф. Мирошник И.В., Стельмаков Р.Э.Системы управления движением колесных роботов- СПб.: Наука. 2001. - 227 с.

6. Васильков Ю.В., Василькова Н.Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании. М: Финансы и статистика, 1999.-256 с.

7. Вашкевич Н.П. Микропрограммные системы управления для параллельных алгоритмов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ, 1990. -Вып. 13.-С. 37-42.

8. Вашкевич Н.П. Синтез автоматных моделей управления параллельными взаимодействующими процессами: Материалы междунар. науч.-техн. конф. "Новые информационные технологии и системы". Пенза, 1994. - 49 с.

9. Вейнгер A.M. Перспективы систем подчиненного регулирования // Электротехника. 1996. №4. с. 41-47.

10. Волошин С. В. Современные оптоэлектронные приборы для силовой электроники./ С. В. Волошин, С. А. Архипов // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2000, №4. с. 25-27.

11. Вукобратович М., Стокич Д., Кирчански Н., Неадаптивное и адаптивное управление манипуляционными роботами: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.-376 с.

12. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционньши роботами: теория и приложения. М.: Наука, 1985. - 384 с.

13. Выскуб Г.В. Методы анализа и синтеза сложных автоматических систем / Г.В. Выскуб, С.В. Колодезев, А.Н. Тихонов, П.И. Чинаев; Под ред. П.И. Чинаева. М.: Машиностроение, 1992. 303 с.

14. Гук М. Интерфейсы ПК: справочник СПб: ЗАО "Издательство "Питер", 1999. - 357 с.15.3енкевич C.JI, Ющенко А.С. Управление роботами. Основы управления манипуляционньши роботами. М: Изд-во МГТУ им. НЭ. Баумана 2000. - 400 с.

15. Ивин В.В. Использование математического моделирования в исследовании, разработке и оптимизации фотолитографических процессов Махвиладзе Т.М. М. - 2000. - 30 с.

16. Козаченко В. Ф., Грибачев С.А. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instrument TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами//СН1Р NEWS. — 1998, №11-12. С. 2-6.

17. Козаченко В, Ф. Микроконтроллеры: Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. — М.:Эком, — 1997. 688 с.

18. Козаченко В.,Соловьев JI. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices ADMC300/330 для высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока//СН1Р NEWS. — 1998, № 5. С. 16-21.

19. Кормишова А.В. Исследование систем управления. "МНЭПУ" 2001. - 48 с.

20. Коровин Б.Г. и др. Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами. JI.: Энергоатомиздат, 1995. 456 с.

21. Коротков Э.М. Исследование систем управления. ИНФРА-М, 2003176 с.

22. Кочетков А.В. Динамика промышленных роботов. Челпанов И.Б., Бржозовский Б.М. Саратов. - 1999. - 134с.

23. Краткий каталог Prosoft 4.0. М.: изд-во Prosoft. 2000. - 200 с.

24. Крутько П.Д. Управление исполнительными системами роботов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1991. - 336 с.

25. Крыжановский Г.А. Управление транспортными системами: Ч.З СПб. -2001.-224 с.

26. Марков А. А., Моделирование информационно-вычислительных процессов. М.: Изд-во МГТУ им. Э. Баумана, 1999. - 360 с.

27. Международный стандарт ИСО 9000. Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь. 2-е изд. 2000-12-15. ISO-2000.

28. Моро У. Микролитография: Пер. с англ./Под ред. Р.Х.Тимерова/М: Мир, 1990.605 с

29. Мэтьюз Д.Г., Финк К.Д. Численные методы. Использование MATLAB. 3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. 720 с.

30. Олссон Г. Цифровые системы автоматизации и управления. З.изд., перераб. и доп. - СПб.: Невский Диалект. - 2001. - 556 с.

31. Острейковский В.А. Теория систем. М.: Наука, 1986. 240 с.

32. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М: Фазис: ВЦ РАН, 2000- 134 с.

33. Пак В.В. Простые методы математического моделирования природных и технологических процессов Донецк: ДонГТУ, 1995. - 224 с.

34. Перспективы развития и анализ особенностей систем управления мобильных роботов. Платонов А. К., Степанов Ю. И., Трубицын О. Н., Кирильченко А. А. М.: ИПМ. - 1996. - 32 с.

35. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.Х. В 2-х томах. Т. 1. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 366 с.

36. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.Х. В 2-х томах. Т. 2. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999. 304 с.

37. Рабинович М.А. Цифровая обработка информации для задач оперативного управления в электроэнергетике. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 2001. -343 с.

38. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 2003. - 298 с.

39. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. Кн. 5 Моделирование робототехнических систем и гибких автоматизированных производств. / Под ред. И. М. Макарова, М.: Высшая школа, 1986. 383 с.

40. Сафонов Ю.М. Электроприводы промышленных роботов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 176 с.

41. Системы автоматического управления с микроЭВМ / В.Н. Дроздов, И.В. Мирошник, В.И. Скорубский. Л.: Машиностроение, Ленинград, отд-ние, 1989 - 284 с.

42. Тихонов А.Н. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении / Тихонов А.Н., Кальнер В.Д., Гласко В.Б. М.: Машиностроение, 1990.-262 с.

43. Фрадков А.Л. Адаптивное управление в сложных системах. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 296 с.

44. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ. В 2- ч. / Пер. с англ. В.И.Неймана. 4.1.-1992.-335 с.

45. Шварц М. Сети связи: протоколы, моделирование и анализ: В 2ч. / Пер. с англ. В.И.Неймана Ч.2.-1992.-272 с.

46. Энциклопедия машиностроения: в 4 т. Т 1: Динамика и прочность машин. М.: Машиностроение -1994.-565 с.

47. Adaptive systems in control and signal processing. First ed. - Oxford etc.: Pergamon. - 2000. - IX, 482 p.

48. Advances in robotics: Proc. of the IASTED intern, symp., Santa Barbara, May 29-31, 1985 Ed.: M.H.Hamza. Anaheim etc.: Acta press. - 1985. - 155 p.

49. Gruene Lars. Asymptotic behavior of dynamical and control systems under perturbation and discretization. Berlin etc.: Springer. - 2002. - IX, 231 p.

50. Industrial robots: Robots Accessories. Components. Sensors. Control systems. Consultants. Motion control. Drives. Tooling. 2nd ed. - Dearborn (Mi): Soc. of manufacturing engineers. - 784 p. -(Productiviti equipment ser.).

51. International Symposium on industrial robots(Tokyo;15;1985). . Proceedings of the 15th intern, symp. on industrial robots, 11, 12 and 13 Sept. 1985, Tokyo, Japan: Vol.1. Amsterdam etc.: North-Holland. - 546 p.

52. Life cycle approaches to production systems: management, control, supervision: The advanced summer inst.,Budapest, Jul .14-18, 1997ASI'97;Ed.:G.Kovacs,N.Koussoulas. Amsterdam etc.: Elsevier. - 1999. - 175238 p.

53. Patarinski S.P. Kinematics and control of manipulation robots. Delft. -1988. - 56 с: ил. -(Publ. WTHD/Techn. Hogeschool. Afd. der werktuigbouwkunde; N187).

54. Robotics product database Ed.: Flora P.C. 6 th ed. - Orlando (Fl). - 1989. - 503 p.

55. RX60 FAMILY ROBOT CS7B Instruction manual. D.280.099.14.A-04/00. STAUBLI FAVERGES-2000.

56. Stone H.W. Kinematic modeling, identification, and control of robotic manipulators, Boston etc: Kluwer acad. publ. - 1987. - XVIII, 224 p.

57. V+ LANGUAGE. D.241.556.24 A-03/99. STAUBLI FAVERGES-1999.

58. Vukobratovic Miomir. Applied control of manipulation robots: Analysis, synthesis a. Exerises Stokic Dragan. Berlin etc: Springer-Verl. - 1989. - XVI, 470 p.

59. Workshop on adaptive systems in control and signal processing. 1998.

60. Zerz E. Topics in multidimensional linear systems theory. London etc.: Springer. - 2000. - X, 164 p.

61. Ююкин H.B. Основные концепции развития фотолитографического оборудования / H.B. Ююкин Н.В., A.M. Прохоров II Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 18-20.

62. Ююкин Н.В. Тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам / Н.В. Ююкин, Е.Б. Мальков II Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 68-72.

63. Ююкин Н.В. Направления оптимизации основных технологических характеристик фотолитографического оборудования / Н.В. Ююкин, A.M. Прохоров И Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: сб. науч. тр. Воронеж, 2001. С. 143-145.

64. Ююкин Н.В. Система управления технологическими операциями фотолитографии / Н.В. Ююкин II Анализ и проектирование средств роботизации и автоматизации: сб. науч. тр. Воронеж, 2001. С. 146-148.

65. Ююкин Н.В. Планирование траектории движения схвата робота / Н.В. Ююкин, С.А. Сергеев // Вычислительные машины. Автоматика и робототехника: материалы науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых. Воронеж, 2002. С. 26-29.

66. Ююкин Н.В. Анализ алгоритмов адаптации управления промышленными роботами и методов их оптимизации / Н.В. Ююкин II Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж, 2002. С. 27-29.

67. Ююкин Н.В. Математическая модель системы управления РТК фотолитографической обработки / Н.В. Ююкин // Вычислительные машины. Автоматика и робототехника: материалы науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых . Воронеж, 2003. С. 139-144.

68. Ююкин Н.В. Выбор робота для работы в составе модульно-кластерного комплекса / Н.В. Ююкин // Вычислительные машины. Автоматика и робототехника: материалы науч.-техн. конф. студентов и молодых ученых . Воронеж, 2003. С. 132-134.

69. Шиянов А.И. Математическая модель системы управления механизмом перемещения в составе комплекса субмикронной литографии. / А.И. Шиянов, Н.В. Ююкин // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та. 2006. Т.2. №8. С. 159-162.

70. Бондаренко А.Ю. Пакет программ «Statistic» для сбора и статистической обработки технологических параметров в процессах фотолитографии / А.Ю. Бондаренко, Н.В. Ююкин II Научно-техн. тр. НИИПМ. 2006. Вып. 1.С. 114-117.

71. Патент РФ на полезную модель № 36906 «Устройство для управления технологическим процессом фотолитографии»/ Сергеев С.А., Коваленко В.Б., Ююкин Н.В.135

72. Оборудование, разработанное в результате выполнения данных ОКР, выполнено на высоком техническом уровне с использованием современной элементной базы и введено в промышленную эксплуатацию на ФГУП ПО

73. Данное оборудование позволяет проводить обработку пластин широкого спектра материалов и по соотношениюцена/надежность/качество/технологические возможности конкурентоспособно на рынках стран СНГ и «дальнего зарубежья».

74. Начальник отдела 230 Сергеев С.А.1. V'" ' .^