Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0070

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0070
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Название доклада
Разработка технологии для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов
Докладчик
Афонин Андрей Николаевч
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследований: Повышение точности позиционирования исполнительных механизмов технологического оборудования для формирования прецизионных углублений не менее чем в 10 раз по сравнению с зарубежными аналогами.
Задачи ПНИ и возможные пути их решения:
1. Разработка математической модели процесса субтрактивной обработки, учитывающей геометрию формируемых высокоточных углублений, свойства обрабатываемой поверхности и влияние внешних возмущающих факторов, позволяющей реализовывать при обработке замкнутые контуры обратной связи.
2. Создание имитационной модели процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей
Создание системы управления процессом субтрактивной обработки по нескольким координатам, имеющей обратную связь с независимой измерительной системой.
3. Разработка системы активной виброизоляции оборудования для защиты от вибраций в низкочастотном диапазоне от 1 до 200 Гц с коэффициентом передачи от 0,05 до 0,1.
4. Создание макетного образца технологического оборудования для субтрактивной обработки.
5. Разработка методики проектирования технологии формирования высокоточных углублений в том числе в многослойных гетерогенных структурах.
6. Разработка интеллектуальных средств оценки и повышения эффективности алгоритмов и стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур.
7. Разработка инструментальных средств, позволяющих осуществлять автоматическое построение постпроцессора.
8. Составление технического задания на проведение опытно-технологических работ.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время в приборо- и машиностроении возрастает доля деталей, имеющих микро- и наноразмерные поверхности различной формы с жёсткими допусками. Данные детали часто имеют сложную многослойную гетерогенную структуру. К подобным деталям, например, относятся многие детали MEMS, в частности датчики из металл-полимерных ламинатов.
При изготовлении данных деталей часто используются операции субтрактивной обработки. Вследствие неоднородности структуры материалов, при этой обработки силы резания существенно нестационарны, что приводит к возникновению вибраций. Методики аналитических расчетов сил резания данных структур отсутствуют.
Для обработки деталей микроэлетроники и микромеханики в настоящее время применяется технологическое оборудование, имеющее погрешность обработки порядка 1 мкм. Дальнейшее повышение точности оборудования ограничивается недостаточной точностью позиционирования исполнительных механизмов, упругими и термическими деформациями, а также внешними вибрациями.
В то же время существуют конструкции сканирующих зондовых микроскопов с возможностью силовой литографии. У данных микроскопов кантилевер может сканировать некоторую трехмерную область поверхности по заданной траектории, однако их поле сканирования слишком мало.
В связи с этим, выполнение исследований для разработки технологии субтрактивной обработки и оборудования для ее реализации с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов, является весьма актуальной.
Научная новизна работы состоит в создании комплекса математических моделей субтрактивной обработки и интеллектуальные средств оценки и повышения эффективности алгоритмов и стратегий субтрактивной обработки.
Описание исследования

Для создания имитационной модели процесса резания при субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей использованы теоретическая механика, материаловедение, теория пластичности и разрушения материалов, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и т.д. Полученная модель позволяет определять силы резания, напряжения и деформации в инструменте и заготовке. Модель может быть использована при проектировании оборудования и выборе режимов для субтрактивной обработки.

Для создания математической модели процесса субтрактивной обработки использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, численные методы решения уравнений и их систем, теория автоматизированного управления. По результатам проведенных вычислительных экспериментов получен комплекс из 18 математических моделей субтрактивной обработки: регрессионные уравнения технологических параметров субтрактивной обрботки - силы резания и и максимальных относительных деформаций, а также уравнения возмущающего фактора – температуры резания. Разработана математическая модель технологического процесса субтрактивной обработки, учитывающая геометрию формируемых высокоточных углублений, свойства обрабатываемой поверхности и влияние внешних возмущающих факторов, позволяющая реализовывать при обработке замкнутые контуры обратной связи. Модель представлена в форме передаточной функции дробного порядка кратного ½, отражающей свойства распределенных в пространстве динамических процессов, протекающих в сложной механической системе пьезоактуатор-инструмент-заготовка.

Разработана и изготовлена система управления макетом станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных
структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов, построенная на микроконтроллерном
ядре ARM7TDMI с 16/32 разрядной RISC архитектурой. Обеспечена совместимость ее со станком. Система управления управления процессом субтрактивной обработки по нескольким координатам разработана на основании анализа результатов теоретических исследований с использованием достижений современной электроники и вычислительной техники.

Разработан и изготовлен макетный образец станка для субтрактивной обработки, включающий позиционирующий привод стола на основе пьездвигателей, шпиндельный узел, активную и пассивную виброизоляцию, с системами управления и измерения микро- и нанопозиционирования на основе индуктивных, емкостных и лазерных преобразователей. Точность позиционирования станка составляет не более 100 нм. 

Экспериментальные исследования проведены с применением современных методов планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.

Разработана методика проектирования технологии формирования высокоточных углублений, в том числе в многослойных гетероструктурах. Предлагаемая методика позволяет проектировать технологические процессы субтрактивной обработки, обеспечивающие требуемое качество обрабатываемых поверхностей. Технология формирования высокоточных углублений разработана на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований с использованием фундаментальных положений теории технологии машиностроения. Технология позволяет формировать на деталях угубления шириной не менее 50 мкм, длиной не более 1 мм и глубиной не более 150 мм. 

Разработано формально-алгоритмическое представление алгоритмического языка для решения задач субтрактивной обработки. Разработка стратегии многоосевой субтрактивной обработки для ее реализации в CAM-системах произведена путем компьютерного моделирования процесса с использованием современного программного обеспечения. 

Разработка системы программирования макетного образца станка с ЧПУ выполнена с использованием современных микропроцессоров и среды построения управляющих программ. Инструментальные средства, позволяющие осуществлять автоматическое построение постпроцессора, основаны на идеях и методах построения макропроцессоров инструментальных языков. Разработано программное обеспечение для получения постпроцессора для систем ArtCam, MasterCam, FeatureCAM.
Разработаны алгоритмы управления микроконтроллерным ядром, обеспечивающие отработку макетным образцом оборудования основных функций. В основу работы алгоритмов положена модель формирования и обработки событий, принимаемыми отдельными модулями исходя из принадлежности и выполняемыми требуемое действие исходя из приоритета.

Составлено техническое задание на проведение опытно-технологических работ.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ получены следующие научно-технические результаты:

1 Лабораторная технологическая инструкция для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.

2 Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы изделий из многослойных гетерогенных структур и деталей высокоточной микромеханики.

3  Экспериментальные образцы изделий из многослойных гетерогенных структур и деталей высокоточной микромеханики  для отработки технологии субтрактивной обработки с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.

4 Предложения по реализации и внедрению результатов ПНИ.

5 Эскизная конструкторская документация на макетные образцы:

5.1 Станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов

5.2 Виброизолирующей системы

6. Математическое, аппаратное и программное обеспечение системы управления станком для субтрактивной обработки гетерогенных структур с обратной связью.

7. Методика имитационного моделирования процесса резания при  субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей с использованием современных численных методов.

8 Имитационная модель процесса резания при  субтрактивной обработке многослойных гетерогенных поверхностей.

9 Математическая модель технологического процесса субтрактивной обработки, учитывающей геометрию формируемых высокоточных углублений, свойства обрабатываемой поверхности и влияние внешних возмущающих факторов, позволяющей реализовывать при обработке замкнутые контуры обратной связи.

10 Методика проектирования технологии  формирования высокоточных углублений, в том числе в многослойных гетерогенных структурах.

11 Интеллектуальные средства оценки и повышения эффективности алгоритмов и стратегий субтрактивной обработки гетерогенных структур

12 Программные средства, обеспечивающие получение управляющих программ для системы числового программного управления (ЧПУ) разработанных образцов технологического оборудования.

13 Макетный образец станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.

14 Макетный образец виброизолирующей системы для разработанного макета станка

15 Управляющие программы для макетного образца станка для субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.

16 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

17 Проект технического задания на проведение опытно-технологических работ по теме: Создание пакета типовых технологических процессов субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов.

Результаты исследований соответствуют мировому уровню.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследований состоит в разработке конструкции высокоточного станка с ЧПУ для субтрактивной обработки; технологических рекомендаций по реализации субтрактивной обработки многослойных гетерогенных структур с нанометровой точностью позиционирования исполнительных механизмов; программного обеспечения для проектирования технологии и управления станком.
Результаты исследований будут использоваться в машино- и приборостроении для изготовление деталей микроэлектронной техники и микромеханики, имеющих высокоточные углубления. Данные детали широко используются в авиакосмической отрасли, автомобилестроении, военно-промышленном комплексе и других высокотехнологичных отраслях народного хозяйства.
Возможные потребители ожидаемых результатов:
ООО «Научно-производственное предприятие «Энергетические и информационные технологии» Белгородского государственного университета» - индустриальный партнер; ЗАО НПП "СПЕЦ-РАДИО", ОАО «Протон», ЗАО "Сокол-АТС", ЗАО "Научприбор" и др. Технологическая платформа "Национальная информационная спутниковая система", включающая предприятия: ФГУП «Научно-производственное объединение имени С.А. Лавочкина»; ОАО «Красноярский машиностроительный завод»;
ФГУП «НПО «Техномаш»; ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва»; ФГУП «Научно-производственное предприятие Всероссийский НИИ электромеханики с заводом имени А.Г. Иосифьяна»; ФГУП ФНПЦ «ПО «СТАРТ» имени М.В. Проценко; ООО «НПК «Композит»; ЗАО «Нанотехнология МДТ» и др.