НОУ ІНТУІТ, Лекція, Методи та засоби побудови принципової схеми технологічного процесу

7.2. Принцип багаторівневої декомпозиції

Одним із найбільш загальних способів подолання початкової невизначеності завдання технологічного проектування є багаторівневий ітераційний метод. Сутність його розкривається сукупністю принципів та тверджень, що визначають характер та структуру процесів проектування.

Проектування дискретних ТП і складних об'єктів розчленовується на кілька взаємопов'язаних рівнів, що характеризуються ступенем деталізації проектних рішень, що послідовно зростає від рівня до рівня.

Основу принципу багаторівневої декомпозиції складають такі твердження:

Твердження 1. Проектування ТП виготовлення виробів можна розділити на 4 рівні:

принципова схема процесу;
маршрутні технології;
операційна технологія;
керуючі програми.

Першому рівню властиві найбільший ступінь абстракції та визначення лише важливих особливостей структури та функції ТП. Від рівня до рівня рівень деталізації проектних рішень зростає. На останньому рівні вона доводиться до інструкцій та команд управління обладнанням.

Твердження 2. Багаторівневий процес проектування розвивається згори донизу, т. е. від синтезу загальних принципових моделей першому рівні - до проектним рішенням необхідного ступеня деталізації наступних рівнях. При цьому рішення, отримані на попередньому рівні, використовуються як додаткові вихідні дані для проектування на рівні. Так, відомості про важливу схему ТП, отримані першому рівні, служать для синтезу маршруту другого рівня. Розробка операційних технологій на третьому рівніпроводиться на основі відомостей про технологічний маршрут, а для синтезу програм, що управляють, застосовуються відомості про операційну технологію.

Твердження 3. На всіх рівнях, крім останнього, через недостатню деталізацію проектних рішень, критерії відбору варіантів мають узагальнений, евристичний характер. Вони поступово уточнюються під час переходу від рівня до рівня, досягаючи необхідної точності на останньому рівні проектування.

(7.5)

Так, першому рівні неможливо формувати критерій, що дозволяє вибрати один оптимальний варіант принципової схеми ТП. Причина в тому, що уявлення про проектований процес має суто принциповий характер і на наступних рівнях, як правило, уточнюється.

Твердження 4. На початковому та проміжних рівнях проектування, у зв'язку з евристичним характером критеріїв, із безлічі синтезованих варіантів відбирається не одне, а кілька (два-три) найбільш раціональних рішень. Остаточний варіант ТП, що відповідає екстремальним значенням точного критерію, визначається лише на останньому рівні.

Твердження 5. Проектування на кожному рівні розчленовується на сукупність проектних операцій, що ітераційно взаємопов'язані між собою і здійснюють пошук рішень-аналогів П, Н-перетворення процесів-аналогів, синтез З різних варіантів технології, імітаційне моделювання М процесу обробки, аналіз А та оцінку результатів моделювання Е, оптимізацію та відбір найбільш раціональних варіантів (рис. 7.3).

Процес проектування починається з операції пошуку виробів та ТП-аналогів у масиві технологічного банку даних. Якщо такі процеси знайдені, то логічним блоком управління передається операції перетворення процесу-аналогу, якщо жне знайдені - операції синтезу. У цьому блоці централізованим способом синтезується кілька варіантів ТП, що задовольняють заданим технічним вимогам та обмеженням. Операція імітаційного моделювання дозволяє, наприклад, прогнозувати характер обробки поверхні, що виникають при цьому похибки та значення техніко-економічних параметрів. За допомогою операції "аналіз" встановлюються причини виникнення тих чи інших відхилень та занижених значень окремих локальних критеріїв. Аналіз проводиться за всіма техніко-економічними показниками.

Операцією " оцінка " перевіряється ступінь виконання заданих технічних вимог. На основі виявлених локальних критеріїв визначається інтегральний критерій якості того чи іншого варіанту, встановлюється необхідність отримання тих чи інших показників. Операцією "оптимізація" проводиться вибір напряму поліпшення проектного варіанту відповідно до моделі, що характеризує взаємозв'язок локальних критеріїв. В результаті проведених перетворень вихідного варіанта виникає новий покращений варіант. Відомості про нього знову надходять до блоків моделювання, аналізу, оцінки та оптимізації. Сукупність зазначених операцій утворює ітераційний цикл процесу проектування.

За кілька ітерацій якість вихідного варіанта покращується. Процес закінчується, коли варіант за всіма основними показниками задовольняє заданим вимогам і подальше його вдосконалення не призводить до суттєвого поліпшення інтегрального критерію. За допомогою блоку Р8 здійснюється циклічне повторення операцій моделювання, оцінки, аналізу та оптимізації для всіх варіантів, отриманих в операціях пошуку та синтезу. В результаті для операції "вибір" готується безліч доцільних варіантів,у тому числі відбираються найбільш раціональні.

У наведеній моделі сукупність проектних операцій та керуючих блоків визначає два методи проектування: перетворення об'єктів аналога (блоки 1, 2, 3, 5. 10) та синтезу (блоки 4. ..10).

Розрізняються методи операцій генерування проектних варіантів. У першому методі це пошук об'єктів-аналогів та його перетворення, тоді як у другому - цілеспрямований синтез проектних рішень. Інші операції ітераційного циклу та вибору варіантів є спільними для обох методів проектування. На рис. 7.4 наведено блок-схему викладеного алгоритму.

Як показує досвід розробки та впровадження, зазначені методи широко застосовуються у САПР TП. За своїми можливостями вони не суперечать, а доповнюють одне одного.

Програми, побудовані з урахуванням методів типізації, характеризуються меншими (на 30-40%) обсягом і витратами машинного часу проти багаторівневим ітераційним методом. У зв'язку з цим автоматизацію проектування ТП на типових виробах доцільно здійснювати з урахуванням методів типізації, але в інші вироби - перетворенням процесів-аналогів і багаторівневим ітераційним методом.

Отже, весь ТП виготовлення приладу сприймається як послідовність взаємозалежних технологічних операцій. Наприклад, при виготовленні p - n - р транзистора з епітаксійною базою основними операціями є такі як дифузія та окислення, формування бази та емітера. Кожна операція характеризується сукупністю вхідних та вихідних параметрів, які, своєю чергою, є вихідними даними для розрахунків на ЕОМ за обраними математичними моделями. Так, у блоці дифузії та окислення є пульт управління процесом дифузії, за допомогою якого встановлюють параметрипроцесу обробки пластин, вибирають режим печі, тривалість технологічного циклу, а також коригують характеристики процесу у разі відхилення від заданих величин. На виході з печі спеціальний прилад вимірює параметри пластин, дані передаються на пульт управління, який порівнює вимірювані параметри із заданими і відповідним чином регулює параметри процесу дифузії, основним з яких є, наприклад, товщина оксиду .

7.3. Укрупнена схема технологічного процесу

Назвемо простори, утворені параметрами, що вимірюються на кожній контрольній операції, просторами станів (рис. 7.5).

Значення конструктивних параметрів готового приладу , що задовольняють вимогам до проектованого приладу, називають цільовими значеннями, а їх координати позначимо . Тоді завдання проектування алгоритмів управління ТП можна сформулювати як траєкторного завдання управління деяким об'єктом. Для вихідних станів -го об'єкта (партії, пластини), що визначаються на контрольній операції, та станів, що вимірюються на проміжному контролі, потрібно підібрати управління, тобто. режими проведення ТП, щоб вихідні характеристики мінімально відрізнялися від цільових (рис. 7.6).

7.4. Структура принципової схеми

У цілому нині, функціональна структура принципової схеми процесу характеризується послідовністю перетворень.

Алгоритм формування важливої схеми ТП представлений на рис. 7.7.

Оператор 1 формує вихідні дані, необхідні для функціонування алгоритму (при цьому вважається, що моделі, для розрахунку керуючих впливів, що забезпечують необхідні вихідні параметри на кожній технологічній операції, закладені в пам'яті

ЕОМ у виглядівідповідних програмних модулів). Спочатку - це параметри вихідної сировини та умови щодо ТЗ, яким має задовольняти готовий виріб.

Оператор 2 посилає ці вихідні дані в робочий масив М, де зберігатимуться параметри як кінцевого, так і проміжних станів приладу, що проектується (або виготовляється).

Оператор 3 виділяє черговий стан пристрою (фіксується чергове значення лічильника).

Оператор 4 включає проведення основних розрахунків по обраної моделі для тієї чи іншої операції . В результаті цих розрахунків вибираються керуючі дії, що забезпечують необхідні вихідні параметри. Крім того, у цьому операторі визначається номер етапу, в якому отримано результати.

Оператор містить 5, як правило, оцінку похибок отриманих результатів. Вона може складатися з похибки використовуваних моделей і помилок рахунок неврахування різних неконтрольованих обурень.

Логічний оператор 6 перевіряє умову закінчення процесу побудови графа. Якщо номер етапу відповідного ТП менший або дорівнює максимально заданому номеру, то подальша робота алгоритму закінчується. Отже, при виконанні оператора управління 6 передається вихідному оператору 8. В іншому випадку за допомогою оператора 7 в кінець робочого масиву І посилаються параметри проміжного стану для продовження роботи алгоритму на основі нових вихідних даних. Управління від блоку 7 передається оператору 3. У результаті виході алгоритму буде сформовано граф допустимих варіантів ТП.

Кількість варіантів можна різко скоротити, проводячи попередній техніко-економічний аналіз методів дослідження та математичних моделей, що використовуються в процесі проектування ТП. Це дасть можливість значноспростити алгоритми формування маршруту ТП загалом, оскільки відпадає необхідність у аналізі великої кількості варіантів ТП, заснованих на малоефективних маршрутах виготовлення приладів.

Отже, ми розглянули перший рівень багаторівневого методу автоматизованого проектування. На цьому рівні генерується безліч варіантів. З них за критерієм ефективності вибирається один або кілька для деталізації та оцінки на наступному рівні – проектуванні технологічних маршрутів