遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)在共燒陶瓷基板制造設(shè)備中的應(yīng)用

田 芳，劉 培，閆 冬，張彩云，孫宇彤

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所， 山西 太原030024；2. 中北大學(xué)， 山西 太原030051；3. 山西大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司， 山西 太原030006)

隨著移動(dòng)通信、汽車電子、電力電子等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以LTCC 陶瓷基板、LC 濾波器、定向耦合器等為代表的微電子共燒陶瓷器件進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，市場(chǎng)需求量巨增。目前日本居全球共燒陶瓷器件產(chǎn)品市場(chǎng)與技術(shù)的主導(dǎo)地位，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率達(dá)60%以上。我國微電子共燒陶瓷行業(yè)的市場(chǎng)需求也在快速增長(zhǎng)，在航天航空、計(jì)算機(jī)、通信、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，連續(xù)幾年產(chǎn)品需求量以每年30%以上的速度增長(zhǎng)。

共燒陶瓷基板作為共燒陶瓷器件的代表產(chǎn)品，具有產(chǎn)品種類多、更新?lián)Q代快、制造工藝復(fù)雜、性能要求高等特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)制造工藝設(shè)備的要求也越來越高，迫切需要一種更加智能化的生產(chǎn)方式，提高共燒陶瓷基板的制造工藝水平，縮小共燒陶瓷產(chǎn)品性能與國外先進(jìn)水平的技術(shù)差距，遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)是縮小這種技術(shù)差距的一種行之有效的手段。通過遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備關(guān)鍵部件故障診斷分析，便于設(shè)備供應(yīng)商幫助共燒陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)商完成生產(chǎn)過程中的設(shè)備分析及維護(hù)。通過這種遠(yuǎn)程服務(wù)的模式，不僅可以為用戶提供及時(shí)的運(yùn)維服務(wù)，而且可以使設(shè)備制造商根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備故障等信息及時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開展設(shè)備升級(jí)換代研制，提高共燒陶瓷器件工藝設(shè)備技術(shù)水平，縮小國內(nèi)外同類設(shè)備研制的技術(shù)差距。

遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)在不同的行業(yè)有不同程度的應(yīng)用，在電力、化工、鋼鐵等一些傳統(tǒng)行業(yè)具有較多的應(yīng)用，以各個(gè)工序的運(yùn)行監(jiān)控及狀態(tài)預(yù)警等功能為主。但是在離散制造行業(yè)，尤其是一些高端復(fù)雜制造工藝中，遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用得還非常少，隨著通訊及智能制造技術(shù)的發(fā)展，在微電子共燒陶瓷器件制造業(yè)中應(yīng)用遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)已具備技術(shù)條件。

1 共燒陶瓷基板制造關(guān)鍵工藝設(shè)備

共燒陶瓷基板是一種多層基板制造工藝，不同基板產(chǎn)品可由幾層至幾十層生瓷片疊層制造而成，每層生瓷片制造包括打孔、印刷、填充、整平、疊片、熱切等工藝，其中打孔、印刷是多層基板制造的關(guān)鍵工藝，基板的每層生瓷片制造工藝都包括一道或多道打孔及印刷工藝，這兩道工序的工藝效果直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

完成打孔、印刷工藝的生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)是共燒陶瓷基板制造的關(guān)鍵工藝設(shè)備，屬于高速高精度（微米級(jí)以上）、光機(jī)電一體化的復(fù)雜電子制造裝備，具有零部件精密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用及維護(hù)要求高等特點(diǎn)。

1.1 生瓷片打孔機(jī)原理及結(jié)構(gòu)

生瓷片打孔機(jī)采用機(jī)械沖孔方式，可實(shí)現(xiàn)生瓷片上通孔、定位孔和腔體的制作成型，最小可加工孔徑80 μm，沖孔精度優(yōu)于10 μm，沖孔速度1500個(gè)/min，具有打孔速度快、打孔精度高等特點(diǎn)。

生瓷片打孔機(jī)結(jié)構(gòu)及控制框圖如圖1 所示，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括上料預(yù)定位機(jī)構(gòu)、視覺對(duì)位機(jī)構(gòu)、XYR 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、沖孔單元組、碎屑收集機(jī)構(gòu)、設(shè)備機(jī)架等。

圖1 生瓷片打孔機(jī)結(jié)構(gòu)及控制框圖

生瓷片打孔機(jī)的關(guān)鍵部件之一是XYR 平臺(tái)，其主要作用是將生瓷片精確、快速地移動(dòng)到打孔位置。主要由X 平臺(tái)、Y 平臺(tái)、直線電機(jī)、光柵尺、精密直線導(dǎo)軌、R 機(jī)構(gòu)和吸盤等組成。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、精密直線導(dǎo)軌導(dǎo)向和高精度光柵尺反饋的運(yùn)動(dòng)控制方式。XYR 平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（R 機(jī)構(gòu)）主要作用是在孔二次加工時(shí)，通過對(duì)生瓷片上MARK 孔的識(shí)別、計(jì)算并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，消除生瓷片實(shí)際位置和理論位置的角度誤差。

生瓷片打孔機(jī)的另一關(guān)鍵部件是沖孔單元，其主要功能是完成在生瓷片上的沖孔動(dòng)作。沖孔單元分為兩種：氣動(dòng)沖孔單元和電動(dòng)沖孔單元。氣動(dòng)沖孔單元包括普通氣動(dòng)沖孔單元和高速氣動(dòng)沖孔單元。兩者比較而言，普通氣動(dòng)沖孔單元的沖力更大，但速度較慢，適用于大尺寸定位孔的沖制；高速氣動(dòng)沖孔單元的優(yōu)勢(shì)是速度快，但沖力較小，適用于小尺寸孔的沖制。電動(dòng)沖孔單元也屬于高速?zèng)_孔單元，主要用于加工0.2 mm 及以下的孔，加工效率可達(dá)1500個(gè)/min 以上。沖孔單元由沖孔氣缸（或音圈電機(jī)）、沖孔架、導(dǎo)向軸、凹模座、沖針和凹模等組成。

1.2 生瓷片印刷機(jī)原理及結(jié)構(gòu)

生瓷片印刷機(jī)完成生瓷片上的金屬化圖形印刷，最小可印刷線條寬度80 μm，印刷精度優(yōu)于12 μm，印刷速度小于15 s。生瓷片印刷機(jī)結(jié)構(gòu)及控制框圖如圖2 所示，設(shè)備主要結(jié)構(gòu)包括上下料機(jī)構(gòu)、視覺對(duì)位機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、印刷機(jī)構(gòu)等。

圖2 生瓷片印刷機(jī)結(jié)構(gòu)及控制框圖

生瓷片印刷機(jī)的關(guān)鍵部件之一是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由高精度UVW 定位平臺(tái)、鎖緊氣缸等組成，視覺對(duì)位后根據(jù)生瓷片上標(biāo)記孔的偏差量，UVW 定位平臺(tái)通過計(jì)算及運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)位，對(duì)位完成后鎖緊氣缸利用摩擦力將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)鎖緊，防止印刷過程中在刮刀力的作用下平臺(tái)位置移動(dòng)，導(dǎo)致印刷圖形位置偏移。

印刷機(jī)構(gòu)是生瓷片印刷機(jī)的另一關(guān)鍵部件，由刮刀組件、回墨刀組件、壓力監(jiān)測(cè)部件、網(wǎng)框升降機(jī)構(gòu)等部分組成。生瓷片在完成對(duì)位后，網(wǎng)框升降機(jī)構(gòu)將網(wǎng)框降至生瓷片上方，刮刀組件和回墨刀組件按設(shè)定的工藝流程動(dòng)作、并施加壓力完成印刷，壓力監(jiān)測(cè)部件負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)印刷過程中的壓力。印刷完成后運(yùn)動(dòng)平臺(tái)回位，上下料部件取走印刷完成的生瓷片。

2 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)組成

共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)組成如圖3 所示，包括傳感器、生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集終端、及運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)等組成部分，數(shù)據(jù)采集終端用于采集置于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)上傳至運(yùn)維平臺(tái)，運(yùn)維平臺(tái)完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等功能，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

圖3 共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)組成示意圖

3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案

3.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維的技術(shù)基礎(chǔ)，針對(duì)共燒陶瓷基板制造設(shè)備屬于離散制造工藝、且設(shè)備用戶分布在不同地理區(qū)域的特點(diǎn)，設(shè)備數(shù)據(jù)采集采取單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，即每臺(tái)設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集終端單獨(dú)入網(wǎng)，分別通過運(yùn)營(yíng)商4G 網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，傳輸?shù)竭\(yùn)維平臺(tái)。因此，數(shù)據(jù)采集終端是分布在各個(gè)不同地點(diǎn)的設(shè)備與運(yùn)維平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，圖4 是數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)原理框圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)原理框圖

數(shù)據(jù)采集終端需要采集各種不同設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，不同的共燒陶瓷基板制造設(shè)備由于控制方式不同而設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此，采集終端設(shè)計(jì)了TCP/IP 協(xié)議、OPC 協(xié)議等多種通訊協(xié)議，通過與設(shè)備之間的有線傳輸模塊及相應(yīng)的通訊協(xié)議完成對(duì)不同設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

數(shù)據(jù)采集終端通過4G 模塊與運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行信息交換，采用HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各個(gè)采集終端作為客戶端，運(yùn)維平臺(tái)的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器作為服務(wù)器端。當(dāng)數(shù)據(jù)采集終端連接數(shù)據(jù)中心后，會(huì)按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)周期向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用加密算法對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

同時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端還設(shè)計(jì)了定位、振動(dòng)信息采集、傳感器等功能模塊，用于采集設(shè)備所在地區(qū)、設(shè)備所處環(huán)境的振動(dòng)數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度等信息，并作為該采集終端所連設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳至運(yùn)維平臺(tái)。

3.2 運(yùn)維數(shù)據(jù)信息設(shè)計(jì)

生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)通過數(shù)據(jù)采集終端將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到位于云端的運(yùn)維平臺(tái)，不同類型的數(shù)據(jù)用于不同的監(jiān)控目的，上傳的數(shù)據(jù)信息及頻率也不同。

表1 生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)部分上傳數(shù)據(jù)信息

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備是否正常運(yùn)行的監(jiān)控，需要各個(gè)設(shè)備按較高的頻率上報(bào)其運(yùn)行、待機(jī)、故障報(bào)警等實(shí)時(shí)狀態(tài)。同時(shí)，各臺(tái)設(shè)備需要按照各自的設(shè)備特點(diǎn)及監(jiān)控部件上傳不同的數(shù)據(jù)信息。例如生瓷片打孔機(jī)需要對(duì)關(guān)鍵部件之一沖孔單元進(jìn)行監(jiān)控，需要按一定頻率上報(bào)與沖孔單元相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如真空吸盤負(fù)壓、沖孔壓力、凹膜次數(shù)等數(shù)據(jù)信息，用于沖孔單元狀態(tài)是否正常的判斷及數(shù)據(jù)分析。生瓷片印刷機(jī)需要對(duì)印刷組件進(jìn)行監(jiān)控，需要采集刮刀壓力、印刷速度、刮刀狀態(tài)等信息，表1 列出了生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)上傳的部分?jǐn)?shù)據(jù)信息示例。

4 設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)運(yùn)行效果

生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)將各類數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)采集終端上傳到運(yùn)維平臺(tái)，設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備工藝參數(shù)、設(shè)備報(bào)警信息、質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等幾大類數(shù)據(jù)信息上報(bào)至數(shù)據(jù)平臺(tái)中心?？梢酝瓿稍O(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備關(guān)鍵部件監(jiān)測(cè)、故障診斷等功能。

圖5 是生瓷片打孔機(jī)關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)平臺(tái)中心顯示示意圖。圖6 是生瓷片印刷機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)運(yùn)維顯示示意圖。

圖5 生瓷片打孔機(jī)關(guān)鍵部件遠(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)平臺(tái)中心顯示示意圖

圖6 生瓷片印刷機(jī)遠(yuǎn)程運(yùn)維數(shù)據(jù)顯示示意圖

5 結(jié)論

通過設(shè)備數(shù)據(jù)提取、無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)等各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了生瓷片打孔機(jī)、生瓷片印刷機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、部件監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等功能，在共燒陶瓷基板制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)基板制造高端設(shè)備的技術(shù)發(fā)展有重要的作用，同時(shí)為遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)在同類離散制造行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路。