遠程運維技術(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入產(chǎn)業(yè)化階段，市場需求量巨增。目前日本居全球共燒陶瓷器件產(chǎn)品市場與技術(shù)的主導(dǎo)地位，產(chǎn)品市場占有率達60%以上。我國微電子共燒陶瓷行業(yè)的市場需求也在快速增長，在航天航空、計算機、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。

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，對相關(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)品性能與國外先進水平的技術(shù)差距，遠程運維技術(shù)是縮小這種技術(shù)差距的一種行之有效的手段。通過遠程運維技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)遠程實時監(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。通過這種遠程服務(wù)的模式，不僅可以為用戶提供及時的運維服務(wù)，而且可以使設(shè)備制造商根據(jù)設(shè)備實際運行數(shù)據(jù)及設(shè)備故障等信息及時優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、開展設(shè)備升級換代研制，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。

遠程運維技術(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，以各個工序的運行監(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，遠程運維技術(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)用遠程運維技術(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、生瓷片印刷機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（微米級以上）、光機電一體化的復(fù)雜電子制造裝備，具有零部件精密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用及維護要求高等特點。

1.1 生瓷片打孔機原理及結(jié)構(gòu)

生瓷片打孔機采用機械沖孔方式，可實現(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/min，具有打孔速度快、打孔精度高等特點。

生瓷片打孔機結(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)定位機構(gòu)、視覺對位機構(gòu)、XYR 運動平臺、沖孔單元組、碎屑收集機構(gòu)、設(shè)備機架等。

圖1 生瓷片打孔機結(jié)構(gòu)及控制框圖

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

生瓷片打孔機的另一關(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作。沖孔單元分為兩種：氣動沖孔單元和電動沖孔單元。氣動沖孔單元包括普通氣動沖孔單元和高速氣動沖孔單元。兩者比較而言，普通氣動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；高速氣動沖孔單元的優(yōu)勢是速度快，但沖力較小，適用于小尺寸孔的沖制。電動沖孔單元也屬于高速沖孔單元，主要用于加工0.2 mm 及以下的孔，加工效率可達1500個/min 以上。沖孔單元由沖孔氣缸（或音圈電機）、沖孔架、導(dǎo)向軸、凹模座、沖針和凹模等組成。

1.2 生瓷片印刷機原理及結(jié)構(gòu)

生瓷片印刷機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)包括上下料機構(gòu)、視覺對位機構(gòu)、運動平臺、印刷機構(gòu)等。

圖2 生瓷片印刷機結(jié)構(gòu)及控制框圖

生瓷片印刷機的關(guān)鍵部件之一是運動平臺，由高精度UVW 定位平臺、鎖緊氣缸等組成，視覺對位后根據(jù)生瓷片上標記孔的偏差量，UVW 定位平臺通過計算及運動實現(xiàn)自動對位，對位完成后鎖緊氣缸利用摩擦力將運動平臺鎖緊，防止印刷過程中在刮刀力的作用下平臺位置移動，導(dǎo)致印刷圖形位置偏移。

印刷機構(gòu)是生瓷片印刷機的另一關(guān)鍵部件，由刮刀組件、回墨刀組件、壓力監(jiān)測部件、網(wǎng)框升降機構(gòu)等部分組成。生瓷片在完成對位后，網(wǎng)框升降機構(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)定的工藝流程動作、并施加壓力完成印刷，壓力監(jiān)測部件負責(zé)監(jiān)測印刷過程中的壓力。印刷完成后運動平臺回位，上下料部件取走印刷完成的生瓷片。

2 遠程運維系統(tǒng)組成

共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠程運維系統(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、及運維系統(tǒng)平臺等組成部分，數(shù)據(jù)采集終端用于采集置于生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器、生瓷片打孔機、生瓷片印刷機等設(shè)備數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)上傳至運維平臺，運維平臺完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等功能，最終實現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程自動采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲等功能。

圖3 共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠程運維系統(tǒng)組成示意圖

3 遠程數(shù)據(jù)采集設(shè)計方案

3.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

遠程數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)共燒陶瓷基板制造設(shè)備遠程運維的技術(shù)基礎(chǔ)，針對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，設(shè)備數(shù)據(jù)采集采取單級拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，即每臺設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集終端單獨入網(wǎng)，分別通過運營商4G 網(wǎng)絡(luò)將實時采集的數(shù)據(jù)進行回傳，傳輸?shù)竭\維平臺。因此，數(shù)據(jù)采集終端是分布在各個不同地點的設(shè)備與運維平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，圖4 是數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計原理框圖。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計原理框圖

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)計不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。因此，采集終端設(shè)計了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)議完成對不同設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集。

數(shù)據(jù)采集終端通過4G 模塊與運維平臺進行信息交換，采用HTTP 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。各個采集終端作為客戶端，運維平臺的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器作為服務(wù)器端。當數(shù)據(jù)采集終端連接數(shù)據(jù)中心后，會按照相應(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，采用加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進行加密。

同時，數(shù)據(jù)采集終端還設(shè)計了定位、振動信息采集、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)信息上傳至運維平臺。

3.2 運維數(shù)據(jù)信息設(shè)計

生瓷片打孔機、生瓷片印刷機通過數(shù)據(jù)采集終端將設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳到位于云端的運維平臺，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、生瓷片印刷機部分上傳數(shù)據(jù)信息

為了實現(xiàn)對設(shè)備是否正常運行的監(jiān)控，需要各個設(shè)備按較高的頻率上報其運行、待機、故障報警等實時狀態(tài)。同時，各臺設(shè)備需要按照各自的設(shè)備特點及監(jiān)控部件上傳不同的數(shù)據(jù)信息。例如生瓷片打孔機需要對關(guān)鍵部件之一沖孔單元進行監(jiān)控，需要按一定頻率上報與沖孔單元相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如真空吸盤負壓、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。生瓷片印刷機需要對印刷組件進行監(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、生瓷片印刷機上傳的部分數(shù)據(jù)信息示例。

4 設(shè)備遠程運維系統(tǒng)運行效果

生瓷片打孔機、生瓷片印刷機將各類數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)采集終端上傳到運維平臺，設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備工藝參數(shù)、設(shè)備報警信息、質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)等幾大類數(shù)據(jù)信息上報至數(shù)據(jù)平臺中心。可以完成設(shè)備遠程監(jiān)控、設(shè)備運行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備關(guān)鍵部件監(jiān)測、故障診斷等功能。

圖5 是生瓷片打孔機關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)平臺中心顯示示意圖。圖6 是生瓷片印刷機設(shè)備數(shù)據(jù)運維顯示示意圖。

圖5 生瓷片打孔機關(guān)鍵部件遠程運維數(shù)據(jù)平臺中心顯示示意圖

圖6 生瓷片印刷機遠程運維數(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)平臺等各個功能模塊設(shè)計，實現(xiàn)了生瓷片打孔機、生瓷片印刷機等設(shè)備的遠程數(shù)據(jù)實時采集、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)實現(xiàn)了遠程運維技術(shù)的應(yīng)用，對推動基板制造高端設(shè)備的技術(shù)發(fā)展有重要的作用，同時為遠程運維技術(shù)在同類離散制造行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用提供了技術(shù)實現(xiàn)思路。