机械设备可靠性设计工作标准概述.doc

机械设备可靠性设计工作标准概述

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2020年4月19日
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机械设备可靠性设计工作标准 - 制度规范 - 设备管理制度

一、可靠性技术和可靠性设计
可靠性设计是设备安全设计的重要内容。任何设备都必须具备一定的工作性能,要求使用方便、容易维修、经久耐用。在设计时,应该综合考虑下列因素:
1.经济性、设备用途和使用条件。
2.设备设计的复杂性和成熟程度。
3.设备制造时的复杂性和难度。
4.设备结构上不出现故障,即”结构可靠性”高。
5.精度满足使用要求,即”使用可靠性高”。
6.在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力高,即设备的可靠性高。这个时期的使用寿命(无故障工作时间),在可靠性工程中称为”保险期”,要求使用寿命长。
7.设备有效性高,即故障率低。
8.维修性高,出了故障能很快发现并容易排除故障。
9.对设备安全性的要求。
后6个因素都与设备的可靠性有关。
二、可靠性设计的主要内容
1.确定合理的安全系数
安全系数是指零件理论承载能力与实际承受负荷之比。为了使构件可靠地工作,理论计算强度应大于实际负荷,其余量就是由安全系数决定的。在确定安全系数时,既要考虑环境温度、湿度、振动、冲击等条件和使用中超负荷、误操作的后果,保证零部件在使用中不发生永久变形、疲劳损伤、蠕变等缺陷,还要考虑所付出的经济代价是否合算。应该选择用最低的费用就能保证设备性能的安全系数。经过选择合理的结构形式,能够少用材料而能大大提高零件的刚性;设计合理的结构能够使零部件的负荷分布合理,以达到变形小,磨损均匀,尽量减少零件变形、磨损对设备输出参数的影响等,都能够增加零件所允许承受的负荷。安全系数过高,不但用料多、设备重、成本增加,而且可能增加结构的复杂性。
2.冗余设计(贮备设计)
冗余技术是设备所包含的为完成规定功能所必不可少的组成部分元件的成分(包括硬件或软件)。当冗余为硬件时也称贮备。在设计中,除必要的零、部件外,还可额外附加一套备用零件或备用机构,当设备个别零件、部件出现故障时,整个设备仍能正常工作。这种设计称为冗余设计,所增加的元件,零部件称为冗余元件。如双排滚珠轴承中有一排损坏,另一排照常工作。机械的多重保险装置都是冗余设计。
3.耐环境设计
为预防设备、零部件在实际使用中可能遇到的各种环境如高温、低温、潮湿、磁场、真空、粉尘、雨淋、腐蚀等因素的影响,在设计上要采取对付环境作用的措施。在设备设计、制造阶段,要进行以可靠性试验为主的耐久性、寿命、高低温、环境、振动、
冲击等试验。在设备上装设特别的调节器或缓冲器,能够用来预防设备在运输、搬运、贮存和使用中遇到的高低温、振动、冲击等外界作用的影响。
4.简化结构和采用标准化零、部件
在满足设备功能要求的前提下,提高设备可靠性的秘诀是尽可能使用结构简单的零件,减少零件数量和种类,采用标准零件和标准电路。
5.提高联接部位和可动零部件的可靠度
设备的联接部位有螺栓、焊接部位、销子、键、密封器等;可动零部件有轴和轴承、啮合的齿轮、皮带和皮带轮、联轴节等。这些部位故障率高,易诱发事故,是设计中应充分注意的重点部位,应采取措施提高其可靠度。
6.配备必要的安全防护装置
安全防护装置能够防止误操作、超载和外部环境突变,如停电而引起的故障和事故,或控制故障和事故的影响范围。
7.采用状态监测,故障诊断技术和自动控制技术
状态监测和故障诊断技术的作用。为了使设备长期保持出厂时的精度和功能,现代设备应具有适应条件变化的功能,以及恢复丧失的工作性能和输出参数变化的功能,能够采用自动化技术自动补偿零部件的磨损量,使机械长期保持标准工作精度。
8.充分考虑人的因素
(1)设计时应充分考虑人的特点和能影响她正确操作的因素。
要根据人的正常工作能力如反应能力、接受信息和处理信息的能力、耐疲劳性、容许限度、人的局限性等,设计合理的作业环境和操作方法。
人对各种刺激的反应时间大致范围是:视觉信号50～225ms,听觉信号120～180ms,温度触觉信号150～240ms,疼痛信号400～1000ms。由此可见,人对听觉信号反应最快,设备采用听觉报警信号,能够使操作者尽早引起注意。
(2)设备的显示器应使人容易看到,而且在长期观察和监听时不易疲劳。设备操纵动作应合乎人的习惯,如手柄向上扳就是操纵运动部件向上运动。操纵力要造当,用力过小易于意外启动或停机,用力过大,使操作者费力而容易受伤或疲劳。
(3)控制器和显示器要集中,数量尽可能少。人的差错率与操作的复杂程度和工作量成正比。应尽量发挥机械控制器和传感器对信号感觉灵敏、反应速度快,能够准确重复完成大量规定动作等特点,减少操作者的劳动强度。
(4)由于生理、心理、体力、疾病等因素,操作者出现误操作是不可避免的。为了保证安全,应考虑到一旦操作失误可能引起的后果,在设计中就应该采取必要的预防措施。

设备可靠性、有效性和可维护性测试规范
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　　这个标准在技术上已被全球公制委员会核准,并由北美公制委员会直接负责。当前的版本在 3月1日被北美地区标准委员会核准经过。 6月将在国际半导体设备和材料协会试行,之后同月公布。其第一版公布于1986年,上一版公布于1999年6月。
　　1. 目的
　　1.1 这份文献经过提供测试半导体制造设备在制造环境中的三性(可靠性、有效性、可维护性)的标准,为设备的使用者和供应商之间的沟通建立了一个通用基础。
　　2. 范围
　　2.1 这份文献定义了设备的6种基本状态。它包括了设备的任何时间所有可能的状态。设备的状态由其功能状况决定,而不论操作者是谁。在这里所做的对设备可靠性的测试强调的是对正在使用中的设备的突然中断,而不是对设备的所有时间。
　　2.2 本文献第三节(设备状态)定义了如何对设备时间分类。第六节(三性测试)定义了测试设备状态的公式。第七节(不确定测试)另外给出方法用来评估所得数据的统计意义。
　　2.3 有效的应用这份规范需要设备的工作遵循它的周期及或时间。自动监测设备状态是标准SEMIE58中的内容,并不在本规范中。设备使用者与供应商之间清晰有效的沟通将持续提高设备的工作状况。
　　2.4 在这份规范中的三性的指数能够直接运用于整个设备的非成套工具和子系统水平级。三性指数能够适用于子系统水平(例如过程模块)的多路径组工具。
　　2.5 这份标准虽然有提到安全事宜,但目的并不旨在追求这个方面。它将是这个标准使用者的责任来建立合适的安全和健康条款,以及在使用前决定限制章程的运用。
　　3. 参考标准
  　　SEMIE58-自动化的可靠性、有效性和可维护性的标准
　　注释1:本文列出的所有文献都使用其最新的适应版本。
　　4. 术语
　　4.1 辅助 - 在一个设备周期中设备工作突然中断时发生,它有以下三种情况:
　　   c 经过外部干涉使中断的设备周期继续。(比如经过操作工和使用者的干涉,无论它是人或电脑。)
　　   c 除了一些特殊的消耗品,零件不可替换。
　　   c 在设备操作规范方面没有进一步改变。
　　4.2 成组工具 - 由机械地连接在一起的集成过程模块组成的制造系统。(这些模块可能来自于同一或不同供应商)
　　4.2.1 单路径成组工具 - 只有一条流水线的成组工具。
　　4.2.2 多路径成组工具 - 超过一条独立流水线的成组工具。(比如,多负荷闸、同样型号的多流程单元室)
4.3 周期(设备周期) - 一个设备系统或子系统的完全操作过程(包括装卸产品),有流程、制造、测试步骤。在一个单元流程系统中,周期数等于流经的单元数。在多批系统中,周期数等于批量数。
　　4.4 停工时间(设备停工时间)- 设备不在工作状态或没有执行到它应有水平的时间,不包括任何不在计划安排上的时间。
　　4.5 故障(设备故障)- 在没有外来干涉下发生的意外故障或偏离。
　　   注释2:正确分类设备故障对于方便解决问题和提高设备能力是非常重要的。
　　4.6 宿主 - 联系设备的智能系统,作用相当于代表工厂领导下属的制造主任。(比如,一个非植入的计算机或单元控制器)
　　4.7 中断-任何干预和故障
　　注释3:中断＝干预之和＋故障之和
　　4.8 维修-保证设备在预定功能状态下工作。在本文献中,维修的目的是功能不是设备结构;不论是谁来维修,它都包括调整、材料变化、软件开放、修理、预定检测等等。
　　4.9 制造时间-所有生产产品的时间及相应停留等待时间。
　　4.10 非计划时间-计划中设备不在用于生产的时间。
　　4.11 生产时间-总时间减非计划时间。
　　4.12 操作工-在设备旁经过设备控制面板操作设备的人员。
　　4.13 产品-能够成为有功效的半导体装置的一个单元,包括功能的工程装置。
　　4.14 断工-为使设备能继续工作的一段维修时间,包括冲洗、冷却、加热、软件备份、储存、动态数据(包括参数、方法)、断工发生在计划内和计划外的停工时间内。
　　4.15 复工-在断工维修后,使设备恢复正常功能工作的一段维修时间。包括冲气、加热、标准化时间、初始化常数、载入软件、重贮数据(例参数、方法)、控制系统再建等等。但不包括设备及流水线检测时间。复工也发生在计划内外的停工时间内。
　　4.16 关机-当设备有计划外状态时,让设备回到安全状态的时间。它包括为了达到安全状态所做的任何过程。关机仅出现在计划外时间中。
　　4.17 规范(设备操作)-文献中所写的在使用者与供应商之间在设备操作的规定条件下的功能所达成的一致条款。
　　4.18 开始-设备从计划状态到达成预期功能所需的时间。包括冲气、加热、冷却、标准化时间、初始化常数、载入软件、重贮数据(例参数、方法)、控制系统再建等等,开始包括于计划外时间中。
　　4.19 辅助工具-不属于生产设备,可是在正常操作中必须的设备。(比如,密封盖、运载机、探测卡片、电脑控制器)
4.20 总时间-一周7天,1天24小时的所有检测时间。为了正确表示总时间,设备的所有6种基本状态必须正确记录。
　　4.21 培训(工作外)-在工作外时间对设备操作和维修进行的指导。它包括于计划外时间。
　　4.22 培训(线上)-在正常工作时对个人操作和维修进行的指导。线上培训一般不会打断正常的操作和维修活动,因此它能够不被区别的包括在任何设备状态中(除等待与计划外时间)
　　4.23 单元-任何晶片,模,成套设备或单位零件。
　　4.24 工作时间-设备处于正常功能状态的时间,包括有效生产的、等待的和策划时间,不包括任何计划外时间。
　　4.25 使用者-动作于设备的实体,无论是在设备旁的操作者或在远处遥控的自动界面。从设备的角度出发,操作者和宿主都是使用者。
　　4.26 校正运行-设备的一次循环(使用产品单元,非产品单元或不成单元的)以用来引导设备进入规范中的预定状态。
　　5. 设备状态
　　5.1 为了清楚地检测设备地表现,本文献定义了所有设备状况和时期必须遵循地6种基本状态。
　　5.2 设备状态是由功能决定而不是由设备结构决定。例如任何维护过程都是这样分类,而不论谁是操作者、操作工、技术人员或流程工程师。
　　5.3 图1是6种设备状态的框架图。关键的时间块在后文的等式中将会特别用到。这些基本的设备状态又能够分成许多子状态,以满足生产运转所需的追踪解决。SEMIE10并没有列出所有的子状态,可是给出了许多例子用以指导。

　　图1 设备状态框架图
　　5.4 有效状态-设备按预定功能工作的时间。有效状态包括:
 　　c 常规生产(包括装卸产品)
 　　c 为第三方工作
 　　c 返工
 　　c 与生产结合的操纵。可能是或不是产品单元(比如,分批和新运用)。
　　5.5 等待状态-在这段时间内,设备是在正常功能状态下,基础设施和化学材料都准备好了,可是不在生产。它不是计划外的。等待状态包括:
 　　c 没有操作工(包括休息、午餐和会议)
 　　c 没有产品(包括由于缺乏辅助设备比如计量工具造成的缺少产品)
 　　c 没有辅助工具(例如密封盒、芯片传输器、探测卡)
 　　c 没有从自动系统来的输入信号(例宿主)
　　5.6 工程状态-设备处在正常功能状态下(没有设备和流程问题存在),可是用于工程实验的时间。包括:
 　　c 过程工程(过程塑造)
 　　c 设备过程(设备评估)
 　　c 软件工程(例限定软件)
　　5.7 计划内停工状态-设备按计划停止正常功能工作的一段时间。包括:
　c 维修推迟
　 　c 生产检测
　　 c 预防性维修
　　 c 改变化学材料或消耗品
　　 c 调整
　　 c 与基础设施相关的停工。
　　5.7.1 维修推迟-由于设备正等待使用者或供应人员或其它与维修有关的部分(化学材料、消耗品等)而使设备不能正常工作的时间。维修推迟有可能是因为管理员决定让设备停着推迟维修。
　　注释4:维修推迟会发生在维修过程的任何时段,它必须从维修时间中被独立出来。推迟时间包括在离线时间内,但不在修理时间内。(详见6.3节设备可维修性)
　　5.7.2 生产控制-有计划地打断产品有效生产来评估产品或非产品单元。按照设备操作的规范来证实设备是否处于规范中的正常功能状态。它并不包括能够平行于产品生产的检测,也不包括随着预防性维修、调整及修理过程产生的检测。
　　5.7.3 预防性维修-它由以下的几部分组成:
　　 c 预防性措施:按计划周期维护过程(包括设备断工、复工),以降低设备运转中故障的可能性。间断周期可能基于设备时间、设备状态。
　　 c 设备检测:运转设备以证实设备的功能状态。(比如,系统达到基本压力,芯片传输没有异常、气流正常、等离子区燃烧、来源达到特定压力。)
　　 c 校正运作:在预防性措施后为保证设备按规定正常运作而建立的单元流程和评估。
　　注释5:设备供应商有责任提出预防性措施计划以使设备达到预定水平。使用者如果希望供应商提高设备水平,她们有责任指出与原定计划的偏离之处。
　　5.7.4 改变化学材料及消耗品-指在补充半导体流程中的原材料时的故意打断。它包括改变气瓶、酸、目标、来源等等以及任何与改变相关的充、洗、清洁。但不包括在得到化学材料、消耗品补给之前的延误时间。
　　5.7.5 调整-它是以下几部分之和:
　　 c 变动:为了适应在流程、产品、包装结构上的改变而作出的设备变动所需的时间。(不包括装修、重建、升级)
　　 c 设备测试: