晶圆制造车间整体式自动化物料运输系统调度方法研究

摘要

由于能够有效地缩短物料的搬运时间，整体式的自动化物料运输系统逐渐成为国内外晶圆代工企业的首选。但是，与分离式的自动化物料运输系统相比，在整体式的自动化物料运输系统中，需要同时调度的小车及搬运任务大量增加，小车的堵塞及冲突事件也更加频繁，如何让物料运输系统高效的运行变得更加困难。因此，本课题以整体式的自动化物料运输系统作为研究对象，希望通过深入研究整体式自动化物料运输系统的调度方法，达到缩短晶圆的平均搬运时间和平均等待时间的目标。针对整体式自动化物料运输调度问题的特点，本文从运输小车的派工及运输路径规划两个角度对整体式自动化物料运输系统的调度问题展开研究，主要研究内容包括：
　　1）研究了运输小车派工及运输路径规划的两阶段调度方法。在第一阶段，以运输任务的搬运时间之和最小为目标，建立了运输小车实时调度问题的数学模型，然后，基于改进匈牙利算法建立了一种新的运输小车实时派工方法。在第二阶段，针对运输小车的运输路径规划子问题，则以离线最短运输路径和实时交通信息为基础，建立运输路径动态规划方法。
　　2）建立了运输小车派工与路径规划的集成优化模型。首先，以运输小车的最大搬运时间最小为目标，建立小车派工与运输路径集成优化的数学模型。其中，小车的派工模型是主模型，而小车的运输路径优化模型是子模型。此外，通过分析自动化物料运输系统中的运输小车、晶圆卡和运输顺序等元素与并行机调度问题的机器、工件和加工顺序等的等价关系，指出小车的派工模型具有非等效并行机的特点。然后，从时间和空间两个维度对运输小车的运输路径进行描述，建立了描述小车运输过程的时空网络模型。
　　3）研究了小车派工与路径规划集成的物料运输调度方法。结合运输小车派工问题的特点，对蚁群优化算法的搜索空间、信息素描述及搜索过程进行了针对性的设计，进而建立了基于蚁群优化的运输小车派工方法。基于主模型的求解结果生成运输小车的初始运输路径，然后，结合描述运输过程的时空网络模型检测冲突的路段及时间点，最后通过迭代顺序路径生成启发式规则建立最终的最优运输路径。
　　同时，通过仿真实验对本文提出的模型和算法进行了验证，并进一步研究了不同的路径规划方法与派工方法结合所构成的物料运输调度方法的性能差异及适用范围，并深入分析了导致这些差异性的原因。实验结果表明，与文献中的FEFS、LWT、RBD和HABOR等调度方法相比，本文提出的调度方法能够更加有效地缩短晶圆的平均搬运时间和平均等待时间。最后，以上海某晶圆制造企业为案例背景，设计开发了晶圆制造车间的自动化物料运输调度原型系统。根据调研和分析得到的系统需求，完成了原型系统的体系结构设计、功能模块设计以及实现过程，为满足晶圆制造企业物料运输系统调度需求提供了有效的工具和平台。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究体系架构

1.4 论文章节安排

第二章 整体式自动化物料运输系统的两阶段调度方法

2.1 运输小车的派工方法

2.2 运输路径动态规划方法

2.3 实验分析

2.4 本章小结

第三章 小车派工与路径规划集成的运输系统调度方法

3.1 小车派工与路径集成优化问题

3.2 基于蚁群算法的小车运输任务指派方法

3.3 基于时空网络的运输路径规划方法

3.4 实验分析

3.5 本章小结

第四章 整体式自动化物料运输系统的调度原型系统开发

4.1 需求分析

4.2 实现技术

4.3 系统设计

4.4 原型系统运行界面

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 未来工作展望

参考文献

附录1 主要加工工艺及关键设备数据

攻读学位期间的学术成果

致谢