藍寶石晶片刷洗機設計

房瑩瑩 閆向陽 李學星 艾 軍 高立成

（無錫職業技術學院，無錫 214121）

1 總體設計方案

設計主要完成藍寶石晶片刷洗機機械結構設計、氣動系統設計和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統設計。首先，控制氣動門打開觀察罩，工人手動將藍寶石晶片裝入轉盤，控制氣動門關閉觀察罩，啟動PLC。其次，電機帶動絲杠螺母使轉盤組件沿著直線滑軌進入刷洗位置，旋轉組件運行，刷洗組件的雙電機帶動毛刷旋轉，毛刷開始刷洗晶片，藥水噴淋開始。再次，噴淋藥水20 s后，藥水噴淋關閉，噴淋純水20 s后毛刷停止旋轉，然后轉盤停止旋轉，旋轉組件自動退回至安裝晶片位置，人工進行翻面，再次進入，重復上述步驟。最后，取出晶片，完成整個工序流程。它的主要工作流程如圖1所示。

圖1 工序流程圖

2 機械結構設計

完成藍寶石晶片刷洗機的結構設計、建模與裝配后進行運動仿真。機械結構分為前進組件、旋轉組件、刷洗組件、噴淋組件和氣動門組件，然后總裝5大組件完成藍寶石晶片刷洗機，如圖2所示。

圖2 藍寶石刷洗機總裝配圖

3 電氣控制與PLC程序

根據工作過程設計，電氣控制流程如圖3所示，主要包括完成電氣和氣動控制、刷洗機的氣動控制原理圖、進行電氣元件選型、電氣控制原理圖設計、PLC控制程序設計以及人機界面（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏控制。

圖3 電氣控制流程圖

主電路采用三相電源，設置一個總開關QF低壓斷路器控制電路通斷，防止保護電路出現短路、防止欠壓以及過載等情況，同時設有熱繼電與熔斷器，保護電路出現短路與過載燒壞問題。在電機支路上設置開關，保障電路通電安全。從地址分配可知，系統需要11個輸入口和9個輸出口。現在通用的PLC品牌方有三菱、臺達以及西門子等。設計的機器屬于小型機器，鑒于西門子S7-1200是主打中小型工業產品，應用廣泛且可靠性高，所以選用S7-1200配置。設計開關量的控制使用數字輸入和輸出，因此選用CPU 1214C DC/DC/DC，型號用6ES7 214-1AG40-0XB0，方便控制人機界面。根據地址分配，結合西門子PLC S7-1200特點進行PLC程序設計，完成PLC硬件接線。根據總體設計方案，完成PLC梯形圖程序編制。

4 數字孿生

要想完成藍寶石晶片刷洗機的機電一體化概念設計（Mechatronics Concept Designer，MCD）運動仿真，需要先創建完成MCD中的信號。在博圖V15中進行硬件配置、變量創建、程序編寫和觸摸屏仿真。這些變量和程序需要下載到中間橋梁S7-PLC SIM Advanced V4.0中，與MCD中信號連接。當MCD和PLC都準備完畢后，開始準備MCD與PLC之間的通信連接。這需要用到西門子的S7-PLC SIM Advanced V4.0軟件，將博圖中的程序數據下載到該軟件創建的虛擬PLC中，然后在NX12.0中刷新注冊實例，將MCD信號與虛擬PLC中的信號進行一一信號映射，從而進行通信連接，如圖4所示。

圖4 信號映射界面

待MCD和PLC信號連接全部完成并檢查無問題后，開始虛擬仿真，確保可以實現氣動門開啟、關閉道刷洗、撤回等過程。通過以上仿真，可以驗證程序的可行性。虛擬仿真結果如圖5所示。

圖5 虛擬仿真圖

5 結語

設計針對藍寶石晶片刷洗要求，整機采用模塊化設計，完成各組件零部件的結構設計，并基于UG 12.0進行建模與裝配，成功搭建數字樣機，通過三維運動仿真確保功能實現和組件之間無干涉等現象。采用西門子S7-1200 PLC編程控制，進行HMI觸摸屏可視化設計，實現PLC和HMI的無縫對接，印證了設備控制的可視化精確控制。通過數字孿生，基于S7-PLC SIM Advanced將MCD信號與虛擬PLC中的信號進行一一信號映射，實現通信連接，完成了機電聯合運動仿真與虛擬調試。