基于PLC 的声扫显微镜自动上下片系统设计

赵英伟，郝晓亮，张文朋

( 中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

MEMS 器件加工中经常使用倒装焊工艺，超声波扫描显微镜是用来检测产品键合质量的重要仪器。它利用声学显微成像技术，在超声波扫描时，通常需要把被检测圆片放置在纯水中，纯水作为传输介质，提高检测精度。按操作方式可分为全自动型、手动型。在手动模式下进水排水、上下片的操作不方便。

为满足生产需求，设计了超声扫描显微镜自动上下片系统，主要由自动水气管理部分和机械运动控制部分组成。

1 机械运动系统设计

机械运动系统由承片台、滑车、导轨和水平推拉机构等组成，如图1 所示。承片台尺寸为200 mm×200 mm，带有φ150 mm、φ200 mm（6 英寸/8 英寸）晶圆兼容的吸盘。承片台固定在滑车上，随滑车一起沿S 型导轨往复运动。滑车尺寸400 mm×400 mm，由4 个滚动轴承支撑，其受力侧的2 个轴承为三角型飞碟轴承。导轨内侧设计安装V 型凹槽结构，与飞碟轴承配合保证运动轨迹。滑车初始位置在高位，可以进行取放片操作；工作位置在低位，浸入水箱中，可以进行扫描检测。上下位置高度差为100 mm。

图1 机械运动结构示意图和S 型导轨计图

丝杠、滑杆、滑块和拉杆组成水平推拉机构。丝杠带动滑块，沿着滑杆，通过拉杆推拉滑车。拉杆两端为铰链结构，长度可微调。在拉杆的推拉力作用下，滑车可以沿着导轨上下运动。丝杠两端设计了可调限位螺丝，限定运动的极限位置。

S 型导轨路径采用竖曲线设计，曲线函数一般采用二项式抛物线，或圆曲线[1]。结合应用需求，为方便加工，选用了圆曲线设计，如图2 所示。设计方案简单，结构紧凑，负载变化均匀，运动平滑。

图2 S 型导轨运动路径设计

2 水路和气路设计

水路系统由进水阀、排水阀、循环泵、循环阀、过滤器等构成，具有自动给排水和水循环功能。水路示意图如图3 所示。采用浮子开关和液位传感器测量控制水位，在上位机的水气管理界面中可以设置水位。

图3 水箱自动给排水系统图

真空气路系统由手动阀、电磁阀、真空发生器和气体净化器等组成，如图4 所示。真空发生器型号选用费斯托FESTO VAD-1/8，为单体结构，采用文丘里管的工作原理。

电磁阀用来打开和关闭真空。手柄阀1 通过十字叉环来吸附φ100 mm 晶圆片。手柄阀2 通过3 个相通的吸孔、与手柄阀1 一起使用吸附φ150 mm 晶圆片。手动阀3 完成承片台吸盘的吸片和释放动作，防止水被倒吸入真空管路。

此外，气体净化器利用流过真空发生器的气体，输出洁净气体，以净化被测水域上方的空气。在满足使用要求的前提下应减少其耗气量。

图4 系统真空气路示意图

3 控制系统配置

3.1 PLC 选型X20CP1382

X20CP1382 属于紧凑型Compact CPU 系列，结合了PLC 通用控制平台和运动控制功能。基于PC 架构，配备了一个Intelx86 400 MHz 主频CPU、POWERLINK、实时以太网等接口。拥有3个集成I/O 模块，提供了30 路数字量的输入/ 输出和两路模拟量输入。该CPU 可免维护运行，有强大的HMI 开发工具。系统采用实时多任务操作系统，最快任务周期达到1 ms，最多8 个任务等级。

X20CP1382 完成系统信号输入/输出和步进电机驱动。上位机通过PLC 的EHT 接口进行通讯。

3.2 输入/输出(I/O)接口设计

数字输入信号为24 V 漏型输入，数字输出信号为24 V 源型输出。I/O 信号分布表见表1。PLC通过控制一个继电器来启停循环泵。水位传感器型号为UT180023，输出电流0～40 mA，该输出信号接入PLC 的模拟输入AI+和AI-。

表1 I/O 信号分布

3.3 X20 总线中继模块

总线中继模块选用BT9100，可以为X20 系统提供无缝连接，进行通讯扩展。它采用分布式的导轨式系统底板，支持带电热拔插，站点之间的距离可以达到100 m。PLC 通过BT9100 与步进电机的驱动模块进行通讯。

4 运动控制的实现方案

电机控制是自动化控制中的重点之一，这主要是因为它的费用在整个自动化方案中占比较大。本系统需要完成点对点的位置控制，运动控制由步进电机、步进电机伺服驱动器和电源等组成。PLC 运动控制功能设计方案可以省时，更经济高效。运动控制方案如图5 所示。

图5 电机伺服驱动器的控制示意图

4.1 步进电机

步进电机型号为80MPF5.500D113-01。最大驱动电源电压可达80 V（DC），电流5 A。12 位的SSI 绝对值编码器，输出4 位信号：Data，nData，CLK，nCLK。编码器有助于在宽负载力矩的情况下定位更精确。

该电机的保持转矩3.5 N·m，失速转矩为2.5 N·m。采用60 mm 法兰，3 级齿轮减速，带刹车功能，刹车扭矩1.5～2 N·m。由永磁铁提供刹车力，刹车松开用24 V 直流电压。

大多数的两相混合是步进电机的步进角度1.8°，较小的步进角会导致较差的转矩特性。支持微步步进的驱动器可以实现更高分辨率。根据速度基本的步进角自动分解为最大可能的微步，保证定位精确的同时，运行平滑。

4.2 步进电机伺服驱动器

伺服驱动器选用贝加莱ACOPOSmicro 系列的80SD100XD.C033。它为低功耗应用提供多达两轴驱动模块，2 个X2X Link 接口，2 个SSI 绝对值编码器输入。其电源电压为24～64 V（DC），10 A 连续电流，具有安全停车（STO）功能。

ACOPOS 驱动器通过BT9100 以X2X Link 方式连接在X20 控制器上。驱动器通过电源线给电机供电，电机通过编码器线给驱动器反馈位置。

分别设置保持电流、额定电流、最大电流，电流精度可以达1%。通过改变电流，常见的共振问题显著下降。由于独立的线圈电流调节，电机在所需的电流下工作，减少不必的发热，降低功率损耗，延长使用寿命，工作更可靠。

电机驱动器的电压选择为24 V（DC），由输出电压在22.5～29.5 V 范围内可调，输出电流10 A的电源模块提供。

5 贝加莱Automation Studio 开发系统

基于Windows 的开发系统，可以轻松地完成复杂系统的设置与编程、电机和驱动器的仿真，使用PLCopen 兼容的库，减少开发时间。

首先添加项目的CPU、BT9100、驱动模块等硬件，同时完成硬件参数的配置和初始化。在贝加莱运动控制中，可以通过PLCopen 和CNC、SDC 等，把步进电机作为一个伺服驱动来进行开发。

水气管理系统需要定义设置I/O 变量，在I/O mapping 中和PLC 的输入/ 输出硬件关联。可以采用I/O board 进行接口功能仿真。

B&R 的运动控制解决方案是完全集成在AS之中。级联控制概念是贝加莱驱动器的核心，开发系统的NC Test 工具提供诊断和调试功能，可以使用自整定功能确定三环控制参数，优化速度控制环和位置控制环，而电流环由伺服驱动器自动设置参数。设置加加速度时间t_jolt 可以将T 型曲线变为S 型曲线，减弱速度变化导致的震荡[2，3]。如图6 所示，通过优化控制参数来提高运动控制质量。

开发软件提供了负载仿真，通过建立负载的数学模型，对步进电机转速- 转矩特性进行仿真。确认电机选型是否适合负载要求，以避免出现丢步现象。

利用系统的Visu 模块设计了友好的人机界面，包括运动控制系统，水气管理系统，各系统参数设置和状态显示等界面。通过设置网络连接，设定同一网段的IP 地址，内置VNC Server 和VNC Viewer 实现PLC 和上位机的通讯控制。

图6 不同加速度时间下的运动曲线对比图

6 结论

该设计的优点是采用机电一体化运动控制解决方案。系统整体设计简洁，结构紧凑，改装方便。V 型沟槽和S 型导轨设计，使得小车上下运动平滑，运动控制系统成本低，运行可靠。

设计具有可升级性，选用的电机驱动器具有两路输出，方便扩展改进。可利用双轴同步技术，使2 个电机同步运动，实现滑台双侧同时推拉。

还可以利用VNC 远程控制技术，使远程计算

机通过VNC Viewer 实现系统的远程控制。