蓝宝石晶片刷洗机设计

房莹莹 闫向阳 李学星 艾 军 高立成

（无锡职业技术学院，无锡 214121）

1 总体设计方案

设计主要完成蓝宝石晶片刷洗机机械结构设计、气动系统设计和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统设计。首先，控制气动门打开观察罩，工人手动将蓝宝石晶片装入转盘，控制气动门关闭观察罩，启动PLC。其次，电机带动丝杠螺母使转盘组件沿着直线滑轨进入刷洗位置，旋转组件运行，刷洗组件的双电机带动毛刷旋转，毛刷开始刷洗晶片，药水喷淋开始。再次，喷淋药水20 s后，药水喷淋关闭，喷淋纯水20 s后毛刷停止旋转，然后转盘停止旋转，旋转组件自动退回至安装晶片位置，人工进行翻面，再次进入，重复上述步骤。最后，取出晶片，完成整个工序流程。它的主要工作流程如图1所示。

图1 工序流程图

2 机械结构设计

完成蓝宝石晶片刷洗机的结构设计、建模与装配后进行运动仿真。机械结构分为前进组件、旋转组件、刷洗组件、喷淋组件和气动门组件，然后总装5大组件完成蓝宝石晶片刷洗机，如图2所示。

图2 蓝宝石刷洗机总装配图

3 电气控制与PLC程序

根据工作过程设计，电气控制流程如图3所示，主要包括完成电气和气动控制、刷洗机的气动控制原理图、进行电气元件选型、电气控制原理图设计、PLC控制程序设计以及人机界面（Human Machine Interface，HMI）触摸屏控制。

图3 电气控制流程图

主电路采用三相电源，设置一个总开关QF低压断路器控制电路通断，防止保护电路出现短路、防止欠压以及过载等情况，同时设有热继电与熔断器，保护电路出现短路与过载烧坏问题。在电机支路上设置开关，保障电路通电安全。从地址分配可知，系统需要11个输入口和9个输出口。现在通用的PLC品牌方有三菱、台达以及西门子等。设计的机器属于小型机器，鉴于西门子S7-1200是主打中小型工业产品，应用广泛且可靠性高，所以选用S7-1200配置。设计开关量的控制使用数字输入和输出，因此选用CPU 1214C DC/DC/DC，型号用6ES7 214-1AG40-0XB0，方便控制人机界面。根据地址分配，结合西门子PLC S7-1200特点进行PLC程序设计，完成PLC硬件接线。根据总体设计方案，完成PLC梯形图程序编制。

4 数字孪生

要想完成蓝宝石晶片刷洗机的机电一体化概念设计（Mechatronics Concept Designer，MCD）运动仿真，需要先创建完成MCD中的信号。在博图V15中进行硬件配置、变量创建、程序编写和触摸屏仿真。这些变量和程序需要下载到中间桥梁S7-PLC SIM Advanced V4.0中，与MCD中信号连接。当MCD和PLC都准备完毕后，开始准备MCD与PLC之间的通信连接。这需要用到西门子的S7-PLC SIM Advanced V4.0软件，将博图中的程序数据下载到该软件创建的虚拟PLC中，然后在NX12.0中刷新注册实例，将MCD信号与虚拟PLC中的信号进行一一信号映射，从而进行通信连接，如图4所示。

图4 信号映射界面

待MCD和PLC信号连接全部完成并检查无问题后，开始虚拟仿真，确保可以实现气动门开启、关闭道刷洗、撤回等过程。通过以上仿真，可以验证程序的可行性。虚拟仿真结果如图5所示。

图5 虚拟仿真图

5 结语

设计针对蓝宝石晶片刷洗要求，整机采用模块化设计，完成各组件零部件的结构设计，并基于UG 12.0进行建模与装配，成功搭建数字样机，通过三维运动仿真确保功能实现和组件之间无干涉等现象。采用西门子S7-1200 PLC编程控制，进行HMI触摸屏可视化设计，实现PLC和HMI的无缝对接，印证了设备控制的可视化精确控制。通过数字孪生，基于S7-PLC SIM Advanced将MCD信号与虚拟PLC中的信号进行一一信号映射，实现通信连接，完成了机电联合运动仿真与虚拟调试。