藍(lán)寶石晶片刷洗機(jī)設(shè)計(jì)

房瑩瑩 閆向陽(yáng) 李學(xué)星 艾 軍 高立成

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121）

1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)主要完成藍(lán)寶石晶片刷洗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，控制氣動(dòng)門打開(kāi)觀察罩，工人手動(dòng)將藍(lán)寶石晶片裝入轉(zhuǎn)盤，控制氣動(dòng)門關(guān)閉觀察罩，啟動(dòng)PLC。其次，電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母使轉(zhuǎn)盤組件沿著直線滑軌進(jìn)入刷洗位置，旋轉(zhuǎn)組件運(yùn)行，刷洗組件的雙電機(jī)帶動(dòng)毛刷旋轉(zhuǎn)，毛刷開(kāi)始刷洗晶片，藥水噴淋開(kāi)始。再次，噴淋藥水20 s后，藥水噴淋關(guān)閉，噴淋純水20 s后毛刷停止旋轉(zhuǎn)，然后轉(zhuǎn)盤停止旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)組件自動(dòng)退回至安裝晶片位置，人工進(jìn)行翻面，再次進(jìn)入，重復(fù)上述步驟。最后，取出晶片，完成整個(gè)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成藍(lán)寶石晶片刷洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模與裝配后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。機(jī)械結(jié)構(gòu)分為前進(jìn)組件、旋轉(zhuǎn)組件、刷洗組件、噴淋組件和氣動(dòng)門組件，然后總裝5大組件完成藍(lán)寶石晶片刷洗機(jī)，如圖2所示。

圖2 藍(lán)寶石刷洗機(jī)總裝配圖

3 電氣控制與PLC程序

根據(jù)工作過(guò)程設(shè)計(jì)，電氣控制流程如圖3所示，主要包括完成電氣和氣動(dòng)控制、刷洗機(jī)的氣動(dòng)控制原理圖、進(jìn)行電氣元件選型、電氣控制原理圖設(shè)計(jì)、PLC控制程序設(shè)計(jì)以及人機(jī)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(shè)置一個(gè)總開(kāi)關(guān)QF低壓斷路器控制電路通斷，防止保護(hù)電路出現(xiàn)短路、防止欠壓以及過(guò)載等情況，同時(shí)設(shè)有熱繼電與熔斷器，保護(hù)電路出現(xiàn)短路與過(guò)載燒壞問(wèn)題。在電機(jī)支路上設(shè)置開(kāi)關(guān)，保障電路通電安全。從地址分配可知，系統(tǒng)需要11個(gè)輸入口和9個(gè)輸出口?，F(xiàn)在通用的PLC品牌方有三菱、臺(tái)達(dá)以及西門子等。設(shè)計(jì)的機(jī)器屬于小型機(jī)器，鑒于西門子S7-1200是主打中小型工業(yè)產(chǎn)品，應(yīng)用廣泛且可靠性高，所以選用S7-1200配置。設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)量的控制使用數(shù)字輸入和輸出，因此選用CPU 1214C DC/DC/DC，型號(hào)用6ES7 214-1AG40-0XB0，方便控制人機(jī)界面。根據(jù)地址分配，結(jié)合西門子PLC S7-1200特點(diǎn)進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)，完成PLC硬件接線。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，完成PLC梯形圖程序編制。

4 數(shù)字孿生

要想完成藍(lán)寶石晶片刷洗機(jī)的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（Mechatronics Concept Designer，MCD）運(yùn)動(dòng)仿真，需要先創(chuàng)建完成MCD中的信號(hào)。在博圖V15中進(jìn)行硬件配置、變量創(chuàng)建、程序編寫(xiě)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(hào)連接。當(dāng)MCD和PLC都準(zhǔn)備完畢后，開(kāi)始準(zhǔn)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(shù)據(jù)下載到該軟件創(chuàng)建的虛擬PLC中，然后在NX12.0中刷新注冊(cè)實(shí)例，將MCD信號(hào)與虛擬PLC中的信號(hào)進(jìn)行一一信號(hào)映射，從而進(jìn)行通信連接，如圖4所示。

圖4 信號(hào)映射界面

待MCD和PLC信號(hào)連接全部完成并檢查無(wú)問(wèn)題后，開(kāi)始虛擬仿真，確保可以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)門開(kāi)啟、關(guān)閉道刷洗、撤回等過(guò)程。通過(guò)以上仿真，可以驗(yàn)證程序的可行性。虛擬仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 虛擬仿真圖

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)針對(duì)藍(lán)寶石晶片刷洗要求，整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，完成各組件零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于UG 12.0進(jìn)行建模與裝配，成功搭建數(shù)字樣機(jī)，通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)仿真確保功能實(shí)現(xiàn)和組件之間無(wú)干涉等現(xiàn)象。采用西門子S7-1200 PLC編程控制，進(jìn)行HMI觸摸屏可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PLC和HMI的無(wú)縫對(duì)接，印證了設(shè)備控制的可視化精確控制。通過(guò)數(shù)字孿生，基于S7-PLC SIM Advanced將MCD信號(hào)與虛擬PLC中的信號(hào)進(jìn)行一一信號(hào)映射，實(shí)現(xiàn)通信連接，完成了機(jī)電聯(lián)合運(yùn)動(dòng)仿真與虛擬調(diào)試。