基于数字孪生的芯片系统级测试装备快速定制设计方法研究

来源：工业工程

作者：林大钦，赵荣丽等

关键词: SLT 装备；数字孪生；快速设计；设计知识表征；快速设计框架

1.1 SLT 装备层次模块划分

面对不同的场地限制、产能要求等定制化需求，SLT 装备的设计方案在装备规格，资源配置、机械结构拓扑关系等方面会存在一定程度的差异。然而，SLT 装备内部机械模块作业耦合程度较低，若能选定合适的机械模块设计粒度，构建SLT 装备通用的机械结构树，不同设计方案之间的差异性可以通过配置参数的方式解决。

SLT 装备可分为两个大功能区，分别是芯片料盘管理区和芯片测试区。芯片料盘管理区有待测料盘出盘、空料盘出盘与回收、分BIN 料盘回收4 个子任务；芯片测试区有待测芯片上料、测完芯片下料、测完芯片分BIN 3 个子任务。模块的划分原则是机械模块与周边机构有明显的物理界限，并可独立完成某一功能，同时符合机构模块化和功能模块化。

如图1 所示，遵循上述原则，将SLT 装备的机械层次结构总结为3 层共10 个子模块。这些子模块在机械结构和功能上比较固定，因此将这10 个子模块作为设计的最小粒度，不同的设计方案之间在机械结构上的差异可视为这些子模块在数量配置和拓扑关系之间的差异。

1.2 设计参数定义

SLT 装备的机械结构树为SLT 装备设计知识的表征提供了良好的组织骨架，对底层各子模块进行设计知识的表征与概括。子模块通过特定的聚合方式形成父模块，父模块在这种聚合方式下生成自身的设计知识表征。沿着机械结构树，自下而上形成如图2 所示的SLT 装备三层多模块设计知识存储结构，构建SLT 装备的通用设计知识原型。这是实现快速定制设计的基础。本文将这种聚合方式定义为“靠接”，在后文会详细介绍。

为全面描述SLT 装备的方案设计知识，参照SLT 装备机械设计工程师的工作内容与特点，将SLT 装备的设计参数分为机械配置和动作规划两大类 (后文简称为配置参数和动作参数)。两种参数类型的定义如下所示。

配置参数：包括标准件选型与资源配置、非标结构核心设计参数、拓扑关系等。标准件的型号和非标件的结构决定动作的执行能力上下限，若当前机构配置无法满足预设动作，则应综合考虑修改相关配置参数。子模块的资源配置在配置参数中主要体现在数量上，子模块数量及拓扑关系影响装备工作能力与装备规格。

动作参数：在制品动作规划、机构动作映射、动作协同关系等。装备的整体动作设计在原则上服务于在制品的加工需求，抽象提取在制品在装备中的加工点，以一系列加工点描述在制品的动作规划与流向。同时，在每个加工点进行包括动作形式、时间等在内的机构动作映射，厘清映射动作之间的协同关系，对装备的动作设计进行完整描述。

1.3 设计参数提取

配置参数主要包括模块的规格尺寸、标准件型号、非标件的核心结构参数；动作参数主要包括模块的基础动作 (直线、旋转运动) 和模块的复合动作(拆垛、堆垛动作等)。

前文提及，SLT 装备设计知识原型的形成是一个自下而上通过“靠接”行为构建三层多模块设计知识结构的过程。提取底层子模块的配置参数和动作参数，通过“靠接”形成父模块，父模块的设计参数有两个来源：一是直接提取；二是通过子模块的靠接行为产生新的设计参数。

为保证父模块设计参数的有效性和合理性，避免出现无效设计参数，靠接得到的设计参数也应符合上述配置参数和动作参数的定义和范围。配置参数维度主要体现为各子模块的数量配置、拓扑关系等，动作参数维度主要体现为各子模块动作的协同组合、在制品的流向等。

经分析总结，将上文提及的10 个子模块归纳为9 个设计知识表征模块 (两个机械手子模块可统一表征)，并且对每个子模块的核心设计参数进行提取。提取两个维度的参数后，分析参数之间存在的关系，对参数进行绑定，如动作参数中基础动作的设计直接依赖于配置参数中的标准件型号，配置参数中的规格与同为配置参数的拓扑关系存在一定的映射关联，动作参数中的大粒度动作由小粒度动作协同组合而成。形成的9 个基础设计知识表征模块如图3 所示。

基础设计知识表征模块与机械结构树中的底层子模块一一对应，子模块通过靠接行为逐层形成SLT 装备，伴随着基础设计知识表征模块形成更高层的设计知识表征，最终构建如图3 和图4 所示的完整SLT 装备设计知识表征原型。装备层的配置设计参数主要描述宏观的机械设计信息，如拓扑关系表、装备三维尺寸、人行巷道宽度、检测单元层高、上料单元数量配置 (默认为1) 、检测单元数量配置等。装备层的动作设计参数主要描述宏观的动作规划，如在制品流向、上料单元出料盘动作、上料单元收空盘动作、上料单元收BIN 盘动作、检测单元出料盘动作、检测单元入料盘动作等。