SMT虛擬樣機可視化建模與仿真

崔曉璐，龍緒明，李新茹，倪偉全，王 帥

(西南交通大學，成都610031)

表面貼裝技術(shù)SMT技術(shù)已成為國際上最熱門的新一代電子組裝技術(shù)，被譽為電子組裝技術(shù)一次革命。SMT虛擬樣機的設(shè)計，即采用計算機建模與仿真技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造是對已有或未來的制造活動進行仿真，它基本上不消耗現(xiàn)實物質(zhì)資源，所進行的過程是虛擬過程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。

由于SMT虛擬樣機的設(shè)計是在基于計算機建模與仿真的平臺上，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、加工及生產(chǎn)全過程的模擬仿真，因此利用三維建模軟件 AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、3D MAX，對SMT生產(chǎn)流水線中的絲印機、貼片機、回流焊、波峰焊等設(shè)備進行建模及可視化仿真。在模型建造過程中，通過對這些軟件的應(yīng)用，更加充分地了解到他們各自的優(yōu)越性，如AutoCAD的普遍應(yīng)用及其與3DMAX的良好交互性，Pro/Engineer的全相關(guān)性、強大的裝配性，SolidWorks實現(xiàn)復雜的三維零件實體造型的方便性。通過對設(shè)備的建模與動畫模擬仿真，能夠直觀形象地了解它們的工作原理與工作過程，并能透過各個視角對其主要工作結(jié)構(gòu)有更加直觀的認識。同時在VC平臺上，采用3D調(diào)用法，將3D MAX與OpenGL相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機交互界面，更有利于將建模技術(shù)、虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)相結(jié)合，突出其優(yōu)越性。

1 三維建模的基本理論

1.1 幾何建模的基本方法

對于三維物體建模，幾何建模包括體素和結(jié)構(gòu)兩個方面：體素，用來構(gòu)造物體的原子單位，其選取決定建模系統(tǒng)所能構(gòu)造的對象范圍；結(jié)構(gòu)，用來決定體素如何組合已購成新的對象。

1.1.1 體素的基本造型理論

1）基本體素引用法：通過函數(shù)或參數(shù)描述的幾何體，對基本體素進行線性變換可以定義新的形體。這種變化只改變集合形狀，不改變拓撲關(guān)系，簡單易實現(xiàn)，但表示復雜形體困難。

2）單元分解法：將立體分解成一些比原立體容易描述的子物體。一般應(yīng)用于產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，是工程分析的基礎(chǔ)。

3）邊界表示法（B-rep）：以物體的邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體的方法，并能給出完整的界面描述，是采用最為廣泛的方法。

4）體素構(gòu)造法（CSG）：用系統(tǒng)定義的簡單幾何形體（體素）經(jīng)正則集合運算，構(gòu)造出所需的復雜實體。

5)掃描表示法：二維圖形在空間沿某一路徑運動產(chǎn)生的實體。有3種形式：評議掃描，旋轉(zhuǎn)掃描，廣義掃描。

1.1.2 建模按結(jié)構(gòu)

1）層次建模方法：利用樹形結(jié)構(gòu)來表示物體的各個組成部分。樹形結(jié)構(gòu)不僅提供了一種簡便的、自然的分割復雜物體的方法，而且對模型的修改也是十分有利的。

2）屬主建模方法：思想是讓同一種對象擁有同一個屬主，屬主包含了該類對象的詳細結(jié)構(gòu)，當要建立某個屬主的一個實例時，只要復制指向?qū)僦鞯闹羔樇纯?。其主要?yōu)點是：簡單、高效、易于修改、一致性好。

1.2 建模軟件

1）AutoCAD：AutoCAD是當今最流行的二維繪圖軟件，具有強大的二維功能，如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及二次開發(fā)等功能，同時有部分三維功能。而這些功能及使用方法是比較容易掌握的，利用其三維建模功能建立立體模型。

2）SolidWorks：SolidWorks 可 以 十 分 方 便 地實現(xiàn)復雜的三維零件實體造型、復雜裝配和生成工程圖。圖形界面友好，容易上手掌握。

3）Pro/Engineer：Pro/Engineer 系統(tǒng)主要功 能：（1）真正的全相關(guān)性；（2）具有真正管理并發(fā)進程、實現(xiàn)并行工程的能力；（3）具有強大的裝配功能，能夠始終保持設(shè)計者的設(shè)計意圖；（4）容易使用，極大地提高設(shè)計效率。Pro/Engineer系統(tǒng)用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程人員的設(shè)計思想和習慣。

4）3DMAX：3DMAX的功能強大，內(nèi)置工具十分豐富，同時外置接口也很多，命令簡單明了，易于掌握。3DS Studio的算法很先進，所帶來的質(zhì)感和圖形工作站制作的圖形幾乎沒有差別，可存儲32位真彩圖像，其強大的功能使它成為PC三維動畫設(shè)計的首選軟件。

1.3 3DS文件

物體的層次結(jié)構(gòu)并不復雜，場景中給予每個物體一個數(shù)字以標示其在場景樹中的順序。相應(yīng)的，3DS文件中也用相同的方法標示了物體在場景樹中的位置。

3DS文件有許多塊組成，每個塊首先描述其信息類別，即該塊是如何組成的。塊的信息類別用ID來標識，塊還包含了下一個塊的相對位置信息。與許多文件格式一樣，3DS二進制文件中的數(shù)據(jù)也是按低位在前、高位在后的方式組織的。

圖1 絲印機

圖2 貼片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)

2 SMT可視化建模與仿真

根據(jù)組裝對象不同，SMT有多種工藝流程，一般單面組裝的典型工藝流程為:上料→涂布→貼片→回流焊→清洗→測試→下料；生產(chǎn)流水線則包括送料機，印刷機，點膠機，高速機，貼片機，回流焊，收料機。

2.1 絲印機的建模

采用層次建模方法，同時利用AutoCAD普遍應(yīng)用及其與3DMAX的良好交互性的特點，對絲印機進行三維立體建模及動畫模擬仿真。

絲印機的主要結(jié)構(gòu)有精確的光學視覺系統(tǒng)、印刷頭、x-y-θ平臺、PCB定位系統(tǒng)、鋼網(wǎng)夾緊結(jié)構(gòu)和自動清洗系統(tǒng)、電氣結(jié)構(gòu)、人性化中/英文操作接口等7大部分。針對這些結(jié)構(gòu)，利用Auto-CAD完成絲網(wǎng)印刷機靜態(tài)的建模工作。將其模型導入3DMAX中，進行動畫仿真：光學視覺系統(tǒng)進行點的精確識別，刮刀的壓力、升降速度、印刷速度、印刷范圍均軟件可調(diào)，通過x-y-θ三個方向的移動來實現(xiàn)平臺校位。如圖1所示。

2.2 貼片機的建模

通 過 利 用 AutoCAD，Pro/Engineer，Solid-Works，3D MAX等三維建模軟件，分別對轉(zhuǎn)塔式、動臂式、旋轉(zhuǎn)式貼片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)進行建模，如圖2所示。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)式貼片機的建模

主要采用Pro/Engineer進行動臂式貼片機的建模。由于動臂式貼片機的曲線機構(gòu)較多，特別是供料器與貼片頭的弧度設(shè)計，利用Pro/Engineer的全相關(guān)性，有利于各個元件參數(shù)的修改與模擬，將會具有較高的仿真程度。同時旋轉(zhuǎn)式貼片機具有兩個貼片頭并行工作，并且每個貼片頭安裝的吸嘴數(shù)量較多。另外Pro/Engineer具有強大的裝配功能，能夠?qū)崿F(xiàn)管理并發(fā)進程，實現(xiàn)并行工程。

在動畫制作上，旋轉(zhuǎn)式貼片機通過兩個方向的絲桿傳動，以及貼片頭的轉(zhuǎn)動，共同實現(xiàn)了芯片的高速吸取貼裝工作，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)式貼片機

2.2.2 動臂式貼片機的建模

基于層次建模法，通過AutoCAD進行動臂式貼片機的三維建模。將動臂式貼片機采用單元分解法分解為各個元素模塊，利用CAD的簡單幾何模型進行各個模塊的簡化，同時利用CAD與3D MAX工作平臺的交互聯(lián)系，進行模型的導入與動畫的仿真制作。

建模過程中，特別針對動臂式貼片機的絲桿傳動裝置進行相應(yīng)的繪制，通過xy方向的絲桿傳動實現(xiàn)貼裝頭的移動工作，通過貼裝頭上的攝像頭確認貼裝位置的定位后，z方向的絲桿使貼裝頭上下移動，完成元件的貼裝工作。

制作動畫仿真時，需將CAD文檔導入3D MAX空間坐標系統(tǒng)中，將自身融入虛擬空間中，選擇合適的視角，進行動畫的仿真制作。從PCB板傳輸定位模塊，拾片模塊，貼片模塊，軌跡運動模塊進行了運動的動畫仿真模擬，通過三個絲桿的同時傳動實現(xiàn)了貼片頭的移動、攝像頭的對光、以及芯片的吸取和安放等動作，如圖4所示。

圖4 動臂式貼片機

2.2.3 轉(zhuǎn)塔式貼片機的建模

轉(zhuǎn)塔式貼片機共創(chuàng)建了18個不同的貼片頭，一邊取料，一邊貼片，結(jié)合PCB印刷板軌道的變位移動，實現(xiàn)了貼片的高速運行。利用SolidWorks針對貼片頭的仿真建模，突出體現(xiàn)轉(zhuǎn)塔式貼片機的工作機構(gòu)，同時結(jié)合SolidWork中的運動仿真分析，實現(xiàn)了貼片頭的旋轉(zhuǎn)運動，吸嘴的依次吸取運動，xy軌道的變動運動，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)塔式貼片機

2.3 回流焊的建模

回流焊主要由機箱外殼，加熱系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)三部分組成。在加熱系統(tǒng)中，通過3D MAX的渲染仿真，體現(xiàn)了預熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)的獨立控溫加熱區(qū)段。在傳輸系統(tǒng)中，采用鏈條式結(jié)構(gòu)，其鏈條寬度可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同PCB板寬度的要求。如圖6所示。

圖6 回流焊

2.4 波峰焊的建模

波峰焊的主要結(jié)構(gòu)包含噴霧部分，由紅外線燈管與高溫玻璃、石英發(fā)熱管和微熱風式三部分組成的預熱部分及亂峰與平峰構(gòu)成的雙波峰部分。

利用SolidWorks能夠方便地實現(xiàn)復雜的三維零件實體造型，較為方便地進行復雜裝配的特性，完成波峰焊的三維立體建模，同時應(yīng)用該軟件完成動畫仿真。經(jīng)過預熱部分、亂峰、平峰，PCB板上的各個管腳達到充分的接觸、整形，使PCB板的效果更加理想，如圖7所示。

圖7 波峰焊

2.5 人機交互界面

利用OpenGL將三維建模與編程操控界面相結(jié)合，將SMT生產(chǎn)線工藝設(shè)計、關(guān)鍵SMT設(shè)備編程、加工過程可視化仿真集成，以實現(xiàn)最終的人機交互界面。由于直接利用OpenGL建模會非常復雜，不僅存在數(shù)據(jù)庫的調(diào)用問題，并且實時性很差。而采用3D調(diào)用法，將3D MAX與OpenGL相結(jié)合，更有利于將建模技術(shù)、虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)相結(jié)合，突出其優(yōu)越性。采用3D MAX交互式建模工具完成各類器件的建模，然后將其存儲為通用的圖形數(shù)據(jù)格式3DS輸出，以O(shè)penGL為工具，開發(fā)PCB設(shè)計的虛擬仿真，通過調(diào)用OpenGL各坐標變換函數(shù)最終實現(xiàn)對各個三維實體模塊分別控制，實現(xiàn)虛擬仿真，達到人機交互界面。

3 結(jié)束語

本文利用三維建模軟件 AutoCAD、Solid-Works、Pro/Engineer、3D MAX 對 SMT 生產(chǎn)線中的一些設(shè)備進行建模及動畫仿真，這能夠在一定程度上給人視覺上形象直觀化的了解，更方便于對設(shè)備的工作原理及工作過程的認識；同時利用3D調(diào)用法將其所建模型導成3DS文件格式，便于3D MAX與OpenGL的結(jié)合，對PCB板設(shè)計的虛擬仿真等后續(xù)工作起到一定的作用。

SMT貼片機虛擬樣機的設(shè)計能夠在一定程度上便于高校的教學工作以及企業(yè)的員工職業(yè)培訓，對企業(yè)與國家的資源起到一定的合理分配性及節(jié)約性。但我國在SMT虛擬樣機的研究還處于初級階段，需要不斷地學習與研發(fā)。

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