基于OpenGL的波峰焊虛擬制造系統(tǒng)研究

劉許亮，朱煥立

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著電子制造和組裝業(yè)向密集化和微型化方向發(fā)展，表面貼裝技術(shù)（SurfaceMountingTechnology，簡稱SMT）得到了迅速發(fā)展，逐步代替了插孔元件安裝和導(dǎo)線連接技術(shù)［1］。而在SMT生產(chǎn)線中，數(shù)控設(shè)備編程所需的數(shù)據(jù)完全可以從CAD系統(tǒng)相關(guān)文件獲取。這些數(shù)據(jù)量很大，也比較零亂，有些數(shù)據(jù)是不同數(shù)控設(shè)備都需要的，如元器件在印刷電路板（Printed Circuit Board，簡稱PCB）上的坐標(biāo)、角度、大小尺寸等物理特征參數(shù)。但是，由于設(shè)計(jì)部門和制造部門許多信息不能共享，生產(chǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間很長，資金投入也很大。

隨著市場競爭的加劇，電子產(chǎn)品交貨周期縮短，SMT生產(chǎn)系統(tǒng)成本必須控制。虛擬制造（Virtual Mamifacturing，簡稱VM）技術(shù)是很好的解決方案。SMT虛擬制造系統(tǒng)就是在計(jì)算機(jī)支持下，以仿真技術(shù)為前提，建立功能強(qiáng)大的虛擬制造環(huán)境，對PCB的設(shè)計(jì)、組裝等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模。筆者采用Visual C＋＋設(shè)計(jì)平臺，嵌入 OpenGL（Open Graphics Librany），開發(fā)符合實(shí)際生產(chǎn)線要求的波峰焊虛擬制造系統(tǒng)。

1 波峰焊工藝

波峰焊（Wave solder）是SMT生產(chǎn)線的主要系統(tǒng)之一。它是指在電動(dòng)泵或電磁泵作用下，熔化的液態(tài)焊料形成特定形狀的焊料波峰，裝載印制板的傳送帶通過設(shè)定好的傳送角度及合適的侵入深度穿過焊料波峰，實(shí)現(xiàn)PCB板上元器件焊點(diǎn)焊接的過程。

1．1 波峰焊的結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，SMT生產(chǎn)線以雙波峰焊為主。雙波峰焊主要包括以下5大系統(tǒng)：運(yùn)輸系統(tǒng)、助焊劑系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)［2］。波峰焊的運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PCB板在焊爐中裝載運(yùn)輸，一般采用手抓式。助焊劑系統(tǒng)用于去除PCB板和元器件的氧化層。涂覆助焊劑可促使熱量有效傳遞到焊接區(qū)。預(yù)熱系統(tǒng)是將PCB板和元器件進(jìn)行1～3 min預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常在130℃～150℃。雙波峰焊的第一個(gè)波峰是“湍流”波峰，由窄噴嘴噴出，流速快，使尺寸小、密度高的元器件的焊接端點(diǎn)能很好滲透焊料；第二波峰是“平滑”波，用于解決“湍流”波峰階段，存在浸錫后焊接短路、接口強(qiáng)度不足等問題。冷卻系統(tǒng)則將經(jīng)過焊接機(jī)構(gòu)的PCB板溫度進(jìn)行冷卻，有助于增強(qiáng)焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度，便于生產(chǎn)線上后續(xù)處理。

1．2 波峰焊工藝參數(shù)調(diào)整

波峰焊主要工藝參數(shù)包括：助焊劑涂覆量、傳送速度、傳送傾斜角度、預(yù)熱溫度、波峰高度。助焊劑涂覆量影響PCB板和元器件的焊接質(zhì)量。焊接時(shí)間則由傳送速度、焊料波的波形與浸潤3個(gè)因素決定，通常控制在3～6 s。傳送傾斜角度可以控制PCB與焊料波峰面的接觸時(shí)長，通常設(shè)置為4°～12°。波峰高度通?？刂圃赑CB板厚度的1／2～1／3。波峰過高，會導(dǎo)致熔融的焊料流到PCB板的表面，形成“橋連”；波峰過低，就出現(xiàn)漏焊、虛焊的現(xiàn)象。在SMT生產(chǎn)線中，波峰焊的傳輸導(dǎo)軌寬度、傳輸速度、傳輸導(dǎo)軌傾角、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、焊接溫度等參數(shù)需要調(diào)整，使參數(shù)協(xié)調(diào)，才能確保焊接效果達(dá)到最佳狀態(tài)、符合要求［3～4］。

2 波峰焊虛擬制造系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．1 軟件功能模塊劃分

根據(jù)波峰焊生產(chǎn)線的工作過程，虛擬制造系統(tǒng)的軟件分為密碼處理、波峰焊編程界面、靜態(tài)3D仿真、生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)仿真4個(gè)模塊。

2．1．1 密碼處理模塊

在該模塊中，通過設(shè)置用戶權(quán)限和密碼，保護(hù)系統(tǒng)安全。即只有正確的輸入用戶名和密碼，才能進(jìn)入波峰焊的編程階段。

2．1．2 波峰焊編程界面

波峰焊主界面包括菜單操作、機(jī)型選擇（可以選擇模擬ANDA和ERSA兩種波峰焊機(jī)）、數(shù)據(jù)庫、幫助等4部分。當(dāng)選擇模擬ANDA全自動(dòng)無鉛波峰焊機(jī)時(shí)，界面顯示有菜單操作、系統(tǒng)編程、3D模型顯示窗口、3D動(dòng)畫顯示窗口、幫助文檔和操作提示等6方面的信息。當(dāng)選擇模擬ERSA波峰焊機(jī)型時(shí)，界面顯示有菜單操作、系統(tǒng)編程、3D模型靜態(tài)顯示窗口、波峰焊生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)仿真窗口、操作提示性息等5方面信息。

2．1．3 波峰焊 3D靜態(tài)仿真

波峰焊3D靜態(tài)仿真是利用3DMAX建立波峰焊實(shí)際生產(chǎn)線的3D模型，將OpenGL嵌入C＋＋Builder6．0后，輸入3D模型數(shù)據(jù)。該模塊能控制波峰焊機(jī)模型的空間移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

2．1．4 波峰焊生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)仿真

動(dòng)態(tài)仿真是模擬波峰焊生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程。在讀入3DS模型文件后，根據(jù)設(shè)備參數(shù)的編程設(shè)置，控制傳送機(jī)構(gòu)的速度、傳送傾斜角度、各溫區(qū)的溫度、波峰高度以及波峰寬度等生產(chǎn)要素，并顯示出模擬生產(chǎn)過程中PCB板的溫度曲線，達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)控制與監(jiān)控效果。

2．2 工作流程

波峰焊編程系統(tǒng)是對實(shí)際生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程進(jìn)行虛擬制造模擬，其2種機(jī)型ANDA和ERSA的工作流程相近（如圖1所示）。

2．3 波峰焊計(jì)算機(jī)輔助制造 （Computer Aided Manufacturing，簡稱CAM）程序設(shè)計(jì)

焊接設(shè)備需要設(shè)置的兩個(gè)關(guān)鍵方面分別是溫度曲線和控制參數(shù)［5］。該虛擬制造系統(tǒng)模擬波峰焊CAM程序編程，按照系統(tǒng)中設(shè)置的ANDA、EASA兩種機(jī)型界面、編程過程和控制參數(shù)設(shè)置，引導(dǎo)生產(chǎn)線操作人員進(jìn)行溫度曲線的設(shè)置和優(yōu)化，并對焊爐各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)進(jìn)行編程設(shè)置。

2．3．1 ANDA波峰焊CAM程序編程軟件設(shè)計(jì)

ANDA波峰焊編程主界面包括用戶登錄、溫區(qū)設(shè)定、系統(tǒng)設(shè)定、噴霧電機(jī)設(shè)定、導(dǎo)軌的寬度調(diào)整、基板補(bǔ)償、時(shí)間設(shè)定、運(yùn)行記錄、溫度曲線，還有產(chǎn)量的相關(guān)記錄、工藝方案及一些功能命令等。

圖1 波峰焊編程系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Wave crest-soldering programming system work process

溫區(qū)設(shè)定操作界面包括以下參數(shù)設(shè)定：溫度補(bǔ)償、上限報(bào)警、起控點(diǎn)、感度、下限報(bào)警、跟蹤指數(shù)、下層熱開、上層熱關(guān)、控溫路數(shù)、曲線補(bǔ)償?shù)取囟妊a(bǔ)償是對錫爐、預(yù)熱的基準(zhǔn)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。上限報(bào)警參數(shù)是設(shè)置錫爐、預(yù)熱的超溫報(bào)警值。起控點(diǎn)用于設(shè)置進(jìn)入PID自動(dòng)監(jiān)測的范圍。感度參數(shù)的作用是設(shè)定PID自動(dòng)跟蹤的強(qiáng)度。下限報(bào)警參數(shù)是設(shè)置錫爐、預(yù)熱的低溫報(bào)警值。跟蹤指數(shù)主要用于加熱緩沖跟蹤，防止升溫時(shí)沖溫過高。下層熱開用于錫爐分上下層加熱時(shí)，下層加熱接通的溫度。上層熱關(guān)的作用用于控制錫爐分上下加熱時(shí)，上層加熱斷開的溫度。控溫路數(shù)為錫爐控溫路數(shù)與預(yù)熱控溫路數(shù)之和。曲線補(bǔ)償用于溫度補(bǔ)償。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面能進(jìn)行以下參數(shù)設(shè)置：齒數(shù)設(shè)定、噴霧距離、噴錫距、經(jīng)濟(jì)距、產(chǎn)量計(jì)數(shù)、水汽延時(shí)、寬度參數(shù)、補(bǔ)熱開、補(bǔ)熱關(guān)、錫爐熱體、運(yùn)輸系數(shù)、波峰1限定、波峰2限定、調(diào)速、總脈沖、噴霧方式、助焊濟(jì)泵、寬窄脈沖、運(yùn)輸方向等。

波峰焊的運(yùn)行界面參數(shù)設(shè)定包括5個(gè)方面：預(yù)熱區(qū)溫度、焊接區(qū)溫度、雙波峰高度、冷卻、傳輸速度等。波峰焊的運(yùn)行參數(shù)決定整個(gè)焊接產(chǎn)品的好壞。

2．3．2 數(shù)據(jù)庫設(shè)置

該系統(tǒng)采用SQL Server 2000存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)，構(gòu)建了存儲預(yù)熱溫度（heaterzone）、參數(shù)設(shè)置（refereneeset）、PCB 板噴霧補(bǔ)償（Board）等數(shù)據(jù)表；采用ADO對象操作數(shù)據(jù)庫；用C＋＋Builder6提供一組可獨(dú)立于BDE的ADO操作對象，并通過該對象訪問各種數(shù)據(jù)源；采用ADO中的TDOTable對象進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲與讀取操作。系統(tǒng)需要設(shè)置ADOTable的Conneetionstring屬性，建立好連接字符串，再在TableName中選擇相應(yīng)的表，將ADOTable的Active屬性設(shè)置為true，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問了。如下段就是訪問參數(shù)設(shè)置表的部分代碼。

3 波峰焊3D動(dòng)畫仿真

該波峰焊虛擬制造系統(tǒng)是在C＋＋Builder6．0中嵌入OpenGL，畫出3D模型，并通過讀入的3DS文件，進(jìn)行3D模型靜態(tài)仿真。靜態(tài)仿真模擬操作人員環(huán)視波峰焊設(shè)備，可進(jìn)行設(shè)備的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移；動(dòng)態(tài)仿真則根據(jù)溫區(qū)和傳輸速度的設(shè)置，通過3D動(dòng)畫模擬波峰焊流水線工作的工作以及溫度曲線的變化。

3．1 波峰焊3D模型

ANDA無鉛波峰焊是全自動(dòng)電腦控制的無鉛波峰焊錫機(jī)。在PCB板進(jìn)入焊爐前，將各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置好，就能自動(dòng)完成助焊劑涂覆、預(yù)加熱、焊錫冷卻等焊接工藝全過程。該波峰焊主要用于短腳直插式、表面貼裝元器件及其混裝型PCB板整體焊接。在該虛擬制造系統(tǒng)中，波峰焊虛擬編程3D模型如圖2所示。

3．2 波峰焊openGL靜態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)

波峰焊3D模型是分模塊建立的。在靜態(tài)仿真時(shí)，展示的是波峰焊爐的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在仿真模型讀入時(shí)，內(nèi)部模塊和外部模塊分別讀入展示。其中，內(nèi)部模塊對波峰焊爐的內(nèi)部構(gòu)成（包括導(dǎo)軌、噴霧系統(tǒng)、兩個(gè)波峰、冷卻風(fēng)機(jī)、PCB板等）進(jìn)行全部展示，類似于生產(chǎn)線上預(yù)生產(chǎn)狀態(tài)。

圖2 波峰的3D模型結(jié)構(gòu)Fig.2 3D model structure of wave crest

波峰焊仿真模塊程序總體流程為：（1）進(jìn)行窗口環(huán)境設(shè)置。（2）判斷是否進(jìn)行波峰焊3D動(dòng)態(tài)仿真。若進(jìn)行，讀入波峰焊外殼、導(dǎo)軌、噴嘴、預(yù)熱、錫爐、冷卻等模塊的數(shù)據(jù)庫信息，進(jìn)行3D仿真和溫度曲線仿真；反之，讀入波峰焊3D整體模型，進(jìn)入OpenGL繪制模塊。波峰焊靜態(tài)模型是以3DS文件的形式存在的，它描述了模型的點(diǎn)、面、光照、紋理、關(guān)鍵幀等信息。這些信息以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放在文件中，并不能直接通過OpenGL的顯示命令調(diào)用。一個(gè)將3DS文件中的模型信息轉(zhuǎn)換為OpenGL顯示列表的程序可以在MFC窗口中繪制和準(zhǔn)確地顯示出3DS文件中描述的三維模型［6～7］。（3）使用 OpenGL 的控制命令處理靜態(tài)三維模型，實(shí)現(xiàn)波峰焊的虛擬場景以及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真。

3．3 波峰焊的動(dòng)態(tài)仿真

在實(shí)際的SMT生產(chǎn)線中，波峰焊是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因?yàn)闇貐^(qū)溫度的高低直接影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量，所以該生產(chǎn)線對溫區(qū)溫度的控制要求較高。在波峰焊爐內(nèi)，設(shè)置有3個(gè)溫度傳感器，用于測量PCB板的實(shí)時(shí)溫度。在本虛擬波峰焊系統(tǒng)中，OpenGL編制的軟件模擬了PCB板在焊爐內(nèi)溫度變化。在焊接過程中，隨著PCB板模擬進(jìn)入不同的溫區(qū)，溫度顯示界面能實(shí)時(shí)顯示溫度變化。虛擬系統(tǒng)的操作人員能直觀地看到溫度曲線的變化，并判斷各溫區(qū)的溫度設(shè)置是否滿足PCB板生產(chǎn)要求。在動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，還可以查看到噴嘴寬度、導(dǎo)軌寬度、錫波的寬度和高度等設(shè)置對PCB板的影響。將3DS文件（如外殼 Outface．ds、導(dǎo)軌 daoguil．ds 和 daogui2．ds、噴嘴 penzui．ds、PCB 板 PCB．ds等） 讀入到 OpenGL 編制的場景中，采用 voidCLoad3DS：Read3dobj（char＊dir，char＊cn，int a）函數(shù)讀入 3DS 文件。在參數(shù)列表中，dir是存儲3DS文件的目錄，cn是要導(dǎo)入的3DS文件的名字，a表示導(dǎo)入文件的編號。

用OpenGL直接畫出顯示曲線的坐標(biāo)系，將該坐標(biāo)系嵌入至VC中，根據(jù)波峰高度值的設(shè)定，畫出波峰曲線。將存儲在bofenghan數(shù)據(jù)庫中的控制參數(shù)讀入，根據(jù)控制參數(shù)的設(shè)定，模擬波峰焊接的實(shí)際生產(chǎn)過程，畫出動(dòng)態(tài)曲線圖。同時(shí)，通過動(dòng)畫形式展示PCB的生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié)語

該虛擬制造系統(tǒng)利用VC＋＋和C＋＋Builder平臺，結(jié)合OpenGL圖形應(yīng)用程序接口軟件，編制3D靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬界面。以市場上常用的兩款主流設(shè)備為原型，模擬生產(chǎn)車間的設(shè)備靜態(tài)環(huán)視仿真和實(shí)際生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)仿真。SMT設(shè)備操作人員可以模擬實(shí)際的生產(chǎn)線進(jìn)行參數(shù)的編程設(shè)置，對波峰焊溫度曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品波峰焊生產(chǎn)的直觀仿真過程。

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