三維電子裝聯(lián)工藝文件設計方法

程五四，陳興玉，張紅旗，田富君，陳亮希

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)(2.合肥市雷達機電裝備先進設計工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230088)(3.中國電子科技集團公司第三十八研究所國家級工業(yè)設計中心，安徽 合肥 230088)(4.安徽省技術(shù)標準創(chuàng)新基地，安徽 合肥 230088)

電子產(chǎn)品的復雜性和裝配精密性的要求，使得電子裝聯(lián)工藝設計的難度較大?，F(xiàn)有電子裝聯(lián)工藝基本以二維圖紙為核心開展工藝設計，形成二維電子產(chǎn)品工藝作業(yè)指導書指導工人裝配作業(yè)?，F(xiàn)有方法缺點如下：一是工藝設計人員無法有效繼承和利用三維設計模型中的信息，造成數(shù)據(jù)傳遞的斷層，其一致性和完整性得不到保證；二是形成的作業(yè)指導書一般只包括電子裝聯(lián)工藝作業(yè)順序及方法、產(chǎn)品工藝圖片和注意事項，缺少以三維模型為載體的直觀形象的電子裝聯(lián)工藝設計方法和環(huán)境。

目前，三維工藝設計已成為研究熱點，但尚未涉及電子裝聯(lián)工藝設計，究其原因，一是電子產(chǎn)品的零部件種類多樣，常規(guī)的建模方法難以適用，導致構(gòu)建電子元器件三維模型的復雜性和難度增加；二是由于電子裝聯(lián)工藝一般包括SMT貼片、焊接、布線和接線等復雜工藝，基于三維模型表達電子裝聯(lián)工藝信息的方法欠缺，研究深度不夠，尚未形成相關(guān)的專利、論文、軟件以及標準和規(guī)范等成果。

要解決三維電子裝聯(lián)工藝文件設計的難題，需要解決三維模型構(gòu)建、基于三維模型的電子裝聯(lián)工藝信息表達等關(guān)鍵問題。三維模型的構(gòu)建目前有很多方法，如通過二次開發(fā)，利用參數(shù)化設計基本原理建立元器件庫，實現(xiàn)元器件三維模型的參數(shù)化構(gòu)建[1]。本文在其他建模技術(shù)的基礎上，提出了電子產(chǎn)品逆向三維建模的方法，構(gòu)建了電子裝聯(lián)工藝模型庫，工藝工程師在編制工藝文件時可直接從工藝庫模型中調(diào)用典型工藝，保證了相同工序的工藝有良好的一致性[2]。

1 設計流程

三維電子裝聯(lián)工藝文件設計流程如圖1所示。電子裝聯(lián)工藝模型的構(gòu)建為三維電子裝聯(lián)工藝文件的設計提供了三維模型基礎；基于三維電子裝聯(lián)工藝模型的工藝信息表達，采用基于模型定義(MBD)的形式來表達復雜的電子裝聯(lián)工藝信息；工藝規(guī)程樹通過結(jié)構(gòu)化的信息，將工藝路線進行有機組織，以便生成面向車間應用的三維化、結(jié)構(gòu)化、同源化的電子裝聯(lián)工藝文件。

圖1 工藝文件設計流程

2 關(guān)鍵設計技術(shù)及內(nèi)容

2.1 電子裝聯(lián)工藝模型構(gòu)建

電子裝聯(lián)工藝模型構(gòu)建流程如圖2所示。

1)通過測量產(chǎn)品實物，獲取產(chǎn)品零部件制造幾何特征。

基于統(tǒng)一的測量網(wǎng)格環(huán)境，對電子產(chǎn)品實物進行測量，生成多視圖點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理獲取電子零部件制造幾何特征，構(gòu)造電子產(chǎn)品裝聯(lián)模型。

2)將電子產(chǎn)品裝聯(lián)模型與原始設計模型融合形成裝聯(lián)工藝模型。

基于幾何特征和點線面元素操作，對裝聯(lián)模型進行工藝層級粒度劃分。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將劃分后的裝聯(lián)模型轉(zhuǎn)換成CAD軟件可識別的格式，并與CAD原始設計模型融合進行裝配設計，形成裝配工藝模型。在典型的電子裝聯(lián)生產(chǎn)環(huán)境中，元件放置、檢驗和測試等各項工藝過程都需要用到CAD提供的數(shù)據(jù)[3]。根據(jù)CAD原始設計模型信息屬性模板，對裝聯(lián)模型進行屬性賦值和設置，屬性主要包括產(chǎn)品信息，零部件的代號、名稱、材料、數(shù)量等信息。

2.2 電子裝聯(lián)工藝信息表達

1)建立電子裝聯(lián)工藝信息表達規(guī)則庫。

對電子裝聯(lián)工藝信息的內(nèi)容、表達形式、表達規(guī)則進行研究，構(gòu)建電子裝聯(lián)工藝信息多形式表達規(guī)則庫，將信息與信息表達規(guī)則庫強關(guān)聯(lián)，以便在基于三維模型表達裝聯(lián)工藝信息過程中直接調(diào)用和獲取信息。具體說來，將信息分為文本類、圖形符號類、參數(shù)表示類等，并建立對應的文本規(guī)則庫、圖形符號庫、參數(shù)表示庫等。規(guī)則庫中不僅包含常用的信息，還對信息表達的規(guī)則和形式進行了定義。文本庫中包含各類常用文本信息，除了技術(shù)要求、輔料名稱等，還包括基于三維模型表達信息的形式，如文本的屬性、文本框的形式等。圖形符號庫包括信息的內(nèi)容和表達的圖形符號。參數(shù)表示庫包括參數(shù)值和參數(shù)符號，如電子裝聯(lián)的級別，包括元件級(Ⅰ級)、插件級(Ⅱ級)、插箱板級(Ⅲ級)和箱柜級(Ⅳ級)，如圖3所示。

圖2 電子裝聯(lián)工藝模型構(gòu)建流程

圖3示例表示的是：該零部件為插箱板級裝聯(lián)，利用螺釘裝聯(lián)工藝方法，使用了24吋扳手，扭力為200 N。

圖3 電子裝聯(lián)工藝信息表達示例

將工藝信息的內(nèi)容與信息表達規(guī)則庫強關(guān)聯(lián)，即確定了裝聯(lián)級別、工藝方法、設備、工器具、工藝參數(shù)、裝配要求等工藝信息，直接按照規(guī)則庫中設置的規(guī)則使用，如確定了元件級(Ⅰ級)裝聯(lián)級別，使用時直接顯示“Ⅰ”。

2)三維電子裝聯(lián)工藝信息表達設計及執(zhí)行。

對于電子元器件的電子裝聯(lián)工藝，如SMT貼片、焊接等的信息表達，方法是在工藝模型上標注電子裝聯(lián)工藝符號、裝配尺寸、總體要求、配合形式、裝配工藝參數(shù)等信息，并在三維模型上標注工藝要求的注釋文本或在三維模型上繪制輔助幾何圖形。電子裝聯(lián)工藝符號以符號化的組合框格來描述電子裝聯(lián)工藝信息，電子裝聯(lián)工藝符號動態(tài)地自動生成，能夠根據(jù)信息類型、信息量大小和信息要素的有無來控制符號的高度、長度，具有自適應、高柔性的特點。電子裝聯(lián)工藝符號中的信息與企業(yè)資源庫以及工序工步節(jié)點屬性中對應的信息一致，主要包括裝配級別、工藝方法、設備、工器具、工藝參數(shù)、裝配要求等，如圖4所示。

圖4 電子裝聯(lián)工藝符號構(gòu)成示意

電子元器件的電子裝聯(lián)工藝方法，包括壓合、螺接、鉚接、膠接、繞接、焊接、SMT貼片等，根據(jù)電子裝聯(lián)級別的不同，采用的電子裝聯(lián)工藝方法亦不同，應建立與不同裝聯(lián)級別相適應的工藝方法映射關(guān)系，并將相關(guān)信息存儲在中心數(shù)據(jù)庫的工藝設計庫里,可以利用工藝文件管理器方便地查看和修改,同時也便于電子文檔集中和高效管理[4]。電子裝聯(lián)工藝信息是通過在三維模型上標注電子裝聯(lián)工藝符號來表達的，必要時借助注釋文本和輔助幾何圖形，如在三維模型上繪制十字線“+”的輔助幾何圖形來標識焊點的位置。焊接裝聯(lián)工藝信息除了包括焊接設備、器具和焊接工藝參數(shù)之外，一般還應包括焊接材料、焊劑等信息，并輔助表達焊接檢驗要求，如無虛焊、漏焊等焊接要求。

針對電子裝聯(lián)工藝中涉及的線纜、管路等特殊零部件，在進行電子裝聯(lián)工藝設計時，形成了線纜、管路等特殊零部件的基于三維模型的懸浮表，如線纜裝配時生成的電氣裝配導線表，內(nèi)容包括導線編號，顏色，牌號、規(guī)格、標準號，總長度、留頭長度、剝頭長度，起點位號、接點號，終點位號、接點號等信息，如圖5所示。

2.3 基于雙向映射的工藝規(guī)程樹構(gòu)建

1)工藝規(guī)程樹初始化。

基于電子裝聯(lián)工藝模型結(jié)構(gòu)樹雙向映射形成初始化工藝規(guī)程樹，就是在CAD軟件中遍歷并重構(gòu)當前窗口中工藝模型的所有節(jié)點信息，包括裝配體中的零部件、標注的尺寸集、工藝信息表達設計的結(jié)果(電子裝聯(lián)工藝符號)、特征、工裝模型、制造資源模型等，構(gòu)建初始化的工藝規(guī)程樹。重構(gòu)節(jié)點的過程如下：模型中的一級節(jié)點進行同結(jié)構(gòu)映射轉(zhuǎn)換，二級及二級以下的節(jié)點按照需要選擇性地轉(zhuǎn)換，即可以只轉(zhuǎn)換一級節(jié)點，而不展開二級及二級以下節(jié)點，也可以轉(zhuǎn)換全部的節(jié)點。初始化工藝規(guī)程樹與電子裝聯(lián)工藝模型結(jié)構(gòu)樹具有雙向映射關(guān)系，即電子裝聯(lián)工藝模型結(jié)構(gòu)樹中節(jié)點或者初始化工藝規(guī)程樹中節(jié)點的修改會相互反映至彼此。

2)工藝設計規(guī)程包、封裝。

在生成初始化工藝規(guī)程樹的基礎上，在可視化窗口中創(chuàng)建工序工步節(jié)點，并將初始化工藝規(guī)程樹下包含的信息分配至相應的節(jié)點，形成成熟工藝規(guī)程樹，成熟工藝規(guī)程樹的節(jié)點中包括配套零部件、裝配資源、工時定額等子節(jié)點。工序工步節(jié)點創(chuàng)建分為 “主動分配”和“被動包含”兩種，“主動分配”即為在選中相應的工藝模型元素后，創(chuàng)建工序工步節(jié)點時分配已選中的元素；“被動包含”為先創(chuàng)建工序工步節(jié)點，再選擇要包含至該節(jié)點的工藝模型元素。裝配資源包括工裝、設備和量具，包括設備型號、資源編號、圖號、存放位置、生產(chǎn)廠家、使用年限、性能參數(shù)等信息，其中設備型號等信息與企業(yè)資源庫中的信息一致。圖6所示為基于雙向映射的工藝規(guī)程樹構(gòu)建過程。

3 結(jié)束語

一份完善的電子裝配工藝文件是電子產(chǎn)品制造過程中進行工藝管理、質(zhì)量管理的依據(jù), 是保證電子裝配產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要文件[5]。通過對電子裝聯(lián)工藝模型構(gòu)建、基于三維模型的電子裝聯(lián)工藝信息表達等的研究，本文提出了三維電子裝聯(lián)工藝文件設計的路徑，重點解決了三維模型構(gòu)建困難、基于三維模型的電子裝聯(lián)工藝信息表達手段弱等問題。通過工藝規(guī)程樹的構(gòu)建，實現(xiàn)了以工藝規(guī)程樹為核心的電子裝聯(lián)工藝信息流的集成組織和管理，滿足了三維電子裝聯(lián)工藝的設計要求。

圖6 基于雙向映射的工藝規(guī)程樹構(gòu)建