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印制电路组装CAPP系统开发 |
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作者：王润孝 赵旭 冯志华 |
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0、前言
在印制电路板组装(PCA)生产中，减少生产准备时间是提高生产率的关键之一，其中很重要的是通过缩短产品制造规程(PMI)工艺文件的准备时间来实现的。PMI包含有工艺流程、材料、机器设备、工艺方法等重要的工艺信息，是保证整个印制电路组装生产顺利进行不可缺少的工艺手册和指南。
过去，PMI的生成都是用手工完成的，工艺人员依据自身的经验，参照以前类似的印制电路组装产品的制造规程，从中选取所需要的工艺信息进行拷贝、粘贴，最后再作一些手工补充输入和编辑修改工作。这样一是速度慢，重复工作；二是手工生成的产品制造规程易出错；三是产品制造规程工艺文件的质量差异大，不稳定，不利于PMI的统一和标准化。因此，开发能迅速方便地生成产品制造规程工艺文件已成为迫切需要解决的关键问题之一。
1、PCA元件信息描述
在机械制造业的组装工艺中，零件通常是指经过机械加工完成的产品，零件信息则包括它的结构、形状、尺寸、公差配合及其他技术要求等。而在PCA工艺中，零件主要指需要安装焊接到印制电路基材上的那些电路器件，例如：电阻、电容、电感、连接器和集成电路芯片等等。印制电路组装的零件信息与机械制造工艺中的零件信息有很大的差别，它主要指上述那些电子元件的机械特性和电气特性。这也是由印制电路组装工艺的特殊性所决定的。
零件信息描述是工艺过程设计系统的前提和基础，是系统设计的首要问题和关键之一。工艺过程设计的目标是确定一个零件的制造过程。因此，零件信息的描述和输入首当其冲。元件的电气特性主要包括元件的特征值、电气参数和元件的极性等，这些都与产品的设计以及产品的测试密切相关。元件的机械特性是与PCA工艺过程设计直接相关的，主要包括元件的封装结构、外形尺寸、引脚信息、重量、材料和包装等信息，与电气特性相比，机械特性显得更为重要。
在印制电路板组装制造业中，工艺工程师们仍然较多地依赖于顾客提供的实物样品，对元件信息的获取仍然是主要采用目视观察和人工查找资料手册的方法，然后在头脑中还原重建产品的设计要求，凭借自己的经验进行工艺过程设计与决策。这样整个工艺过程设计的前期准备工作的时间很长，而且易发生错误和遗漏，缺乏全面考虑和优化。这与PCA产品越来越快的更新换代速度不相适应。元件信息获取的自动化是整个印制电路组装制造业中包括工艺人员在内所有技术人员的迫切需求。
基于PCA的工艺特点，我们认为PCA元件信息的描述方法应具有以下几个特点：①单义性：对元件信息的描述准确简明，无歧义或多义，能够为工艺过程设计系统提供完整可靠的所需信息。②简易性：描述方法简单明了，便于用户理解、掌握和使用。③灵活性：便于用户根据实际需要进行系统的编辑和扩充。
为了满足元件信息描述系统的要求，在PCA实际生产中，常采用下面几种元件信息的输入方法，即特征元件描述法，物料单(BOM)方法，元件库方法以及CAD方法。
(1) 特征元件描述法
如果能为制造者提供全部的元件信息，无疑意义重大。但是，在某些PCA工艺决策系统中，太多的工艺信息有时反而会使决策困难。在这些场合下，工艺人员往往只需要简单扼要的元件信息，或者说通过确定某些典型具有代表性元件的信息，就可以满足工艺过程设计的要求。这就是特征元件描述法。
特征元件是一组彼此相关、具有可以统一描述的工艺信息元件。它是与典型的加工方法集合及加工设备集合对应的。特征元件的定义建立了元件描述和组装加工方法、组装加工设备之间的联系，使得整个工艺设计过程变得简明和方便。根据特征元件的定义，在工艺设计过程中，我们根据不同的工艺特点定义不同的特征元件。例如：①在确定工艺路线时，我们定义的特征元件为：表面安装的片状元件类；表面安装的大规模集成电路元件类；通孔插装的轴向、径向类；分立插装的连接器类。②在进行焊膏模板设计时，我们定义的特征元件为：引脚间距0.40mm类；引脚间距0.63mm类；引脚间距0.63 mm～1.26 mm类；引脚间距大于1.26 mm类。
如上所述，我们采用成组技术来进行特征元件的定义分类，可以在宏观上描述一个元件而无需涉及这个元件细节的信息。有了这些特征元件的信息以后，就足以使我们进行与之对应的工艺过程设计。
(2) 物料单方法
物料单也称元件清单，它是由设计一方提供的PCA产品中所有元件的信息清单。获得批准的供应商清单(AVL)则列出了物料单中元件的获得设计方经审核并获得批准的供应商名单。每当新的PCA产品进行组装生产之前，我们需要由PCA设计方(顾客)提供PCA产品的物料单和供应商清单。
一般来说，物料单主要包括下面几项内容：PCA产品的元件编号；元件描述信息；元件参考位置和元件个数。供应商清单中一般包括获得允许的供应商名称，PCA产品的元件编号和制造厂家元件编号。
通常物料单中有一“描述”栏，它包含了简单扼要的元件信息描述。一般有元件的封装结构、电气特征值、电气参数和引脚数目等。由于PMI自动生成系统只要求根据元件信息进行组装工艺路线设计和工序设计中的工时定额求解，因此，在此系统中可以采用直接读入物料单中元件描述栏中封装信息的方法来实现元件信息的获取。
然而，应注意的是，采用这种方法还不能满足构成一个完整的集成化的印制电路组装CAPP系统的需要，这是因为物料单中元件的信息描述十分简略，仅仅是对元件整体特征的大致描述，至于外形尺寸、引脚间距和重量等具体信息是无法直接从物料单中的元件描述一栏中得知的。因而，采用这种元件信息输入方法无法获得进行元件安装程序设计等具体工序设计所需的元件信息。
(3) 元件库方法
由上所述，欲构造一个完整意义的印制电路组装CAPP系统，直接读取物料单中封装信息的方法并不可取。但我们注意到，物料单和供应商清单中还提供了顾客的PCA产品元件编号和制造厂商的元件编号，而且BOM／AVL中的元件编号具有唯一性：即不同的元件有着不同的元件编号，相同的元件编号总意味着相同的元件。这样就为建立元件库提供了可能性，为我们提供了一种全面元件信息获取的数据库方法。我们可以构造一个通用元件信息数据库(元件库)，将元件的封装结构、外形尺寸、引脚间距、质量、材料和电气特征值等进行PCA工艺过程设计所需的全部元件信息都存放在此元件库中，通过元件编号进行索引和查询。在进行工艺过程设计的时候，依次读入物料单中元件的编号，在元件库中进行“与”、“或”查询，再根据具体工艺设计的要求，从中取出所需的元件信息，进行下一步工艺设计。
(4) CAD方法
CAD方法是元件信息自动获取最理想的方法，也为实现CAD／CAPP／CAM的集成提供了可能性。在一个典型的PCA生产环境中，钎剂印制、元件放置、钎焊、检验和测试等各项工艺过程都需要用到CAD提供的数据。但由于目前电子行业的CAD平台很不统一，CAD数据也没有一个标准的格式。使此种方法亦难以付诸实施。
纵观以上，我们确定将特征元件方法和物料单／供应商清单方法应用于PMI自动生成系统的开发之中，并经过在美国旭电公司马来西亚槟城分公司的试用，取得了良好的实际应用效果。
2、PCA工艺决策系统
PCA工艺过程设计通过其工艺决策系统，运用工艺知识，进行数值计算和逻辑决策，完成各个工艺设计任务，其主要内容包括：组装工艺的设计规划、组装方法的选择、组装工艺路线安排和工序设计等，其实质就是寻求加工对象、加工设备、加工手段之间符合加工规律的“组合与排列”，实现从元件、部件到满足设计要求的最终组件的转变。
PCA工艺设计一般可分为三个层次：元级规划层、工艺决策层和操作层。元级规划是进行工艺设计的全局规划，从整体上控制工艺设计进程。它包括工艺设计任务分解，形成一组基本子任务；工艺知识调度；控制协调基本子任务之间的完成。这实际上是一个动态规划过程。工艺决策就是运用知识，通过工艺决策逻辑，完成各个工艺设计子任务。它包括典型工艺路线获取、工艺路线修订、典型组装指令的获取、组装指令的修订和工艺文件的选取等决策过程。操作层主要构成系统的推理机制，用来处理知识使用、固定算法的实现等问题。在PMI自动生成系统中，主要采用了判定树搜索方式的正向推理方法。工艺路线设计的工作模式和工艺路线设计流程分别见图1和图2所示。
3、计算机辅助产品制造规程的自动生成系统
本文所开发的计算机辅助PMI自动生成系统，通过人机交互输入元件信息或直接读取物料单文件中的元件信息，采用派生式与创成式相结合的方法，完成一般的印制电路板组装产品PMI工艺文件的自动生成，其结构框图如图3所示。
图3 PMI自动生成系统结构图
4、结论
通过将机械制造领域CAPP系统的原理和概念结合印制电路组装(PCA)技术的工艺和技术特点，应用于印制电路组装工艺过程规划(PCA-CAPP)的开发实践，得出以下结论：
(1) 电子制造业的CAPP研究工作刚刚起步，大有可为。
(2) 采用特征元件和物料单／供应商清单方法描述PCA元件信息，简明、有效和实用。
(3) 将派生式和创成式设计原理相结合，构思独特，灵活方便。
(4) 所开发的PMI自动生成系统经应用，取得了令人满意的效果。(end)
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(11/22/2004) |
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