PCB装联CAD/CAPP/CAM集成系统 - 文章

PCB装联CAD/CAPP/CAM集成系统

作者：华中理工大学学报

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从CIMS集成的角度来看，当前国内电子产品制造普遍存在以下问题：尽管一些先进的EDA工具和自动化生产设备得到了应用，但却是一群“自动化孤岛”，彼此不能直接地进行信息的传输与交换，需要进行手工的数据输入和编程，尤其是在中小批量的电子产品的制造时，使得设备相当多的时间都处于数据准备阶段，同时由于大量的人工干预导致错误频繁；设计和制造各环节的数据集成度不高，大多数工艺文件的编制也都依靠手工完成，主要根据个人经验，效率低，且因人而异，因此，难以保证规范性。

从上面的问题可以看出电子企业的CIMS工程信息集成的一个主要的瓶颈就在于连接CAD和CAM的中间环节上，需要对CAD/CAPP/CAM系统进行集成，使整个CIMS工程中的数据流畅通无阻。本文针对此情况提出了一种适合国内电子企业实际的CAD/CAPP/CAM集成方法，并重点说明了PCB装联集成系统的设计与实现。

1、PCB装联CAD/CAPP/CAM集成系统的总体结构设计

为了实现全面的集成，最完整的解决方案当然是依据STEP标准来定义综合的产品数据模型以实现完善的数据交换，但完全按照STEP标准来定义数据模型，需要使用许多新的概念与工具，这是一个相对较长和渐进的过程，目前国内电子企业的条件还不成熟。而电子产品的数据交换也还没有一个适应各种设备的统一标准，各种EDA工具和自动化的制造设备都采用各自独立的数据标准，因此，本研究以STEP标准为依据，从庞杂的产品数据中仅抽取与制造过程相关的部分，进行裁剪后定义了一种基于中心数据库的集成数据模型来提供设计、制造以及测试等环节之间的统一的数据交换接口，这在目前的应用水平下是一种结构相对简单，且高效和实用的方案［1］。

整个PCB装联集成系统的结构与功能如图1所示。

图 1　系统的结构与功能

2、中心数据库的设计

中心数据库中的库结构提供了系统各部分进行数据交换的统一的接口，中心数据库中与PCB装联过程相关的信息主要由以下两部分组成。

2.1　PCB的产品设计数据库

PCB的整体设计数据表，用来记录机盘设计、加工一般描述信息。主要字段有（机盘代号，机盘名称，水平尺寸，垂直尺寸，设计软件）。

元件的定位数据表，用来记录PCB板上所有元件的位置描述信息。主要字段有（机盘代号，元件位号，封装库名，元件类型，元件定位的X坐标和Y坐标，元件安装角度）。

元件位号数据表，用来记录PCB板上所有元件显示位号所需的相关数据。主要字段有（机盘代号，元件位号，位号位置的X坐标和Y坐标，位号高度，位号方向）。

引脚网表，用来记录PCB板上所有元件的引脚连接信息。主要字段有（机盘代号，元件位号，引脚标号，连接网名）。

过孔网表，记录PCB板上所有的过孔的信息。主要字段有（机盘代号，过孔名称，连接网名，过孔X坐标和Y坐标，过孔孔径）。

元件封装表，记录所有元件的整体描述。主要字段有（封装名称，安装方式，水平尺寸，垂直尺寸，管脚数目，元件高度，设计软件）。

元件外形数据表，记录元件外形的描述信息。主要字段有（封装名称，设计软件，外形标志，起点X坐标和Y坐标，终点X坐标和Y坐标）。

引脚表，记录每个元件封装引脚的描述信息。主要字段有（封装名称，设计软件，引脚标号，焊盘名称，引脚的X坐标和Y坐标）。

焊盘表，记录各种类型焊盘的描述信息。主要字段有（焊盘名称，焊盘形状，水平尺寸，垂直尺寸，过孔直径，设计软件）。

2.2　PCB装联工艺设计数据库

工序工位表，记录PCB板上每个元件在第几道工序和第几个工位装配。主要字段有（机盘代号，元件位号，工序号，工位号）。

工时定额表，描述每种封装外形的元件的平均装配时间。主要字段有（封装名称，装配时间，设计软件）。

3、各子系统的设计

本集成系统主要包含以下几个子系统，具体设计如下：

3.1　面向CAD的前置数据转换子系统的设计

中心数据库中存储的数据大多是从EDA的设计文件中提取的，系统其他部分的正常运作都依赖于由此系统获取的基础数据。

当前EDA工具生成的PCB设计数据文件的组织方式通常有两种［2］：

a. 对基于PC的中小型EDA工具，产生的PCB设计数据可以从单一的文件中获取，其文件结构是平铺式的，PCB板本身以及板上各元件的信息顺序记录在此设计文件中。
b. 对基于图形工作站的大型EDA工具，产生的PCB设计数据需要从多个彼此联系的文件中获取，总体上各文件间呈层次关系（PCB-元件-焊盘/通孔）。

数据文件是以文本的形式存放的，可定义一套语法规则对数据文件的结构进行描述。利用YACC语法编译工具实现对数据文件的扫描和转换入库程序。这样不但可以避免手工编制分析扫描程序导致的错误，提高数据转换的可靠性，还可以对扫描过程中出现的错误进行定位，发现由于设计文件的内容有错而导致的问题。转换程序与中心数据库的接口可采用ODBC或专用接口。

3.2　工艺决策和工艺文件生成子系统的设计

工艺决策与工艺文件的生成子系统则是完成实际的应用处理的部分，此子系统主要由以下几部分构成。

3.2.1　丝印图编辑器　PCB装联过程中大多数工序都需要PCB的装配图，即EDA术语中所指的丝印图。丝印图编辑器从中心数据库中的PCB产品数据库里读取数据并在非EDA的环境下显示由EDA工具设计的PCB板上的丝印图。不同的EDA工具之间存在着差异，不同的EDA工具中使用的单位、坐标系都可能有所不同。对最终用户 (即工艺设计人员) 必须屏蔽这些差异，使其不用考虑丝印图处理的底层细节。为了能方便地生成指导PCB装联的工艺文件，进行自动/人工的工艺划分，此丝印图编辑器采用了图形对象的网格索引算法。具有对整个丝印图进行任意比例缩放、浏览导航的功能，同时还具有对特定的丝印符号进行选中和着色处理的能力。

3.2.2　工艺规则知识库　本部分中存有当前工艺设计的基本原则和推理规则，它们是从生产实际中提取的知识，也是进行工艺决策基本的约束条件。按照工艺规则和各规则的优先级设定的权值，以及从中心数据库的工时定额表里获取的元件工时定额值，运用前向推理机制就可以对工序的每个工位的要操作的元件进行初步的自动划分，经过测试表明，这种方法基本可以达到要求的工艺设计目标，当然在某些特殊情况下，这种方法可能存在着一些机械性，可以手工使用丝印图编辑器对要调整的地方进行少许调整。工艺决策的结果存储在中心数据库里的工艺设计数据库的工序工位表中。

3.2.3　工艺文件生成器　工艺文件是生产活动的指导书，对于PCB装联过程来说最重要的就是装联路线单（或称工序过程文件）和每道工序上的每个工位上的工艺卡。只需指明要产生的工艺文件的类型，就可从保存工艺决策的结果的工序工位表中选择相应的数据来合成对应的工艺文件的所需数据，并通过丝印图编辑器将工艺文件显示出来或进行硬拷贝。工艺文件版面的设计，一定要符合国家和企业的规范，还要符合工艺设计人员的习惯。

3.3　工艺文件管理子系统的设计

工艺文件中的相关信息存储在中心数据库的工艺设计库里，可以利用工艺文件管理器方便地查看和修改，同时也便于电子文档集中和高效管理。工艺文件管理器实际就是一个常规的数据库查询/修改系统，其处理的主要对象就是工序和工位表，详细说明从略。

3.4　面向CAM的后置数据转换子系统的设计

这部分相对简单，直接将中心数据库中的PCB产品设计数据（如：PCB的长宽、各元件位置坐标值和安装角度、元件焊盘位置的坐标值等）映射到CAM文件中对应的字段即可。关键在于分析清楚各种制造设备的CAM文件的各个字段和控制信息的确切含义，此外要考虑中心数据库中存放的从EDA设计文件中采集的产品数据的格式与CAM文件要求的数据格式之间的差异（如单位、坐标系、字长等）。

参考文献
1　戴　同.CAD/CAPP/CAM基本教程。北京：机械工业出版社，1997.
2　黄沛然.电子CIMS中PCB文件的自动识别及转换.计算机工程与应用，1997 (2)： 25～28(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/22/2004)


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