SMT虚拟样机可视化建模与仿真

崔晓璐，龙绪明，李新茹，倪伟全，王 帅

(西南交通大学，成都610031)

表面贴装技术SMT技术已成为国际上最热门的新一代电子组装技术，被誉为电子组装技术一次革命。SMT虚拟样机的设计，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造是对已有或未来的制造活动进行仿真，它基本上不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。

由于SMT虚拟样机的设计是在基于计算机建模与仿真的平台上，实现产品的设计、开发、加工及生产全过程的模拟仿真，因此利用三维建模软件 AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、3D MAX，对SMT生产流水线中的丝印机、贴片机、回流焊、波峰焊等设备进行建模及可视化仿真。在模型建造过程中，通过对这些软件的应用，更加充分地了解到他们各自的优越性，如AutoCAD的普遍应用及其与3DMAX的良好交互性，Pro/Engineer的全相关性、强大的装配性，SolidWorks实现复杂的三维零件实体造型的方便性。通过对设备的建模与动画模拟仿真，能够直观形象地了解它们的工作原理与工作过程，并能透过各个视角对其主要工作结构有更加直观的认识。同时在VC平台上，采用3D调用法，将3D MAX与OpenGL相结合，能够实现友好的人机交互界面，更有利于将建模技术、虚拟技术、仿真技术相结合，突出其优越性。

1 三维建模的基本理论

1.1 几何建模的基本方法

对于三维物体建模，几何建模包括体素和结构两个方面：体素，用来构造物体的原子单位，其选取决定建模系统所能构造的对象范围；结构，用来决定体素如何组合已购成新的对象。

1.1.1 体素的基本造型理论

1）基本体素引用法：通过函数或参数描述的几何体，对基本体素进行线性变换可以定义新的形体。这种变化只改变集合形状，不改变拓扑关系，简单易实现，但表示复杂形体困难。

2）单元分解法：将立体分解成一些比原立体容易描述的子物体。一般应用于产品的内部结构分析，是工程分析的基础。

3）边界表示法（B-rep）：以物体的边界为基础定义和描述几何形体的方法，并能给出完整的界面描述，是采用最为广泛的方法。

4）体素构造法（CSG）：用系统定义的简单几何形体（体素）经正则集合运算，构造出所需的复杂实体。

5)扫描表示法：二维图形在空间沿某一路径运动产生的实体。有3种形式：评议扫描，旋转扫描，广义扫描。

1.1.2 建模按结构

1）层次建模方法：利用树形结构来表示物体的各个组成部分。树形结构不仅提供了一种简便的、自然的分割复杂物体的方法，而且对模型的修改也是十分有利的。

2）属主建模方法：思想是让同一种对象拥有同一个属主，属主包含了该类对象的详细结构，当要建立某个属主的一个实例时，只要复制指向属主的指针即可。其主要优点是：简单、高效、易于修改、一致性好。

1.2 建模软件

1）AutoCAD：AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，具有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。而这些功能及使用方法是比较容易掌握的，利用其三维建模功能建立立体模型。

2）SolidWorks：SolidWorks 可 以 十 分 方 便 地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，容易上手掌握。

3）Pro/Engineer：Pro/Engineer 系统主要功 能：（1）真正的全相关性；（2）具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；（3）具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；（4）容易使用，极大地提高设计效率。Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想和习惯。

4）3DMAX：3DMAX的功能强大，内置工具十分丰富，同时外置接口也很多，命令简单明了，易于掌握。3DS Studio的算法很先进，所带来的质感和图形工作站制作的图形几乎没有差别，可存储32位真彩图像，其强大的功能使它成为PC三维动画设计的首选软件。

1.3 3DS文件

物体的层次结构并不复杂，场景中给予每个物体一个数字以标示其在场景树中的顺序。相应的，3DS文件中也用相同的方法标示了物体在场景树中的位置。

3DS文件有许多块组成，每个块首先描述其信息类别，即该块是如何组成的。块的信息类别用ID来标识，块还包含了下一个块的相对位置信息。与许多文件格式一样，3DS二进制文件中的数据也是按低位在前、高位在后的方式组织的。

图1 丝印机

图2 贴片机的内部结构和外部结构

2 SMT可视化建模与仿真

根据组装对象不同，SMT有多种工艺流程，一般单面组装的典型工艺流程为:上料→涂布→贴片→回流焊→清洗→测试→下料；生产流水线则包括送料机，印刷机，点胶机，高速机，贴片机，回流焊，收料机。

2.1 丝印机的建模

采用层次建模方法，同时利用AutoCAD普遍应用及其与3DMAX的良好交互性的特点，对丝印机进行三维立体建模及动画模拟仿真。

丝印机的主要结构有精确的光学视觉系统、印刷头、x-y-θ平台、PCB定位系统、钢网夹紧结构和自动清洗系统、电气结构、人性化中/英文操作接口等7大部分。针对这些结构，利用Auto-CAD完成丝网印刷机静态的建模工作。将其模型导入3DMAX中，进行动画仿真：光学视觉系统进行点的精确识别，刮刀的压力、升降速度、印刷速度、印刷范围均软件可调，通过x-y-θ三个方向的移动来实现平台校位。如图1所示。

2.2 贴片机的建模

通 过 利 用 AutoCAD，Pro/Engineer，Solid-Works，3D MAX等三维建模软件，分别对转塔式、动臂式、旋转式贴片机的内部结构和外部结构进行建模，如图2所示。

2.2.1 旋转式贴片机的建模

主要采用Pro/Engineer进行动臂式贴片机的建模。由于动臂式贴片机的曲线机构较多，特别是供料器与贴片头的弧度设计，利用Pro/Engineer的全相关性，有利于各个元件参数的修改与模拟，将会具有较高的仿真程度。同时旋转式贴片机具有两个贴片头并行工作，并且每个贴片头安装的吸嘴数量较多。另外Pro/Engineer具有强大的装配功能，能够实现管理并发进程，实现并行工程。

在动画制作上，旋转式贴片机通过两个方向的丝杆传动，以及贴片头的转动，共同实现了芯片的高速吸取贴装工作，如图3所示。

图3 旋转式贴片机

2.2.2 动臂式贴片机的建模

基于层次建模法，通过AutoCAD进行动臂式贴片机的三维建模。将动臂式贴片机采用单元分解法分解为各个元素模块，利用CAD的简单几何模型进行各个模块的简化，同时利用CAD与3D MAX工作平台的交互联系，进行模型的导入与动画的仿真制作。

建模过程中，特别针对动臂式贴片机的丝杆传动装置进行相应的绘制，通过xy方向的丝杆传动实现贴装头的移动工作，通过贴装头上的摄像头确认贴装位置的定位后，z方向的丝杆使贴装头上下移动，完成元件的贴装工作。

制作动画仿真时，需将CAD文档导入3D MAX空间坐标系统中，将自身融入虚拟空间中，选择合适的视角，进行动画的仿真制作。从PCB板传输定位模块，拾片模块，贴片模块，轨迹运动模块进行了运动的动画仿真模拟，通过三个丝杆的同时传动实现了贴片头的移动、摄像头的对光、以及芯片的吸取和安放等动作，如图4所示。

图4 动臂式贴片机

2.2.3 转塔式贴片机的建模

转塔式贴片机共创建了18个不同的贴片头，一边取料，一边贴片，结合PCB印刷板轨道的变位移动，实现了贴片的高速运行。利用SolidWorks针对贴片头的仿真建模，突出体现转塔式贴片机的工作机构，同时结合SolidWork中的运动仿真分析，实现了贴片头的旋转运动，吸嘴的依次吸取运动，xy轨道的变动运动，如图5所示。

图5 转塔式贴片机

2.3 回流焊的建模

回流焊主要由机箱外壳，加热系统，传输系统三部分组成。在加热系统中，通过3D MAX的渲染仿真，体现了预热区、保温区、回流区、冷却区的独立控温加热区段。在传输系统中，采用链条式结构，其链条宽度可调节，以适应不同PCB板宽度的要求。如图6所示。

图6 回流焊

2.4 波峰焊的建模

波峰焊的主要结构包含喷雾部分，由红外线灯管与高温玻璃、石英发热管和微热风式三部分组成的预热部分及乱峰与平峰构成的双波峰部分。

利用SolidWorks能够方便地实现复杂的三维零件实体造型，较为方便地进行复杂装配的特性，完成波峰焊的三维立体建模，同时应用该软件完成动画仿真。经过预热部分、乱峰、平峰，PCB板上的各个管脚达到充分的接触、整形，使PCB板的效果更加理想，如图7所示。

图7 波峰焊

2.5 人机交互界面

利用OpenGL将三维建模与编程操控界面相结合，将SMT生产线工艺设计、关键SMT设备编程、加工过程可视化仿真集成，以实现最终的人机交互界面。由于直接利用OpenGL建模会非常复杂，不仅存在数据库的调用问题，并且实时性很差。而采用3D调用法，将3D MAX与OpenGL相结合，更有利于将建模技术、虚拟技术、仿真技术相结合，突出其优越性。采用3D MAX交互式建模工具完成各类器件的建模，然后将其存储为通用的图形数据格式3DS输出，以OpenGL为工具，开发PCB设计的虚拟仿真，通过调用OpenGL各坐标变换函数最终实现对各个三维实体模块分别控制，实现虚拟仿真，达到人机交互界面。

3 结束语

本文利用三维建模软件 AutoCAD、Solid-Works、Pro/Engineer、3D MAX 对 SMT 生产线中的一些设备进行建模及动画仿真，这能够在一定程度上给人视觉上形象直观化的了解，更方便于对设备的工作原理及工作过程的认识；同时利用3D调用法将其所建模型导成3DS文件格式，便于3D MAX与OpenGL的结合，对PCB板设计的虚拟仿真等后续工作起到一定的作用。

SMT贴片机虚拟样机的设计能够在一定程度上便于高校的教学工作以及企业的员工职业培训，对企业与国家的资源起到一定的合理分配性及节约性。但我国在SMT虚拟样机的研究还处于初级阶段，需要不断地学习与研发。

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