三维电子装联工艺文件设计方法

程五四，陈兴玉，张红旗，田富君，陈亮希

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)(2.合肥市雷达机电装备先进设计工程技术研究中心，安徽 合肥 230088)(3.中国电子科技集团公司第三十八研究所国家级工业设计中心，安徽 合肥 230088)(4.安徽省技术标准创新基地，安徽 合肥 230088)

电子产品的复杂性和装配精密性的要求，使得电子装联工艺设计的难度较大。现有电子装联工艺基本以二维图纸为核心开展工艺设计，形成二维电子产品工艺作业指导书指导工人装配作业。现有方法缺点如下：一是工艺设计人员无法有效继承和利用三维设计模型中的信息，造成数据传递的断层，其一致性和完整性得不到保证；二是形成的作业指导书一般只包括电子装联工艺作业顺序及方法、产品工艺图片和注意事项，缺少以三维模型为载体的直观形象的电子装联工艺设计方法和环境。

目前，三维工艺设计已成为研究热点，但尚未涉及电子装联工艺设计，究其原因，一是电子产品的零部件种类多样，常规的建模方法难以适用，导致构建电子元器件三维模型的复杂性和难度增加；二是由于电子装联工艺一般包括SMT贴片、焊接、布线和接线等复杂工艺，基于三维模型表达电子装联工艺信息的方法欠缺，研究深度不够，尚未形成相关的专利、论文、软件以及标准和规范等成果。

要解决三维电子装联工艺文件设计的难题，需要解决三维模型构建、基于三维模型的电子装联工艺信息表达等关键问题。三维模型的构建目前有很多方法，如通过二次开发，利用参数化设计基本原理建立元器件库，实现元器件三维模型的参数化构建[1]。本文在其他建模技术的基础上，提出了电子产品逆向三维建模的方法，构建了电子装联工艺模型库，工艺工程师在编制工艺文件时可直接从工艺库模型中调用典型工艺，保证了相同工序的工艺有良好的一致性[2]。

1 设计流程

三维电子装联工艺文件设计流程如图1所示。电子装联工艺模型的构建为三维电子装联工艺文件的设计提供了三维模型基础；基于三维电子装联工艺模型的工艺信息表达，采用基于模型定义(MBD)的形式来表达复杂的电子装联工艺信息；工艺规程树通过结构化的信息，将工艺路线进行有机组织，以便生成面向车间应用的三维化、结构化、同源化的电子装联工艺文件。

图1 工艺文件设计流程

2 关键设计技术及内容

2.1 电子装联工艺模型构建

电子装联工艺模型构建流程如图2所示。

1)通过测量产品实物，获取产品零部件制造几何特征。

基于统一的测量网格环境，对电子产品实物进行测量，生成多视图点云数据，对数据进行处理获取电子零部件制造几何特征，构造电子产品装联模型。

2)将电子产品装联模型与原始设计模型融合形成装联工艺模型。

基于几何特征和点线面元素操作，对装联模型进行工艺层级粒度划分。通过数据转换接口，将划分后的装联模型转换成CAD软件可识别的格式，并与CAD原始设计模型融合进行装配设计，形成装配工艺模型。在典型的电子装联生产环境中，元件放置、检验和测试等各项工艺过程都需要用到CAD提供的数据[3]。根据CAD原始设计模型信息属性模板，对装联模型进行属性赋值和设置，属性主要包括产品信息，零部件的代号、名称、材料、数量等信息。

2.2 电子装联工艺信息表达

1)建立电子装联工艺信息表达规则库。

对电子装联工艺信息的内容、表达形式、表达规则进行研究，构建电子装联工艺信息多形式表达规则库，将信息与信息表达规则库强关联，以便在基于三维模型表达装联工艺信息过程中直接调用和获取信息。具体说来，将信息分为文本类、图形符号类、参数表示类等，并建立对应的文本规则库、图形符号库、参数表示库等。规则库中不仅包含常用的信息，还对信息表达的规则和形式进行了定义。文本库中包含各类常用文本信息，除了技术要求、辅料名称等，还包括基于三维模型表达信息的形式，如文本的属性、文本框的形式等。图形符号库包括信息的内容和表达的图形符号。参数表示库包括参数值和参数符号，如电子装联的级别，包括元件级(Ⅰ级)、插件级(Ⅱ级)、插箱板级(Ⅲ级)和箱柜级(Ⅳ级)，如图3所示。

图2 电子装联工艺模型构建流程

图3示例表示的是：该零部件为插箱板级装联，利用螺钉装联工艺方法，使用了24吋扳手，扭力为200 N。

图3 电子装联工艺信息表达示例

将工艺信息的内容与信息表达规则库强关联，即确定了装联级别、工艺方法、设备、工器具、工艺参数、装配要求等工艺信息，直接按照规则库中设置的规则使用，如确定了元件级(Ⅰ级)装联级别，使用时直接显示“Ⅰ”。

2)三维电子装联工艺信息表达设计及执行。

对于电子元器件的电子装联工艺，如SMT贴片、焊接等的信息表达，方法是在工艺模型上标注电子装联工艺符号、装配尺寸、总体要求、配合形式、装配工艺参数等信息，并在三维模型上标注工艺要求的注释文本或在三维模型上绘制辅助几何图形。电子装联工艺符号以符号化的组合框格来描述电子装联工艺信息，电子装联工艺符号动态地自动生成，能够根据信息类型、信息量大小和信息要素的有无来控制符号的高度、长度，具有自适应、高柔性的特点。电子装联工艺符号中的信息与企业资源库以及工序工步节点属性中对应的信息一致，主要包括装配级别、工艺方法、设备、工器具、工艺参数、装配要求等，如图4所示。

图4 电子装联工艺符号构成示意

电子元器件的电子装联工艺方法，包括压合、螺接、铆接、胶接、绕接、焊接、SMT贴片等，根据电子装联级别的不同，采用的电子装联工艺方法亦不同，应建立与不同装联级别相适应的工艺方法映射关系，并将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[4]。电子装联工艺信息是通过在三维模型上标注电子装联工艺符号来表达的，必要时借助注释文本和辅助几何图形，如在三维模型上绘制十字线“+”的辅助几何图形来标识焊点的位置。焊接装联工艺信息除了包括焊接设备、器具和焊接工艺参数之外，一般还应包括焊接材料、焊剂等信息，并辅助表达焊接检验要求，如无虚焊、漏焊等焊接要求。

针对电子装联工艺中涉及的线缆、管路等特殊零部件，在进行电子装联工艺设计时，形成了线缆、管路等特殊零部件的基于三维模型的悬浮表，如线缆装配时生成的电气装配导线表，内容包括导线编号，颜色，牌号、规格、标准号，总长度、留头长度、剥头长度，起点位号、接点号，终点位号、接点号等信息，如图5所示。

2.3 基于双向映射的工艺规程树构建

1)工艺规程树初始化。

基于电子装联工艺模型结构树双向映射形成初始化工艺规程树，就是在CAD软件中遍历并重构当前窗口中工艺模型的所有节点信息，包括装配体中的零部件、标注的尺寸集、工艺信息表达设计的结果(电子装联工艺符号)、特征、工装模型、制造资源模型等，构建初始化的工艺规程树。重构节点的过程如下：模型中的一级节点进行同结构映射转换，二级及二级以下的节点按照需要选择性地转换，即可以只转换一级节点，而不展开二级及二级以下节点，也可以转换全部的节点。初始化工艺规程树与电子装联工艺模型结构树具有双向映射关系，即电子装联工艺模型结构树中节点或者初始化工艺规程树中节点的修改会相互反映至彼此。

2)工艺设计规程包、封装。

在生成初始化工艺规程树的基础上，在可视化窗口中创建工序工步节点，并将初始化工艺规程树下包含的信息分配至相应的节点，形成成熟工艺规程树，成熟工艺规程树的节点中包括配套零部件、装配资源、工时定额等子节点。工序工步节点创建分为 “主动分配”和“被动包含”两种，“主动分配”即为在选中相应的工艺模型元素后，创建工序工步节点时分配已选中的元素；“被动包含”为先创建工序工步节点，再选择要包含至该节点的工艺模型元素。装配资源包括工装、设备和量具，包括设备型号、资源编号、图号、存放位置、生产厂家、使用年限、性能参数等信息，其中设备型号等信息与企业资源库中的信息一致。图6所示为基于双向映射的工艺规程树构建过程。

3 结束语

一份完善的电子装配工艺文件是电子产品制造过程中进行工艺管理、质量管理的依据, 是保证电子装配产品质量与可靠性的重要文件[5]。通过对电子装联工艺模型构建、基于三维模型的电子装联工艺信息表达等的研究，本文提出了三维电子装联工艺文件设计的路径，重点解决了三维模型构建困难、基于三维模型的电子装联工艺信息表达手段弱等问题。通过工艺规程树的构建，实现了以工艺规程树为核心的电子装联工艺信息流的集成组织和管理，满足了三维电子装联工艺的设计要求。

图6 基于双向映射的工艺规程树构建