崔曉璐，龍緒明，李新茹，倪偉全，王 帥

(西南交通大學(xué)，成都610031)

表面貼裝技術(shù)SMT技術(shù)已成為國(guó)際上最熱門的新一代電子組裝技術(shù)，被譽(yù)為電子組裝技術(shù)一次革命。SMT虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，即采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，通過(guò)三維模型及動(dòng)畫或虛擬現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)及企業(yè)各級(jí)過(guò)程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過(guò)程，以增強(qiáng)制造過(guò)程各級(jí)的決策與控制能力。虛擬制造是對(duì)已有或未來(lái)的制造活動(dòng)進(jìn)行仿真，它基本上不消耗現(xiàn)實(shí)物質(zhì)資源，所進(jìn)行的過(guò)程是虛擬過(guò)程，所生產(chǎn)的產(chǎn)品也是虛擬的。

由于SMT虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)是在基于計(jì)算機(jī)建模與仿真的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、加工及生產(chǎn)全過(guò)程的模擬仿真，因此利用三維建模軟件 AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、3D MAX，對(duì)SMT生產(chǎn)流水線中的絲印機(jī)、貼片機(jī)、回流焊、波峰焊等設(shè)備進(jìn)行建模及可視化仿真。在模型建造過(guò)程中，通過(guò)對(duì)這些軟件的應(yīng)用，更加充分地了解到他們各自的優(yōu)越性，如AutoCAD的普遍應(yīng)用及其與3DMAX的良好交互性，Pro/Engineer的全相關(guān)性、強(qiáng)大的裝配性，SolidWorks實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型的方便性。通過(guò)對(duì)設(shè)備的建模與動(dòng)畫模擬仿真，能夠直觀形象地了解它們的工作原理與工作過(guò)程，并能透過(guò)各個(gè)視角對(duì)其主要工作結(jié)構(gòu)有更加直觀的認(rèn)識(shí)。同時(shí)在VC平臺(tái)上，采用3D調(diào)用法，將3D MAX與OpenGL相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，更有利于將建模技術(shù)、虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)相結(jié)合，突出其優(yōu)越性。

1 三維建模的基本理論

1.1 幾何建模的基本方法

對(duì)于三維物體建模，幾何建模包括體素和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面：體素，用來(lái)構(gòu)造物體的原子單位，其選取決定建模系統(tǒng)所能構(gòu)造的對(duì)象范圍；結(jié)構(gòu)，用來(lái)決定體素如何組合已購(gòu)成新的對(duì)象。

1.1.1 體素的基本造型理論

1）基本體素引用法：通過(guò)函數(shù)或參數(shù)描述的幾何體，對(duì)基本體素進(jìn)行線性變換可以定義新的形體。這種變化只改變集合形狀，不改變拓?fù)潢P(guān)系，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但表示復(fù)雜形體困難。

2）單元分解法：將立體分解成一些比原立體容易描述的子物體。一般應(yīng)用于產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，是工程分析的基礎(chǔ)。

3）邊界表示法（B-rep）：以物體的邊界為基礎(chǔ)定義和描述幾何形體的方法，并能給出完整的界面描述，是采用最為廣泛的方法。

4）體素構(gòu)造法（CSG）：用系統(tǒng)定義的簡(jiǎn)單幾何形體（體素）經(jīng)正則集合運(yùn)算，構(gòu)造出所需的復(fù)雜實(shí)體。

5)掃描表示法：二維圖形在空間沿某一路徑運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的實(shí)體。有3種形式：評(píng)議掃描，旋轉(zhuǎn)掃描，廣義掃描。

1.1.2 建模按結(jié)構(gòu)

1）層次建模方法：利用樹形結(jié)構(gòu)來(lái)表示物體的各個(gè)組成部分。樹形結(jié)構(gòu)不僅提供了一種簡(jiǎn)便的、自然的分割復(fù)雜物體的方法，而且對(duì)模型的修改也是十分有利的。

2）屬主建模方法：思想是讓同一種對(duì)象擁有同一個(gè)屬主，屬主包含了該類對(duì)象的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)要建立某個(gè)屬主的一個(gè)實(shí)例時(shí)，只要復(fù)制指向?qū)僦鞯闹羔樇纯?。其主要?yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、高效、易于修改、一致性好。

1.2 建模軟件

1）AutoCAD：AutoCAD是當(dāng)今最流行的二維繪圖軟件，具有強(qiáng)大的二維功能，如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標(biāo)注以及二次開發(fā)等功能，同時(shí)有部分三維功能。而這些功能及使用方法是比較容易掌握的，利用其三維建模功能建立立體模型。

2）SolidWorks：SolidWorks 可 以 十 分 方 便 地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型、復(fù)雜裝配和生成工程圖。圖形界面友好，容易上手掌握。

3）Pro/Engineer：Pro/Engineer 系統(tǒng)主要功 能：（1）真正的全相關(guān)性；（2）具有真正管理并發(fā)進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)并行工程的能力；（3）具有強(qiáng)大的裝配功能，能夠始終保持設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖；（4）容易使用，極大地提高設(shè)計(jì)效率。Pro/Engineer系統(tǒng)用戶界面簡(jiǎn)潔，概念清晰，符合工程人員的設(shè)計(jì)思想和習(xí)慣。

4）3DMAX：3DMAX的功能強(qiáng)大，內(nèi)置工具十分豐富，同時(shí)外置接口也很多，命令簡(jiǎn)單明了，易于掌握。3DS Studio的算法很先進(jìn)，所帶來(lái)的質(zhì)感和圖形工作站制作的圖形幾乎沒(méi)有差別，可存儲(chǔ)32位真彩圖像，其強(qiáng)大的功能使它成為PC三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的首選軟件。

1.3 3DS文件

物體的層次結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，場(chǎng)景中給予每個(gè)物體一個(gè)數(shù)字以標(biāo)示其在場(chǎng)景樹中的順序。相應(yīng)的，3DS文件中也用相同的方法標(biāo)示了物體在場(chǎng)景樹中的位置。

3DS文件有許多塊組成，每個(gè)塊首先描述其信息類別，即該塊是如何組成的。塊的信息類別用ID來(lái)標(biāo)識(shí)，塊還包含了下一個(gè)塊的相對(duì)位置信息。與許多文件格式一樣，3DS二進(jìn)制文件中的數(shù)據(jù)也是按低位在前、高位在后的方式組織的。

圖1 絲印機(jī)

圖2 貼片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)

2 SMT可視化建模與仿真

根據(jù)組裝對(duì)象不同，SMT有多種工藝流程，一般單面組裝的典型工藝流程為:上料→涂布→貼片→回流焊→清洗→測(cè)試→下料；生產(chǎn)流水線則包括送料機(jī)，印刷機(jī)，點(diǎn)膠機(jī)，高速機(jī)，貼片機(jī)，回流焊，收料機(jī)。

2.1 絲印機(jī)的建模

采用層次建模方法，同時(shí)利用AutoCAD普遍應(yīng)用及其與3DMAX的良好交互性的特點(diǎn)，對(duì)絲印機(jī)進(jìn)行三維立體建模及動(dòng)畫模擬仿真。

絲印機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有精確的光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)、印刷頭、x-y-θ平臺(tái)、PCB定位系統(tǒng)、鋼網(wǎng)夾緊結(jié)構(gòu)和自動(dòng)清洗系統(tǒng)、電氣結(jié)構(gòu)、人性化中/英文操作接口等7大部分。針對(duì)這些結(jié)構(gòu)，利用Auto-CAD完成絲網(wǎng)印刷機(jī)靜態(tài)的建模工作。將其模型導(dǎo)入3DMAX中，進(jìn)行動(dòng)畫仿真：光學(xué)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)的精確識(shí)別，刮刀的壓力、升降速度、印刷速度、印刷范圍均軟件可調(diào)，通過(guò)x-y-θ三個(gè)方向的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)校位。如圖1所示。

2.2 貼片機(jī)的建模

通 過(guò) 利 用 AutoCAD，Pro/Engineer，Solid-Works，3D MAX等三維建模軟件，分別對(duì)轉(zhuǎn)塔式、動(dòng)臂式、旋轉(zhuǎn)式貼片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖2所示。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)式貼片機(jī)的建模

主要采用Pro/Engineer進(jìn)行動(dòng)臂式貼片機(jī)的建模。由于動(dòng)臂式貼片機(jī)的曲線機(jī)構(gòu)較多，特別是供料器與貼片頭的弧度設(shè)計(jì)，利用Pro/Engineer的全相關(guān)性，有利于各個(gè)元件參數(shù)的修改與模擬，將會(huì)具有較高的仿真程度。同時(shí)旋轉(zhuǎn)式貼片機(jī)具有兩個(gè)貼片頭并行工作，并且每個(gè)貼片頭安裝的吸嘴數(shù)量較多。另外Pro/Engineer具有強(qiáng)大的裝配功能，能夠?qū)崿F(xiàn)管理并發(fā)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)并行工程。

在動(dòng)畫制作上，旋轉(zhuǎn)式貼片機(jī)通過(guò)兩個(gè)方向的絲桿傳動(dòng)，以及貼片頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)了芯片的高速吸取貼裝工作，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)式貼片機(jī)

2.2.2 動(dòng)臂式貼片機(jī)的建模

基于層次建模法，通過(guò)AutoCAD進(jìn)行動(dòng)臂式貼片機(jī)的三維建模。將動(dòng)臂式貼片機(jī)采用單元分解法分解為各個(gè)元素模塊，利用CAD的簡(jiǎn)單幾何模型進(jìn)行各個(gè)模塊的簡(jiǎn)化，同時(shí)利用CAD與3D MAX工作平臺(tái)的交互聯(lián)系，進(jìn)行模型的導(dǎo)入與動(dòng)畫的仿真制作。

建模過(guò)程中，特別針對(duì)動(dòng)臂式貼片機(jī)的絲桿傳動(dòng)裝置進(jìn)行相應(yīng)的繪制，通過(guò)xy方向的絲桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)貼裝頭的移動(dòng)工作，通過(guò)貼裝頭上的攝像頭確認(rèn)貼裝位置的定位后，z方向的絲桿使貼裝頭上下移動(dòng)，完成元件的貼裝工作。

制作動(dòng)畫仿真時(shí)，需將CAD文檔導(dǎo)入3D MAX空間坐標(biāo)系統(tǒng)中，將自身融入虛擬空間中，選擇合適的視角，進(jìn)行動(dòng)畫的仿真制作。從PCB板傳輸定位模塊，拾片模塊，貼片模塊，軌跡運(yùn)動(dòng)模塊進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫仿真模擬，通過(guò)三個(gè)絲桿的同時(shí)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了貼片頭的移動(dòng)、攝像頭的對(duì)光、以及芯片的吸取和安放等動(dòng)作，如圖4所示。

圖4 動(dòng)臂式貼片機(jī)

2.2.3 轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的建模

轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)共創(chuàng)建了18個(gè)不同的貼片頭，一邊取料，一邊貼片，結(jié)合PCB印刷板軌道的變位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了貼片的高速運(yùn)行。利用SolidWorks針對(duì)貼片頭的仿真建模，突出體現(xiàn)轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合SolidWork中的運(yùn)動(dòng)仿真分析，實(shí)現(xiàn)了貼片頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，吸嘴的依次吸取運(yùn)動(dòng)，xy軌道的變動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)

2.3 回流焊的建模

回流焊主要由機(jī)箱外殼，加熱系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)三部分組成。在加熱系統(tǒng)中，通過(guò)3D MAX的渲染仿真，體現(xiàn)了預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)的獨(dú)立控溫加熱區(qū)段。在傳輸系統(tǒng)中，采用鏈條式結(jié)構(gòu)，其鏈條寬度可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同PCB板寬度的要求。如圖6所示。

圖6 回流焊

2.4 波峰焊的建模

波峰焊的主要結(jié)構(gòu)包含噴霧部分，由紅外線燈管與高溫玻璃、石英發(fā)熱管和微熱風(fēng)式三部分組成的預(yù)熱部分及亂峰與平峰構(gòu)成的雙波峰部分。

利用SolidWorks能夠方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維零件實(shí)體造型，較為方便地進(jìn)行復(fù)雜裝配的特性，完成波峰焊的三維立體建模，同時(shí)應(yīng)用該軟件完成動(dòng)畫仿真。經(jīng)過(guò)預(yù)熱部分、亂峰、平峰，PCB板上的各個(gè)管腳達(dá)到充分的接觸、整形，使PCB板的效果更加理想，如圖7所示。

圖7 波峰焊

2.5 人機(jī)交互界面

利用OpenGL將三維建模與編程操控界面相結(jié)合，將SMT生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)、關(guān)鍵SMT設(shè)備編程、加工過(guò)程可視化仿真集成，以實(shí)現(xiàn)最終的人機(jī)交互界面。由于直接利用OpenGL建模會(huì)非常復(fù)雜，不僅存在數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用問(wèn)題，并且實(shí)時(shí)性很差。而采用3D調(diào)用法，將3D MAX與OpenGL相結(jié)合，更有利于將建模技術(shù)、虛擬技術(shù)、仿真技術(shù)相結(jié)合，突出其優(yōu)越性。采用3D MAX交互式建模工具完成各類器件的建模，然后將其存儲(chǔ)為通用的圖形數(shù)據(jù)格式3DS輸出，以O(shè)penGL為工具，開發(fā)PCB設(shè)計(jì)的虛擬仿真，通過(guò)調(diào)用OpenGL各坐標(biāo)變換函數(shù)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)三維實(shí)體模塊分別控制，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，達(dá)到人機(jī)交互界面。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用三維建模軟件 AutoCAD、Solid-Works、Pro/Engineer、3D MAX 對(duì) SMT 生產(chǎn)線中的一些設(shè)備進(jìn)行建模及動(dòng)畫仿真，這能夠在一定程度上給人視覺(jué)上形象直觀化的了解，更方便于對(duì)設(shè)備的工作原理及工作過(guò)程的認(rèn)識(shí)；同時(shí)利用3D調(diào)用法將其所建模型導(dǎo)成3DS文件格式，便于3D MAX與OpenGL的結(jié)合，對(duì)PCB板設(shè)計(jì)的虛擬仿真等后續(xù)工作起到一定的作用。

SMT貼片機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)能夠在一定程度上便于高校的教學(xué)工作以及企業(yè)的員工職業(yè)培訓(xùn)，對(duì)企業(yè)與國(guó)家的資源起到一定的合理分配性及節(jié)約性。但我國(guó)在SMT虛擬樣機(jī)的研究還處于初級(jí)階段，需要不斷地學(xué)習(xí)與研發(fā)。

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