李福勇，蔣慶磊，張成浩，郭永釗

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

高密度板級(jí)電路裝配過程包括焊膏涂覆、器件貼裝、回流焊接、光學(xué)檢查、清洗、壓接、手工焊接、波峰焊接等多個(gè)工序，其工藝編制所涉及的知識(shí)和信息量龐大，工藝設(shè)計(jì)是嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的過程。隨著軍用電子裝備向小型化、輕型化、多功能化方向發(fā)展，其板級(jí)電路的復(fù)雜度、集成度以及器件種類和數(shù)量越來越多，裝配難度不斷提升，同時(shí)對裝配質(zhì)量、一次裝配成功率要求不斷提高，給工藝設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

作為連接設(shè)計(jì)與制造的橋梁與紐帶，工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，是特征提取、歸納、總結(jié)、分析、決策等多種過程的整合，對工藝人員的要求非常高，具有明顯的知識(shí)密集型特征。該過程需要將工藝專家頭腦中的操作技巧、工藝經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)訣竅總結(jié)歸納，并通過知識(shí)的形式傳遞重用，輔助工藝決策；因此，工藝方法、工藝路線以及工藝參數(shù)的自動(dòng)生成（即智能工藝設(shè)計(jì)），是自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵信息技術(shù)。然而，當(dāng)前成熟的智能工藝及仿真系統(tǒng)主要集中在機(jī)加工、機(jī)械裝配等領(lǐng)域，在復(fù)雜電子組件裝焊方面暫未涉及。本文針對高密度板級(jí)電路流程長、工藝復(fù)雜、跨單元跨工序多的特點(diǎn)，開展基于規(guī)則的工藝決策技術(shù)研究，解決傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)效率低、人工經(jīng)驗(yàn)依賴度高、指導(dǎo)性不足等問題。

2 知識(shí)分類表達(dá)與知識(shí)庫設(shè)計(jì)

知識(shí)是人類對物質(zhì)世界以及精神世界探索的結(jié)果總和，是經(jīng)過整理、轉(zhuǎn)化、解釋、定義的信息[1]。工藝知識(shí)是指在需求分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、方案論證、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)等產(chǎn)品全生命周期內(nèi)與工藝相關(guān)的知識(shí)[2]。工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何獲取工藝知識(shí)，沒有工藝知識(shí)的支撐，工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)將是空中樓閣，無法解決設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的問題。工藝知識(shí)獲取的任務(wù)就是將工藝設(shè)計(jì)過程中所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)、訣竅、規(guī)則和典型案例提取分析概括成知識(shí)進(jìn)行表達(dá)。

在基于規(guī)則的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，工藝知識(shí)表達(dá)模型必須完整、有效地描述工藝設(shè)計(jì)過程中所需要的各類知識(shí)，從而為工藝設(shè)計(jì)問題求解提供支持[3]?；诠に囋O(shè)計(jì)的特征，知識(shí)表達(dá)模型既要包含元器件的本征信息，也要涵蓋生產(chǎn)相應(yīng)的工藝方法、路線、參數(shù)、規(guī)則信息。

2.1 工藝知識(shí)分類

工藝知識(shí)主要來源于：工藝專家頭腦中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，包括工藝方法的選取、工藝路線的決策、工藝參數(shù)的確定等；工藝技術(shù)研究過程中產(chǎn)生的新技術(shù)、新工藝、新材料等；工藝設(shè)計(jì)每一個(gè)環(huán)節(jié)中工藝專家的決策活動(dòng)所形成的工藝規(guī)則知識(shí)，如工藝方法選擇、工藝路線規(guī)劃、工藝參數(shù)匹配等。

以高密度板級(jí)電路裝焊工藝流程為主線，對工藝知識(shí)進(jìn)行分類組織，主要分為工藝基礎(chǔ)類知識(shí)、工藝決策類知識(shí)。結(jié)合高密度板級(jí)電路的典型特征，梳理元器件的基本屬性、工藝材料的本征特性、工藝方法、工藝裝備資料、典型工藝參數(shù)等知識(shí)，作為工藝決策的基礎(chǔ)；結(jié)合高密度板級(jí)電路工藝技術(shù)體系，梳理高密度微波組件裝焊工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域涉及到的手冊、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等資料，以及工程師/專家經(jīng)驗(yàn)、操作技巧和技術(shù)訣竅等經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)判斷性規(guī)則知識(shí)的獲取。

2.2 知識(shí)的表達(dá)與知識(shí)庫建立

知識(shí)表達(dá)是將關(guān)于世界的信息表示為符合機(jī)器處理的模式，用于模擬人對世界的認(rèn)知和推理，以解決人工智能中的復(fù)雜任務(wù)，通過某種約定的架構(gòu)和語言，對知識(shí)進(jìn)行規(guī)范化描述，即知識(shí)符號(hào)化的過程[4]。工藝知識(shí)獲取的過程是確定工藝知識(shí)表達(dá)方式、收集歸納整理工藝知識(shí)、知識(shí)分類編碼、輸入知識(shí)庫的過程。高密度板級(jí)電路工藝決策中知識(shí)庫的設(shè)計(jì)關(guān)系到工藝設(shè)計(jì)的成敗，直接影響到工藝決策過程的準(zhǔn)確性，知識(shí)庫包括元器件基礎(chǔ)知識(shí)庫、工藝路線庫、工藝參數(shù)庫以及工藝規(guī)則庫。

（1）元器件知識(shí)庫

高密度板級(jí)電路中，存在上百種元器件，各類封裝的元器件屬性直接決定了工藝方法的選擇、工藝路線的排序以及工藝參數(shù)的確定。元器件屬性所包含的知識(shí)具有查詢類特點(diǎn)，屬于靜態(tài)描述性知識(shí)，采用特征形式進(jìn)行表達(dá)，即物資編碼（ID）、屬性（Type）以及內(nèi)容（Content）。元器件知識(shí)庫如圖1所示。

圖1 元器件知識(shí)庫

物資編碼——特征ID，用于可以表征產(chǎn)品的元器件信息，對于后期對產(chǎn)品進(jìn)行比對聚類有著重要意義。

屬性——特征類型，封裝類型、濕敏等級(jí)、耐溫性等元器件所具有的特征類型。

內(nèi)容——屬性內(nèi)容，與特征類型相對應(yīng)的特征內(nèi)容，濕敏等級(jí)為3級(jí)、不可清洗的等元器件屬性具體特征內(nèi)容。

（2）工序元集合庫

根據(jù)高密度板級(jí)電路的元器件種類、印制板特征、元器件布局等，確定工藝方法、工藝流程，采用工序編碼（Number）、工序名稱（Name）、工序內(nèi)容（Content）形式確定工序元集合。

工序編碼——特征Number，定義其在工藝流程中的優(yōu)先級(jí)，用來進(jìn)行檢索與映射，為基于規(guī)則的工序選擇與排列服務(wù)。

工序名稱——定義各個(gè)環(huán)節(jié)的工序名稱，以便于根據(jù)規(guī)則進(jìn)行相似度計(jì)算，匹配相似工序元，如齊套、烘烤、SMT、植柱、清洗等。

工序內(nèi)容——定義每個(gè)工序元中所涉及的工步、設(shè)備、工具、材料等相關(guān)信息，用來描述工序操作過程中的屬性，如焊接溫度、力矩要求等。

（3）工藝參數(shù)庫

工藝參數(shù)庫維護(hù)了最完整的工步標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語和工步關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)據(jù)庫由若干個(gè)表組成，每一個(gè)表的名稱即為工藝基礎(chǔ)庫中工藝ID，采用工步名稱（Name）、工步編碼（ID）、工步內(nèi)容（Content）、判斷屬性（Decision）形式。

工步名稱——定義每個(gè)工序中工步名稱，并基于規(guī)則與元器件屬性庫進(jìn)行相似計(jì)算，以便于進(jìn)一步進(jìn)行相似度匹配，如來料檢查、烙鐵溫度設(shè)置等。

工步編碼——特征ID，用來進(jìn)行檢索與比對，為基于規(guī)則的工步選擇與排列服務(wù)。

工步內(nèi)容——包括工步標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，用來描述工步加工過程中的屬性內(nèi)容，如防靜電要求、抬高裝配要求等。

判斷屬性——根據(jù)規(guī)則判斷工步的有無及排序。

（4）工藝規(guī)則庫

工藝規(guī)則為工藝決策類知識(shí)，屬于判斷性和模糊類知識(shí)，為動(dòng)態(tài)知識(shí)，采用產(chǎn)生式表示法進(jìn)行表達(dá)。工藝規(guī)則庫定義了產(chǎn)品和工藝規(guī)則的關(guān)聯(lián)關(guān)系描述，其數(shù)據(jù)庫由若干個(gè)表組成，每一個(gè)表的名稱即為工藝基礎(chǔ)庫中工藝ID，例如對于典型工藝“裝焊”，工序ID為10的工序是否為產(chǎn)品必須項(xiàng)的規(guī)則，例如對于一個(gè)產(chǎn)品是否需要裝焊工序，只需要判斷其010屬性（插件器件數(shù)量）是否大于0，即可得出結(jié)果。如IF{插件器件數(shù)量>0}THEN {焊裝}；IF{濕敏器件數(shù)量>0} THEN {烘烤}。

3 工藝決策

高密度板級(jí)電路工藝決策過程中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)形態(tài)，結(jié)合工藝需求特征，通過基于規(guī)則的推理求解出與其相關(guān)的知識(shí)集合，其中包括工藝方法、工藝路線、工藝參數(shù)等。高密度板級(jí)電路工藝決策過程包括：裝配工序元確定、工藝路線推理、工序評(píng)估優(yōu)化階段、工藝參數(shù)分析、選擇階段等。以下為具體的工藝決策方法解析。

3.1 工藝路線決策

工藝路線是工藝設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工作，對高密度板級(jí)電路的工藝性、質(zhì)量、成本和性能等都有重要影響?；诎寮?jí)電路及其器件參數(shù)化特征，實(shí)現(xiàn)特征和規(guī)則的工序元（齊套、貼片、回流焊接、裝配等）集合生成；采用規(guī)則推理技術(shù)，基于工序元約束、工序關(guān)系約束等，實(shí)現(xiàn)工藝路線智能決策。

（1）工序元集合生成

根據(jù)從BOM中獲取的器件信息，通過器件知識(shí)庫和器件規(guī)則庫的匹配，識(shí)別出器件或者部件所需要的加工工序元。然后通過將所有器件對應(yīng)的工序元進(jìn)行合并去重，形成該產(chǎn)品的工序元集合。

以某典型產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品包括了表貼電容、插件電阻、BGA、LGA、光口、導(dǎo)線等100多種器件，對于工序元的識(shí)別過程如圖2所示。對于可以采用物資編碼進(jìn)行檢索的，采用精準(zhǔn)匹配的方式根據(jù)器件知識(shí)庫生成該器件的工序元集合。對于無法采用物資編碼進(jìn)行檢索的，以此按照一級(jí)封裝類型、二級(jí)封裝類型并結(jié)合器件基礎(chǔ)信息進(jìn)行做出判斷，對于無法判斷的通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行確認(rèn)。在工序元中包含了工序元的基本特征，只有當(dāng)工序元及其基本特征完整匹配的時(shí)候方可進(jìn)行合并。比如烘烤{60，90}代表60℃條件下烘烤90小時(shí)，而烘烤{120，48}代表120℃條件下烘烤48小時(shí)。最后將各個(gè)期間的工序元集合進(jìn)行合并去重形成產(chǎn)品的工序元集合。

（2）工藝路線推理

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等建立規(guī)則，在知識(shí)庫內(nèi)存儲(chǔ)的規(guī)則通過IF…THEN的形式進(jìn)行表達(dá)；基于規(guī)則的核心是演繹推理，利用規(guī)則條件進(jìn)行推理，并計(jì)算和結(jié)論之間的相似程度，根據(jù)相似度大小決定工序元之間的優(yōu)先級(jí)，最終根據(jù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行規(guī)則，具體如圖3所示。

圖3 工藝路線推理

（3）工藝路線評(píng)估優(yōu)化

系統(tǒng)完成工藝路線設(shè)計(jì)后需要對工藝進(jìn)行評(píng)估，修正、優(yōu)化求解結(jié)果，直至滿足實(shí)際的設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求。優(yōu)化過程是對工藝路線的規(guī)劃和表達(dá)產(chǎn)生偏離的解進(jìn)行修正，使系統(tǒng)輸出與設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需求匹配度更高的解。在新解的運(yùn)行和形成過程中進(jìn)行修正，通過插入、刪除、替換工序或者對部分工序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)調(diào)整等方式進(jìn)行優(yōu)化。

裝焊工藝路線修正過程（如圖4所示），根據(jù)評(píng)估結(jié)果提取不滿足生產(chǎn)需求的特征，根據(jù)工藝流程庫、工藝參數(shù)庫以及特征實(shí)例，對存在偏離的工序、工步或工藝參數(shù)進(jìn)行修正、替換；對修正后的決策工藝路線再次評(píng)估，若滿足設(shè)計(jì)要求，則修正結(jié)束，反之根據(jù)工藝規(guī)則庫再次推理，并基于規(guī)則輔助修改，直到工藝路線滿足設(shè)計(jì)需求，能夠知道實(shí)際操作為止。

圖4 工藝路線評(píng)估優(yōu)化過程

3.2 工藝參數(shù)決策

高密度板級(jí)電路生產(chǎn)過程中工具、設(shè)備以及材料使用的工藝參數(shù)（如溫度、時(shí)間、速度、力矩值等）決定了組裝的質(zhì)量和性能。本文針對產(chǎn)品的特征開展工藝參數(shù)決策試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于工藝參數(shù)、元器件等知識(shí)庫和規(guī)則庫以及產(chǎn)品特征參數(shù)，包括焊接溫度、緊固力矩、預(yù)熱溫度、焊接速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝焊工藝參數(shù)的計(jì)算、決策，工藝參數(shù)的決策采用基于規(guī)則和基于實(shí)例的混合推理機(jī)制，流程如圖5所示。

圖5 工藝參數(shù)決策的流程

①根據(jù)待決策的工藝參數(shù)識(shí)別出關(guān)鍵特性，例如螺釘緊固力矩，識(shí)別出關(guān)鍵特性包括螺釘材質(zhì)、螺釘直徑、基體材質(zhì)、螺帽型號(hào)；②根據(jù)關(guān)鍵特性組成關(guān)鍵特性集，利用關(guān)鍵特性集與工藝參數(shù)案例庫匹配推理，關(guān)鍵特性集K={螺釘材質(zhì)，螺釘直徑，基體材質(zhì)，螺帽型號(hào)}；③基于案例推理計(jì)算待決策產(chǎn)品與案例特性的相似度L；④提取相似度超過閾值的案例；⑤對于未超過閾值的，采用基于規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)推理的機(jī)制進(jìn)行工藝參數(shù)的判定；⑥如果案例與產(chǎn)品的特性集相識(shí)度達(dá)到1，則可以直接確定工藝參數(shù)；⑦對于相似度為達(dá)到1的，利用工藝規(guī)則庫，基于規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)推理的方式對工藝參數(shù)進(jìn)行決策，最終確定工藝參數(shù)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以軍用高密度板級(jí)電路為例，在進(jìn)行智能工藝決策時(shí)，首先通過板級(jí)電路的編號(hào)，提取板級(jí)電路的BOM信息，根據(jù)元器件知識(shí)庫、工序元集合庫以及工藝規(guī)則庫，形成工藝路線決策，再結(jié)合工藝參數(shù)庫以及相應(yīng)決策規(guī)則，形成工藝參數(shù)決策，最終完成工藝決策。實(shí)例驗(yàn)證表明，高密度板級(jí)電路可基于規(guī)則快速生成工藝路線以及工藝參數(shù)，為智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立提供條件。

5 結(jié)束語

高密度板級(jí)電路裝配具有物料數(shù)量和品種多、裝配工序多以及流程復(fù)雜等特點(diǎn)，隨著電子產(chǎn)品的復(fù)雜度、集成度在不斷增加，工藝設(shè)計(jì)過程對工藝人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)掌握要求越來越高。本文針對傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)過程中存在的系列問題，開展了工藝知識(shí)獲取、分類以及表達(dá)方式的相關(guān)研究，并基于高密度板級(jí)電路及其器件參數(shù)化特征，建立了一套基于特征的裝配方法集和工序組合規(guī)則，基于不同工序特點(diǎn)，建立工序元集合，提出工序元排序規(guī)則及工藝參數(shù)匹配算法，實(shí)現(xiàn)工藝決策，希望對復(fù)雜電子組件的智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)建立起到一定作用。