（计算机应用技术专业论文）基于pcb板级电路模块的虚拟制造技术研究.pdf

捅要 虚拟制造技术现在是科学界和企业界研究和应用的热点问题之一，它是沟通 信息系统与制造系统之间的桥梁。它为解决快速制造提供了有效手段。本文研究 的内容是基于p c b 板级的虚拟制造技术。首先，本文提出了一种面向p c b 制造企 业全面集成的v m 体系结构，它是基于黑板控制系统的体系结构，将用户的需求、 企业管理人员的活动、设计人员的设计和v m s 做了全面集成。其次，建立了比较 完备的v m 工程数据库，它包括：二维图形元器件库、三维图形元器件库、设备 模型数据库和动画仿真数据库，本文对建立工程数据库的思路和方法进行了深入 地研究。再次，本文给出了_ 种搜索元器件的算法和针1 对一种情况纠正c a d 设计 中出现错误的方法。最后，本文用j a v a 语- 占；f no r a c l e 数据库实现了上述方法。 关键词：虚拟制造p c b 板工程数据库体系结构 a b s t r a c t t h ev i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yn o wi so n eo ft h eh o tt o p i c si nt h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nf i e l do ft h es c i e n t i f i cc i r c l e sa n dt h ee n t e r p r i s e i ti sab r i d g et h a tl i n k s u pb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o ns y s t e ma n dt h em a n u f a c t u r es y s t e m i th a sp r o v i d e dt h e e f f e c t i v em e t h o df o rt h es o l u t i o nf a s tm a n u f a c t u r e t h ec o n t e n to ft h i s a r t i c l ei st h e v i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h ep c bb o a r d1 e v e f i r s t ，t h i sa r t i c l e p r o p o s e do n ek i n d o fc o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o n v m s y s t e m s t r u c t u r e f a c i n g p c b l l a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e a n di ti sac o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eb l a c k b o a r dt h e o r y ，a n di t i n t e g r a t e s u s e r s d e m a n d ，t h e b u s i n e s s m a n a g e m e n tp e r s o n n e l sa c t i v i t y , d e s i g n s p e r s o n n e l sd e s i g na n dt h ev m s i na na l l r o u n dw a y n e x t ，e s t a b l i s h e dq u i t ec o m p l e t e v mt h e p r o j e c t d a t a b a s e i ti n c l u d e d ：t h et w o - d i m e n s i o n a l g r a p h i c s e l e c t r o n i c c o m p o n e n td a t a b a s e t h et h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c se l e c t r o n i cc o m p o n e n td a t a b a s e t h e e q u i p m e n t m o d e id a t a b a s ea n dt h ec a r t o o ns i m u l a t i o nd a t a b a s e a n df u r t h u r em o r e ，t h i s a r t i c l eh a ss t u d i e dt h e t h o u g h t a n dt h em e t h o dt oe s t a b l i s ht h e p r o j e c t d a t a b a s e t h o r o u g h l y t h e n ，t h i s a r t i c l e g a v e ak i n d o ft h e a l g o r i t h ms e a r c h i n g e l e c t r o n i c c o m p o n e n ta n dak i n do fc o r r e c t i n gm e t h o di 1 1 v i e wo fo n ek i n do fs i t u a t i o nt oa p p e a r t h ew r o n gi nt h ec a d d e s i g n f i n a l l y 、t h i sa r t i c l eh a sr e a l i z e dt h ea b o v em e t h o dw i t h t h ej a v a l a n g u a g ea n d t h e0 r a c l ed a t a b a s e k e y w o r d ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g p c bb o a r d p r o j e c td a t a b a s e s y s t e ms t r u c t u r e 独创性( 或创新性) 声明 n 5 8 3 4 4 3 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不 包含他人已经发表或撰写的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作过的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 本人签名： 盗墩 门期： 2 塑生f 坚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电予科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用复印、影印、缩印或其它手段保存论文。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 ：螳塞 瓣 e l 期：皇! 哇l 篁 日期：毒瑚碜叫f 第一章绪论 第一章绪论 未来的局部高科技战争要提高通讯等装备的可靠性和缩短交货期，就必须解 决快速制造问题，虚拟制造技术可以有效地解决这一问题。利用虚拟制造技术可 以提高p c b 板级电子产品设计水平，满足军事装备板级电子产品电路模块的多品 种、变批量、短周期、低成本、高质量制造的要求。通过前期虚拟制造发现问题， 可以正确指导p c b 板级电子产品的加工。该技术的突破可以大幅度提高板级电路 模块设计和制造技术水平。我们将利用信息产业部5 4 研究所的p c b 柔性生产线 和西电c a d 所多年的e d a 软件开发基础和经验，以5 4 所承担地面通汛设备级 模块加工为突破口，展开军用板级电路模块虚拟制造基础应用技术研究。其目标 是建立一个比较成熟、实用的p c b 板级电路模块v m 环境。 1 1 虚拟制造技术的产生背景及内涵 1 1 1 产生背景 自7 0 年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特 征，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相 互渗透、相互竞争日益激烈。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力， 现代的制造企业必须解决t q c s 难题，即以最快的上市速度( t - t i m e t om a r k e t ) ， 最好的质量( q q u a l i t y ) ，最低的成本( c c o s t ) ，最优的服务( s s e r v i c e ) 来满足不 同顾客的需求l l 】。 与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、 信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术 应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。8 0 年代 初，先进制造技术以信息集成为核一i i , 的计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 开始得到实施；8 0 年代末，以过程集成为核一i i , 的 并行工程( c e ，c o c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术迸一步提高了制造水平；进入9 0 年代， 先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造( v m ，v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 、精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企业( v e ，v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等新概念f 2 1 【”。 尽管各种新的制造概念的侧重点不同，但是都无一例外地强调了充分利用现 代信息技术的成果。但是，当人们试图利用信息技术工具解决制造系统的问题时， 必然会遇到制造系统和信息系统之间的“语义鸿沟”( s e m a n t i cg a p ) 。虚拟制造系 基于p c b 板级电路模块的虚拟制造技术研究 统是沟通信息系统与制造系统的桥梁。它为沟通信息系统与制造系统之间的“语 义鸿沟”提供了有效的工具和环境1 3 11 1 1 。 因此，虚拟制造技术引起了人们的广泛关注，不仅在科学界，而且在企业界， 已经成为研究和应用的热点之一。 1 1 2 虚拟制造的定义 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟 现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、 性能分析、质量检验，以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 4 1 。 从定义可以看出，虚拟制造涉及到多个学科领域，是对这些领域知识的综合 集成与应用。计算机仿真、建模和优化技术是虚拟制造的核心。可以认为，虚拟 制造是对制造过程中的各个环节，乃至企业的生产组织管理与调度进行统一建 模，形成一个可运行的虚拟制造环境，以软件技术为支撑，借助于高性能的硬件， 在计算机局域广域网络上，生成数字化产品，实现产品设计、性能分析、工艺 决策、制造装配和质量检验。它是对实际制造过程的动态模拟。所谓“虚拟”， 是相对于实物产品的实际制造系统而言的，强调的是制造系统运行过程的计算机 化。 1 1 3 虚拟制造的分类 按照与生产各个阶段的关系，有些文献将虚拟制造分成三类，即以设计为核 心的虚拟制造、以生产为核心的虚拟制造和以控制为核心的虚拟制造 5 1 。 ( 1 ) 以设计为核心的虚拟制造。它是通过增加制造信息到集成产品开发过程 中并在计算机中仿真多种制造方案，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制 造牲的环境。 ( 2 ) 以生产为中心的虚拟制造。它是通过增加仿真能力到生产过程模型，达 到方便和快捷地评价多种加工过程的目的。它为工艺计划和生产计划的生成、工 艺资源的要求以及对这些计划的评价提供了一个环境。 ( 3 ) 以控制为中心的虚拟制造。它是通过增加仿真到控制模型和实际的生 产过程，模拟实际的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。 1 2 基于p c b 板级的虚拟制造技术 1 2 1p c b 板级虚拟制造的关键技术 虚拟制造系统软件的开发与其它软件的开发不同，有它自身的特点。建立 第一章绪论 p c b 板级的虚拟制造系统必须解决以下几个关键问题 6 j0 7 儿8 1 ： 1 模型。 建立模型是虚拟制造系统的基础，涉及到的模型有产品模型、过程模型、活 动模型和资源模型。产品模型主要是产品信息在计算机上的表示。产品模型要能 精确的表示 _ f _ jp c b 板在各个加工过稗的变化，具体来说，要能精确地体现出p c b 板从最初的裸板到上面贴装有元器件的过程。过程模型是产品开发过程的计算机 表示，包括印刷电路板的设计、工艺规划过程、加工制造过程、性能分析过程等。 活动模型主要是针对企业生产组织与经营活动建立模型，它根据客户需求进行任 务洽谈与合同管理，然后分解任务并发出系统内部调度指令和下达任务书，并随 时根据综合报表和质量反馈信息进行协调处理。资源模型是对企业所拥有的人力 资源和物力资源进行建模，具体到p c b 生产厂家来说，包括管理人员、生产人员 和技术人员的数量以及设备的使用范围、速度、精度和数量等。 总之，在虚拟制造的建模过程中，需要综合的、各个阶段都连贯一致的模型 表示方法，使后序对对象的操作可以利用前阶段的模型数据。 2 高逼真度仿真 ”。 高逼真仿真是虚拟制造系统的核心。这里所晚的高逼真度仿真具有两个方面 的含义：一个是仿真结果具有高可信度；另一个是人与虚拟环境交互的自然化。 虚拟制造的目标是通过仿真技术来检验设计出的产品或制定出的生产规划等，使 其产品开发或生产组织活动一次成功。这样，模型的可信度就成为其成功的保证。 这主要靠模型的v v a 技术( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o n ，a n d a c c r e d i t a t i o n ) 。另一 方面，作为研究主体的人，如果仅仅从模型外部去观察、感受被仿真对象的种种 行为，这种单一的映射，严重妨碍了作为研究主体的人与被仿真对象的深层次交 流，没有充分利用人的各种感官的作用传递全方位的信息。因此，利用人本身的 智能进行信息融合，产生综合映射，才能更深刻地把握事物的内在实质。目前普 遍认可的技术是虚拟现实技术或三维动画技术。 3 工程数据库 在虚制造系统的实现和研究中，建立v m 的工程数据库是一个不容回避的问 题。如果没有v m 数据库，动画仿真就无从谈起。建库工作本来就是一件工作量 大、内容庞杂、耗时、耗力的巨大工程。并且，随着工业技术的不断进步，元器 件的种类和生产设备的种类更加多样化，这就使v m 的建库工作更加复杂。 数据库是各个功能模块运行的基础。它设计的好坏直接影响到整个系统的运 行效率，它既是资料的提供者，又是结果的归宿处。要根据p c b 板制造的实际过 程有针对性的建立电子电路产品的数据模型，实现电子产品数据的输入、输出、 权限、安全、分类、查询等功能。 4 通过v m 验证和修改c a d 数据 基丁p c b 扳级电路模块的虚拟制造技术研究 由于c a d 系统的输出是产品的设计结果但，在c a d 阶段，没有或很少考虑 百笑制造参数的影响，因此这时的c a d 数据不能直接用于制造。通过v m 系统， 考虑产品在实际加工中的各种因素，要求能够验证并彻底清楚c a d 数据中的错 误，使c a d 数据符合制造过程中的约束条件。在这个过程中还可以按照某些原 则对c a d 数据进行优化。因此，虚拟制造系统是现有c a d 系统和实际制造系统 之问必不呵少的桥梁和纽带，也是未来c a d 系统的个重要组成部分，它将被 用于各种高水平制造业。 5 数据驱动和生产线、加工单元自动变模型 数据驱动代表了当今仿真自动化的最高水平。它是指不同产品在不同设备、 生产线上的加工过程仿真，完全受外部模型数据的控制。一般情况下，军用p c b 板产品具有多品种、小批量的特点，因此对数据驱动这一要求更加突出。要实现 数据驱动式的动画仿真，生产线和加工单元的的数学模型和动画模型必须能够随 产品而自动改变。 1 2 2p c b 板级虚拟制造的国内外发展现状 1 国际上 在国外，v m 技术研究始于八十年代，并迅速成为研究热点。一批有实力的 研究机构，如美国的s a n d i a 国家实验室、国家标准和技术研究e f f ( n i s t ) 2 1 ：美国 自然科学基金会支持的几个大学和企业联合研究中心，都在进行v m 的各种单元 技术及开发方面的高级研究工作。几十年以来取得了一些显著的研究成果。典型 的例子f l ”有波音7 7 7 ，其整机设计、部件测试及各种环境下的试飞均是在计算机上 完成的，使其开发周期从过去的8 年时间缩短到5 年。 从互联网上检索的结果显示，国际上真正研制出v m 系统的公司很少，而出 售v m 系统产品的公司只有t e c n o m a t i x 一家j 。它处于商用v m 技术研究和系 统开发的领导地位。目前，使用其产品的用户有美国、欧洲、日本等国家的5 5 个制造企业，其应用的行业有汽车制造业、航空制造业、电子产品制造业等。 t e e n o m a t i x 公司不仅出售专用的v m 系统，而且还包括其高层的开发环境 s i m p l e + + 1 2 2 1 ： 在电子产品制造领域，如m o t o r o l a 和s i e m e n s 等公司已经在产品生产 制造过程使用了v m 系统或部分v m 系统。虽然，在国外基于p c b 板的虚拟制 造技术已经取得一些成果。但是，其技术资料是严格保密的，相关资料的大部分 内容都比较泛，大部分内容都是停留在虚拟制造理论的本质阐述方面。而关于虚 拟制造这种先进的制造技术如何在电子产品制造领域中应用这一内容并没有相关 的搔料。因此，从国外的大部文献中很难找到使用的、有利于开发v m 系统的任 第一章绪论 何信息。 2 在幽内 在国内，虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的 c a d c a e c a m 和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理 论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国 内环境的结合上。口4 1 清华大学c i m s 工程研究中心虚拟制造研究室是圈内最早丌 展虚拟制造研究的机构之一，主要进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机 床、虚拟汽车训练系统等方面的研究。浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、v i 工作台、虚拟产品装配等研究。西安交大和北航进行了远程智能协同设计研究。 西北工业大学进行了虚拟样机的研究。国内在虚拟现实技术、建模技术、仿真技 术、信息技术、应用网络技术等单元技术方面的研究都很活跃。但研究的进展和 研究的深度还属于初期阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距，除了三维建模 已经有了4 种商业软件外，其他方面还没有形成产业化。我国的研究多集中于高 等院校和少量的研究院所，企业和公司介入的较少2 ”。 在电子产品制造领域，在西安电子科技大学陈怀琛教授提议的基础上，原电 子部军事电子科学研究院决定在北京建立电子设计制造一体化中心。目前其主要 的研究成果有1 6 j 7 l ： ( 1 ) 比较了s i m p l e + + 、m a t l a b 和s i m a n c i n e m a 这三种典型动画仿真软件的 特点。主要从柔性、开发能力、开发难度、仿真能力、与c a d 系统的接1 1 3 能力、 与硬件接口能力、可编程性和可扩充性、生产线协调管理能力、面向制造系统的 特点、动画模型和动画效果、价格等方面进行比较。 ( 2 ) 进行了c a d 系统和v m 系统无缝连接技术的研究。涉及的内容有：c a d 中输出的p c b 图数据与v m 中p c b 图的无缝连接，定义了种c a d 数据与v m 系统 的接口格式，并实现了将g e r b e r 格式转化为v m 系统的接口数据；c a d 元器件库 到v m 元器件库的无缝连接；p c b 图与在中p c b 图中动画贴片时元器件位置的 关联；c a d 数据与生产线v m 动画仿真的无缝连接。 ( 3 ) 从生产制造电子产品瓶颈的角度，建立了丝网印刷机、贴装机、回流焊 炉和飞针测试仪的时间模型。同时，还建立了整个生产线的模型图，并 s i m a n c i n e m a 语言进行了实现，对生产线的性能、生产线的参数调整和仿真结果 进行了分析。 ( 4 ) 讨论了另一种系统建模和分析工具p e t r i 网，并验证了其作为v m 系统的可行性，同时用p e t r i 网给e d m i 系统建立了模型，而且对系统性能作了详 细地分析。 基于p c b 板级电路模块的虚拟制造技术研究 ( 5 ) 建立了二维元器件数据库，并实时地生成了二二维元器件。比较了搜索元器 件的一次性生成法和即时生成法的优缺点。详细地研究了p r 0 ! e l 9 8 中p c b 封装，眵 式的表示方法以及如何生成二维元器件。 1 3 本文的工作 1 3 1 本文工作的内容 将虚拟制造技术应用在电子产品制造领域只有上面提到的西安电子科技大学 陈怀琛教授和原电子部军事电子科学研究院在北京建立的电子设计制造一体化中 一t b 。目前，研究还处于开始阶段，还处于虚拟制造技术的理论研究和实施技术准 备阶段。本文在此基础之上，主要做了以下几个方面的工作： 建立了基于p c b 制造企业全集成的v m 系统。 k l 前，建立的虚拟制造的体系结构只涉及到生产过程、制造过程和产品模 型。而没有涉及到企业中的其它过程和人员。这种v m 的体系结构是很不 完备的。本文提出了一种虚拟制造的体系结构，它将用户的需求、企业管 理人员的活动、设计人员的设计和v m s 全面集成，通过基于黑板控制系 统的分布式协同求解来建立面向企业全集成的虚拟制造系统。 建立虚拟制造系统的工程数据库。 建立v m 的数据库是一个十分巨大的工程。但是，它是各个功能模块运行 的基础，是v m 系统中不可缺少的一个部分。而目前虚拟制造系统的工程 数掘库只有一个二维图形元器件数据库。本文用另一种方法建立了二维图 形元器件库，并且，详细地分析了元器件的三维参数信息，建立了三维图 形元器件库。同时，建立了v m 工程数据库中的动画仿真数据库和设备模 型数据库。动画仿真数据库是用来存放模拟印刷电路扳生产时关键过程和 仿真结果的参数信息。设备模型数据库是用来存放生产设备的参数信息。 给出了一种搜索元器件的算法。 如何在成千上万的元器件中快速地找到我们所需要的元器件，这是我们在 建立元器件数据库时面临的一个关键问题。由于元器件的搜索算法和v m 系统元器件库的库结构有着直接的关系，在定义元器件数据库结构时就应 该充分考虑元器件的搜索问题。因此，本文建立的元器件数据库就考虑了 这些问题。本文给出的搜索算法可以方便地找到所需要的元器件。 给出了一种纠正c a d 设计错误的算法。 虚拟制造系统从一开始就提出要具备对c a d 数据的查错功能，它应该能 第一章绪论 够对设计者的设计提出改动意见，使c a d 设计符合制造过程中的约束条 件，将c a d 设计在制造系统中u f 能出现的错误提前刮设计阶段解决。本 文作者经过实践研究，针对一种c a d 设计错误情况，提出了一种查错算 法，用来纠正设计中出现的错误。 编程实现了上述思想，验证了上述思想的正确性。 1 3 2 本文工作的意义 本文是信息产业部5 4 研究所和西安电子科技大学合作项目“军用板级电 路模块虚拟制造基础应用技术研究”( 专( 予专) 题编号：4 1 5 0 1 1 0 0 4 ) 的起始阶 段。本文工作的主要意义是： 本文建立的虚拟制造体系结构充分地考虑了用户的需求和企业管理人的活 动，将用户、管理、设计和制造全面集成，将企业作为一个有机的整体进 行研究，而不是只研究企、i e 的设计和生产制造活动，是向完全实现“数宁 化工厂”进行了有益的探索。 建立了比较完备的v m 工程数据库，具体包括，二维图形元器件库、三维 图形元器件库、设备模型数据库和动画仿真数据库。丰富了v m 数据库的 内容，使v m 系统软件不再是纸上谈兵，使v m 走出实验室迈向实际应用 又前进了一步。 本文给出了纠正c a d 设计错误的算法，实现了v m 系统的闭环，为以后 的虚拟制造系统验证和修改c a d 数据进行了有益的探索。 基于p c b 扳级电路模块的虚拟制造技术研究 第二章基于p c b 制造企业全集成的v m 系统 本文提出了一种虚拟制造的体系结构，它将用户的需求、企业管理人员的活 动、设计人员的设计和v m s 全面集成，通过基于黑板控制系统的分布式协同求 解来建立面向企业全面集成的p c b 虚拟制造系统。根据企业拥有的资源情况、产 品类型和规模，制定生产规划，控制和协调生产活动，合理配置和利用企业的人、 财、物。 2 1 基于p c b 制造企业全集成的v m 体系结构 2l ，l 体系结构的特征 本文所提出的一种体系结构是面向p c b 制造企业全面集成的虚拟制造系 绩，在这个体系结构下，它将用户的需求，企业管理人员在整个项目中的丌发管 理过程，设计人员对产品的设计、设计人员对产品动态的改进、修正和产品制造 过程的仿真进行全面的集成。 从产品生产的全过程来看”，虚拟制造研究的是产品的可制造性，建立虚 拟制造系统的目标是通过在计算机上生产出“虚拟产品”实现对产品的“可j j l 7 - 性”和“可生产性”的支持。所谓“可加工性”是指所设计的产品的可加工性和 可装配性，设计人员根据用户提供的产品原理图文件、p c b 图文件和其它的辅助 渡明文件，产生该产品的设计结果文件。所谓“可生产性”是指企业在已有的资 源( 广义资源，如：设备、人力和原材料等) 的约束条件下，对新产品的制造过 程摸式的优劣进行综合分析评价，进行优化生产计划和调度。 虚拟制造系统不仅要把虚拟产品开发中的所有环节有机的集成，实现产品开 发活动的并行运作，还要充分体现人在生产活动中的能动性，达到人、组织、管 理、技术的协同工作，规划系统的运行模式及实现机制，并能理顺其单元技术部 的关联机理。合理的v m 应具有如下特征 2 5 1 3 1 1 ： 1 开放性：即虚拟制造系统应建立基于“即插即用”技术和异种软件间标准 数据接1 5 的体系，以实现体系的开放性。具体表现为系统功能的易扩展性、系统硬 件的开放性、系统软件的开放性。 2 功能一致性：即虚拟制造系统应该与实际制造系统完成的功能是一致的。 否则，建立起来的虚拟制造系统没有什么意义。 3 组织的灵活性：虚拟制造系统是面向未来制造系统的，是面向市场、面 向用户需求的，因此其组织与实现应具有非常高的灵活性。在建立制造系统的各 第二章甚于p c b 制造企业伞集成的v m 系统 种抽象模型时，应采用模块化方法或者面向对象技术，注重各种模块之间的重用 性和重组性，及它们之“q 的组合能力。 4 集成化：虚拟制造系统涉及的技术与工具很多，应综合运用系统工程、 知识工程、并行工程、人机工程等多学科的先进技术，实现“全集成”，即把用户 的需求，企业管理人员在整个项目中的开发管理过程，设计人员对产品的设计、设计 人员对产品动态的改进、修正和对产品制造过程的仿真进行全面的集成。 5 并行性：在虚拟制造环境的控制之下，由于制造资源的共享和开发活动 的并发进行，产品开发活动不在是单步式的、严格串行的顺序过程。 6 人机和谐性：虚拟现实技术的应用极大地增强了人与计算机的交互方式， 使人可以沉浸到制造系统的虚拟环境中，强调人在虚拟制造系统运行中的作用。 2 ，1 2 基于p c b 制造企业全集成的v m 体系结构 本文提出了一种v m 体系结构，是面向p c b 制造企业全面集成的v m 系统， 图2 1 基于p c b 制造企业全集成的v m 体系结构 虚拟世界 现实世界 0基3 - p c b 扳级电路模块的虚拟制造技术研究 虚拟使用环境、虚拟性能分析测试环境、虚拟制造环境解决了产品开发过程 巾所临的未知因素。虚拟使用环境使用，o 侄产品jr 发的早划就参d w s 、：品的丌发 活动，这既有利于尽早地反映用户的需求情况，解决与用户需求有关的未知因素， 也加强了用户对自己所提出的需求合理性的认识。虚拟性能分析测试环境使产品 设计人员能够基于虚拟产品，对产品设计进行性能分析、评价和改进，还可以加 强设计人员之问，设计人员和用户之间，设计人员和管理人员之间的联系。 虚拟制造环境用于在产品丌发过程中为整个企业的运作提供一个基于计算机 环境的集成基础结构，为所设计产品的制造和生产过程提供仿真环境和验证平台， 鸺决与实际制造有关的未知因素。口1 1 针对p c b 虚拟制造系统，它是一条柔性生 产线，对应于某种产品的加工路线是根据设计系统提供的c a p p 和c a m 等文件 动态变化的，具有受控变线的特点。口8 | 从物理上讲，这一点主要是在主控计算机 的监控之下，山线上的多路缓冲台和传送台协助完成的。生产：线上至少具有两种 加工模式：一种是单一产品上线加工，即每种产品所经历的工艺路线( 机器序列) 足相同的；另一种是多种产品混合同时加工，此时不同的产品可以具有不同的工 艺路线。这就要求生产线的模型能够受产品的控制而变化。另外，机器的模型也 不能固定不变，应随产品而变化。p c b 板级虚拟制造系统的变模型主要体现在以 上两个方面，这样才能如实反映出生产线的实际情况。因此，不可能“次性制 造成功和生产线工艺最优”“。在虚拟制造环境下，可以在实际生产之前，及早 地发现问题问题，解决问题。从而大大地节约开发时间和研制经费。由于产品开 发进程的加快和设计评价修改从多次串行工作模式下的局部小循环过渡到基 于并行工作模式的整体大循环，从而能够实现对多个解决方案的快速比较和选择。 2 2 虚拟环境下基于黑板控制系统的分布式并行协同求解 2 2 1 黑板结构 黑板结构是一种组织方式。其核心由三部分组成：知识源、全局数据库和控制结 构。知识源的引用可以对黑板进行操作，并通过黑板进行通讯。全局数据库是问题求 解状态信息处理的存放处，即黑板。通过知识源改变黑板的内容，在问题求解过程中 所产生的部分解全部记录在黑板上，以便信息共享。控制结构则按照人的要求控制知 识源和黑板之间的信息更换，完成问题的求解。利用黑板结构的例子有：d e s i g n e r s o f t w a r e 、i d e e a 、i c a d 、g a l i l e o 和d i c e 等。还有些系统对黑板机制进行了扩 展，与面向对象技术相结合，利用满足约束法和( 或) 信息转播子系统来解决冲突问 题1 2 6 1 1 3 9 1 。 2 2 2 虚拟环境下基于黑板控制系统的分布式并行协同求解 第二章基于p c b 制造企业伞集成的v m 系统 要想快速开发满足用户需求的产品，就需要相应的支持工具将产品设计人员、斥 户和企业管理人员动态地组成虚拟的产品j r 发小组。在虚拟环境f ，以基r 黑板控体 系统的分布式并行协同求解为基础，根据产品评价体系提供的面向整个产品生命周剪 的综合评价模型等方面的评价方法、规范和指标，在产品丌发过程中，各没汁知识沥 共享黑板中与产品设计有关的各种数据和信息，在黑板控制系统的控制和协调下，剥 产品开发过程中的产品设计和整个生产线流程进行仿真、分析、评价及协同决策，圳 寻求全局最优解，如图2 ，2 所示。 图2 2 基于黑板控制系统的分布式并行协同求解 图中的黑板是每一个设计的知识源，可以自由读取各自任务并存储设计或分 析结果的共享的、结构化的数据库。黑板控制系统通过提供与其它开发人员协同 决策有关的信息和数据，协调产品开发过程中设计人员、用户和企业管理人员的 并行产品开发活动。 分布式并行协同求解黑板控制系统，包括事件激发器、调度器、事件控制器 和事件队列，其主要功能是监控各个设计知识源之间的数据和信息交换，并将来 自于不同知识源的数据和信息存入黑板中，同时维护数据和信息的一致性，并引 导它们到不同的知识源。 基丁p c b 板级电路模块的虚拟制造技术研究 事件是响应各丌发活动的信号，事件控制器用于黑板事件的建立、修改、更新 和删除。每当一个事件发生月满足触发条件时，事件激发器将某一个或多个特定知 识源作为激发对象，并通过建立一个或多个黑板激发器来启动相应的知识源。黑板 激发器被保留在一个事件队列中，通过优先级来确定它在队列中的位罱。调度器提 供管理所要执行的事件状态的机制，在问题求解过程中，当给定事件队列时，决定 下一步要做什么，并触发相应的黑板激发器，直到个调度周期结束、中段或事件 队列中不再有黑板激发器为止。 2 3 建立面向企业全面集成的p c b 虚拟制造系统 虚拟制造系统在信息集成和功能集成的基础上，通过对整个产品开发过程的 建模、管理、控制和协调，对企业资源、技术、人员进行合理地组织和配置，面 向产品的整个生命周期，实现企业制造战略与企业经营、工程设计和生产活动的 集成( 纵向集成) ，以及在产品开发的各个阶段虚拟环境下多学科小组的分布式并 行协同工作( 横线集成) ，从而实现产品开发过程的集成，达到快速适应市场和用 户需求的变化，以最快的速度向用户提供优质低价产品。此方法具有一般意义。 相对其它制造企业来讲，如：汽车制造业、飞机制造业等，p c b 板级产品制造过 程要简单、标准化些，对于它的v m 技术研究可以作为其它制造业v m 系统开 发的样板。 面向企业全面集成的p c b 虚拟制造系统如图2 r 3 所示。 单机和生ii 高逼度仿l1 工程数据 产线建模il 真技术群il 库技术群 技术群 llli v m s 设计和制造 ii 协同决策技术群 方法技术群fi 通过v m 验证 和修改c a d 数据技术群 图2 3 基于p c b 板级面向企业全集成的v m 系统 第三章建立v m 系统的i = j 鼙数据库 第三章建立v m 系统的工程数据库 建立虚拟制造系统的工程数据库是一个非常巨大、庞杂、复杂的工程，本文 建立的v m 工程数据库包括图形元器件库、设备模型库和动画仿真数据库。元器 件库是用束存放元器件；设备模型库是用来存放在制造印刷电路板时所用到设备 的参数信息；而动画仿真数据库是用来存放仿真数据的，不但有仿真结果数据， 还包括关键过程数据。本章研究的主要内容有：建立虚拟制造系统图形元器件 库的基本思路，以及如何从现有的二维图形元器件库建立虚拟制造系统自己的二 维图形元器件库，如何从二维图形元器件库建立虚拟制造系统的三维图形元器件 库。从图形元器件库中搜索元器件的算法研究。在第四章着重研究建立v m 的 设备模型数据库和动画仿真数据库。 3 1 建立v m 图形元器件库的基本思路 3 1 1 建立图形元器件库的意义 我们在进行p c b 板级s m t 子系统的v m 关键技术研究中所遇到的另一个难 点就是图形元器件库的问题。图形元器件库是一件工作量非常巨大和繁杂的工作。 电子产品的v m 图形元器件库及动画仿真数据库的缺乏严重阻碍了虚拟制造技术 的发展，因此，建库的工作是一个不容回避的问题。 建立图形元器件库的意义： ( 1 ) 由于c a d 软件功能的限制，一般不需要建立完整的器件模型。通常c a d 软件只提供对应焊盘的信息，对于p c b 版图来洗，这已经足够了。但虚拟制造系 统的功能要求能够对生产制造系统中出现的问题加以分析，这就决定了虚拟制造 系统必须要有自己的图形元器件库。 ( 2 ) 虚拟制造系统的数据驱动中心不可能只限于一种c a d 软件。这就需要设 计独立于c a d 软件的v m 图形元器件库，并定义其格式。这样就可以脱离特定 c a d 软件的支持，避免紧密耦合。需要的只是c a d 软件可以提供相应的接口， 将c a d 数据无缝的转换至虚拟制造系统。 3 1 2 建立图形元器件库的基本思路 电子元器件形状各异、门类繁多而且电子产品不断地推陈出新，其封装形式 也在不断地添加新成员，因此电子元器件库处于不断地更新之中。如何组织种类 繁多的元器件，如何在成千上万的电子元器件中快速地找到用户所需要的元器件， 4 基于p c b 板级电路模块的虚拟制造技术研究 如何满足元器件不断地扩充，这些问题是建立图形元器件库中不可避免的问题。 丌始我们打算自己动手建立图形元器件厍，j 三少满足一类电路板贴片所需要的元 器件，但是当我们将p c b 图恢复出来时，并在其上进行贴片时，发现所建立的元 器件模型根本不能适应贴片工作的需要，其主要原因有： ( 1 ) 虚拟制造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造系统模 裂化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。因此，虚拟制造系统的功能与相应 的现实制造系统的功能是一致的。我们所恢复出来的p c b 版图是一个完全按照实 际要求设计出来的电路板，其上元器件的几何特性、物理特性、电气特性以及其 它参数都必须与实际元器件一模一样，这些就存在元器件的数目多，元器件的种 类多，即使同一类元器件也存在着不同厂家生产出不同规格的产品，比如d i p 8 这种封装形式，它就存在上百种规格的产品。 ( 2 ) 将现实系统在虚拟环境下进行映射，其目的是利用计算机仿真技术在元 器件与基板实际互联之前，将互联装配的过程在计算机上进行模拟，并将虚拟出 的连接效果与预期要达到的效果进行比较、修正并优化互联设计参数，直到获得 预期的连接效果。因此，所选择的电路板的设计不能过于简单，不能只有少量的 几个元器件，必须元器件的数目和元器件的种类有一定的规模。 ( 3 ) 我们的p c b 版图是按照实际规格设计的，若元器件不按实际规格设计， 则用此进行动画仿真所得到的结果就毫无用处，更谈不上对仿真结果进行比较、 修f 并优化。这就背离了我们设计虚拟制造系统的最终目的。 根据以上理由，自己建立的图形元器件库并不能满足实际要求，建立元器件 库必须改变思路，寻找一种简单和实用的建立图形元器件库的方法。即利用已 经成熟的电路板设计软件( 如p r o t e l 9 9 ) 的二维元器件库的封装信息建立虚拟制 造系统的二维图形元器件库，在虚拟制造二维图形元器件库的基础之上加上三维 信息来生成虚拟制造系统的三维图形元器件库。 3 2 建立v m 二维图形元器件库 3 2 1 对p r o t e l 9 9 中p c b 库的分析 在现有的电路板设计软件中，p r o t e l 9 9 无论是原理图还是p c b 图都是综合 的、全面的，它一共包含3 7 个p c b 库文件，覆盖了电子元器件的绝大部分。因此， 我们以p r o t e l 9 9 为例，来研究它的p c b 元器件信息的存储方法，并从中提取 出我们所需要的信息，在此基础之上，加上必要信息，来建立虚拟制造系统的二 维图形元器件库。 第三章建立v m 系统的j = j 辈数据库里 图3 1 是一个具有8 个引脚，d i p 封装形式的元器件的外形图和它的p c b 图。 幽3 id i p 8 元器件的外形幽及p c b 剀 o o o口 o o o o 它在p r o t e l 9 9 元器件库中的文件存储格式如附录a 所示。通过仔细研究附 录a 所示的文件，我们发现一共有1 4 小节，每一个小节以s e l e c t i o n 玎头， 每一个小节表示元器件d i p 8 这种封装形式的具体信息。第一个小节表示图3 1 中 圆弧的参数信息，第二个小节到第九个小节依此表示图3 1 中第8 个焊盘，第7 个焊盘，第1 个焊盘的参数信息，第十个小节到第十四个小节依此表示图3 1 中5 条线段的参数信息。而且，我们还发现d i p 8 这种封装形式其8 个焊盘属于 多层，元器件的外轮廓线属于t o p o v e r l a y 层，它的坐标系的定义如下图32 所示。从图3 2 中，我们可以看到元器件的坐标原点在第一个焊盘的中心。 图3 2d i p 8 元器件的坐标系 附录a 中的第一个小节如下所示： l s e l e c t i o n 2 f a l s e i l a y e r = t o p o v e r l a y f l o c k e d 2 f a l s e i l o c a t i o n x = 15 0 m i lj l o c a t i o n y = 5 0 m i l i r a d i u s = 2 5 m i l i s t a r t a n g l e = 18 0 0 0 0 1 e n d a n g l e = 3 6 0 0 0 0l w i d t h = 1 0 m i i s u b p o l y i n d e x = 0 它表示图3 1 中d i p 8 的p c b 图的圆弧的参数信息，即圆弧属于 t o p o v e r l a y 层，圆弧的中心坐标为( 1 5 0 m i l ，5 0 m i l ) ，圆弧的半径为2 5 m i l ，圆 弧的起始角为1 8 0 0 0 度，终止角为3 6 0 0 0 0 度，圆弧的线宽为1 0 r a i l 。 附录a 中的第九个小节如下所示： 6基于p c b 板级电路模块的虚拟制造技术研究 s e l e c t i o n = f a l s e l a y e r = m u l t i l a y e r l l o c k e d 2 f a l s e i x 。0 m i l i y = 0 m i l x s i z e =