SMT虛擬樣機可視化建模與仿真

崔曉璐，龍緒明，李新茹，倪偉全，王 帥

(西南交通大學，成都610031)

表面貼裝技術SMT技術已成為國際上最熱門的新一代電子組裝技術，被譽為電子組裝技術一次革命。SMT虛擬樣機的設計，即采用計算機建模與仿真技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現實，實現產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造是對已有或未來的制造活動進行仿真，它基本上不消耗現實物質資源，所進行的過程是虛擬過程，所生產的產品也是虛擬的。

由于SMT虛擬樣機的設計是在基于計算機建模與仿真的平臺上，實現產品的設計、開發、加工及生產全過程的模擬仿真，因此利用三維建模軟件 AutoCAD、SolidWorks、Pro/Engineer、3D MAX，對SMT生產流水線中的絲印機、貼片機、回流焊、波峰焊等設備進行建模及可視化仿真。在模型建造過程中，通過對這些軟件的應用，更加充分地了解到他們各自的優越性，如AutoCAD的普遍應用及其與3DMAX的良好交互性，Pro/Engineer的全相關性、強大的裝配性，SolidWorks實現復雜的三維零件實體造型的方便性。通過對設備的建模與動畫模擬仿真，能夠直觀形象地了解它們的工作原理與工作過程，并能透過各個視角對其主要工作結構有更加直觀的認識。同時在VC平臺上，采用3D調用法，將3D MAX與OpenGL相結合，能夠實現友好的人機交互界面，更有利于將建模技術、虛擬技術、仿真技術相結合，突出其優越性。

1 三維建模的基本理論

1.1 幾何建模的基本方法

對于三維物體建模，幾何建模包括體素和結構兩個方面：體素，用來構造物體的原子單位，其選取決定建模系統所能構造的對象范圍；結構，用來決定體素如何組合已購成新的對象。

1.1.1 體素的基本造型理論

1）基本體素引用法：通過函數或參數描述的幾何體，對基本體素進行線性變換可以定義新的形體。這種變化只改變集合形狀，不改變拓撲關系，簡單易實現，但表示復雜形體困難。

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。一般應用于產品的內部結構分析，是工程分析的基礎。

3）邊界表示法（B-rep）：以物體的邊界為基礎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）體素構造法（CSG）：用系統定義的簡單幾何形體（體素）經正則集合運算，構造出所需的復雜實體。

5)掃描表示法：二維圖形在空間沿某一路徑運動產生的實體。有3種形式：評議掃描，旋轉掃描，廣義掃描。

1.1.2 建模按結構

1）層次建模方法：利用樹形結構來表示物體的各個組成部分。樹形結構不僅提供了一種簡便的、自然的分割復雜物體的方法，而且對模型的修改也是十分有利的。

2）屬主建模方法：思想是讓同一種對象擁有同一個屬主，屬主包含了該類對象的詳細結構，當要建立某個屬主的一個實例時，只要復制指向屬主的指針即可。其主要優點是：簡單、高效、易于修改、一致性好。

1.2 建模軟件

1）AutoCAD：AutoCAD是當今最流行的二維繪圖軟件，具有強大的二維功能，如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及二次開發等功能，同時有部分三維功能。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 地實現復雜的三維零件實體造型、復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 系統主要功 能：（1）真正的全相關性；（2）具有真正管理并發進程、實現并行工程的能力；（3）具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計意圖；（4）容易使用，極大地提高設計效率。Pro/Engineer系統用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程人員的設計思想和習慣。

4）3DMAX：3DMAX的功能強大，內置工具十分豐富，同時外置接口也很多，命令簡單明了，易于掌握。3DS Studio的算法很先進，所帶來的質感和圖形工作站制作的圖形幾乎沒有差別，可存儲32位真彩圖像，其強大的功能使它成為PC三維動畫設計的首選軟件。

1.3 3DS文件

物體的層次結構并不復雜，場景中給予每個物體一個數字以標示其在場景樹中的順序。相應的，3DS文件中也用相同的方法標示了物體在場景樹中的位置。

3DS文件有許多塊組成，每個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來標識，塊還包含了下一個塊的相對位置信息。與許多文件格式一樣，3DS二進制文件中的數據也是按低位在前、高位在后的方式組織的。

圖1 絲印機

圖2 貼片機的內部結構和外部結構

2 SMT可視化建模與仿真

根據組裝對象不同，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→測試→下料；生產流水線則包括送料機，印刷機，點膠機，高速機，貼片機，回流焊，收料機。

2.1 絲印機的建模

采用層次建模方法，同時利用AutoCAD普遍應用及其與3DMAX的良好交互性的特點，對絲印機進行三維立體建模及動畫模擬仿真。

絲印機的主要結構有精確的光學視覺系統、印刷頭、x-y-θ平臺、PCB定位系統、鋼網夾緊結構和自動清洗系統、電氣結構、人性化中/英文操作接口等7大部分。針對這些結構，利用Auto-CAD完成絲網印刷機靜態的建模工作。將其模型導入3DMAX中，進行動畫仿真：光學視覺系統進行點的精確識別，刮刀的壓力、升降速度、印刷速度、印刷范圍均軟件可調，通過x-y-θ三個方向的移動來實現平臺校位。如圖1所示。

2.2 貼片機的建模

通 過 利 用 AutoCAD，Pro/Engineer，Solid-Works，3D MAX等三維建模軟件，分別對轉塔式、動臂式、旋轉式貼片機的內部結構和外部結構進行建模，如圖2所示。

2.2.1 旋轉式貼片機的建模

主要采用Pro/Engineer進行動臂式貼片機的建模。由于動臂式貼片機的曲線機構較多，特別是供料器與貼片頭的弧度設計，利用Pro/Engineer的全相關性，有利于各個元件參數的修改與模擬，將會具有較高的仿真程度。同時旋轉式貼片機具有兩個貼片頭并行工作，并且每個貼片頭安裝的吸嘴數量較多。另外Pro/Engineer具有強大的裝配功能，能夠實現管理并發進程，實現并行工程。

在動畫制作上，旋轉式貼片機通過兩個方向的絲桿傳動，以及貼片頭的轉動，共同實現了芯片的高速吸取貼裝工作，如圖3所示。

圖3 旋轉式貼片機

2.2.2 動臂式貼片機的建模

基于層次建模法，通過AutoCAD進行動臂式貼片機的三維建模。將動臂式貼片機采用單元分解法分解為各個元素模塊，利用CAD的簡單幾何模型進行各個模塊的簡化，同時利用CAD與3D MAX工作平臺的交互聯系，進行模型的導入與動畫的仿真制作。

建模過程中，特別針對動臂式貼片機的絲桿傳動裝置進行相應的繪制，通過xy方向的絲桿傳動實現貼裝頭的移動工作，通過貼裝頭上的攝像頭確認貼裝位置的定位后，z方向的絲桿使貼裝頭上下移動，完成元件的貼裝工作。

制作動畫仿真時，需將CAD文檔導入3D MAX空間坐標系統中，將自身融入虛擬空間中，選擇合適的視角，進行動畫的仿真制作。從PCB板傳輸定位模塊，拾片模塊，貼片模塊，軌跡運動模塊進行了運動的動畫仿真模擬，通過三個絲桿的同時傳動實現了貼片頭的移動、攝像頭的對光、以及芯片的吸取和安放等動作，如圖4所示。

圖4 動臂式貼片機

2.2.3 轉塔式貼片機的建模

轉塔式貼片機共創建了18個不同的貼片頭，一邊取料，一邊貼片，結合PCB印刷板軌道的變位移動，實現了貼片的高速運行。利用SolidWorks針對貼片頭的仿真建模，突出體現轉塔式貼片機的工作機構，同時結合SolidWork中的運動仿真分析，實現了貼片頭的旋轉運動，吸嘴的依次吸取運動，xy軌道的變動運動，如圖5所示。

圖5 轉塔式貼片機

2.3 回流焊的建模

回流焊主要由機箱外殼，加熱系統，傳輸系統三部分組成。在加熱系統中，通過3D MAX的渲染仿真，體現了預熱區、保溫區、回流區、冷卻區的獨立控溫加熱區段。在傳輸系統中，采用鏈條式結構，其鏈條寬度可調節，以適應不同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

波峰焊的主要結構包含噴霧部分，由紅外線燈管與高溫玻璃、石英發熱管和微熱風式三部分組成的預熱部分及亂峰與平峰構成的雙波峰部分。

利用SolidWorks能夠方便地實現復雜的三維零件實體造型，較為方便地進行復雜裝配的特性，完成波峰焊的三維立體建模，同時應用該軟件完成動畫仿真。經過預熱部分、亂峰、平峰，PCB板上的各個管腳達到充分的接觸、整形，使PCB板的效果更加理想，如圖7所示。

圖7 波峰焊

2.5 人機交互界面

利用OpenGL將三維建模與編程操控界面相結合，將SMT生產線工藝設計、關鍵SMT設備編程、加工過程可視化仿真集成，以實現最終的人機交互界面。由于直接利用OpenGL建模會非常復雜，不僅存在數據庫的調用問題，并且實時性很差。而采用3D調用法，將3D MAX與OpenGL相結合，更有利于將建模技術、虛擬技術、仿真技術相結合，突出其優越性。采用3D MAX交互式建模工具完成各類器件的建模，然后將其存儲為通用的圖形數據格式3DS輸出，以OpenGL為工具，開發PCB設計的虛擬仿真，通過調用OpenGL各坐標變換函數最終實現對各個三維實體模塊分別控制，實現虛擬仿真，達到人機交互界面。

3 結束語

本文利用三維建模軟件 AutoCAD、Solid-Works、Pro/Engineer、3D MAX 對 SMT 生產線中的一些設備進行建模及動畫仿真，這能夠在一定程度上給人視覺上形象直觀化的了解，更方便于對設備的工作原理及工作過程的認識；同時利用3D調用法將其所建模型導成3DS文件格式，便于3D MAX與OpenGL的結合，對PCB板設計的虛擬仿真等后續工作起到一定的作用。

SMT貼片機虛擬樣機的設計能夠在一定程度上便于高校的教學工作以及企業的員工職業培訓，對企業與國家的資源起到一定的合理分配性及節約性。但我國在SMT虛擬樣機的研究還處于初級階段，需要不斷地學習與研發。

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