摘 要：本文论述先进SMT虚拟制造技术，研发出先进电子SMT教学培训系统, 在电子SMT设计和制造“孤岛”间建立联系，将PCB设计、SMT生产线工艺设计、关健SMT设备编程、加工过程可视化仿真和可制造性评价系统集成，在计算机上以直观、生动、精确的方式模拟出先进电子SMT制造技术。
关键词：虚拟制造；表面组装技术SMT；可视化仿真
中图分类号：TP311 文献标识码：A DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.03.025
The SMT Virtual Manufacturing Training System
PENG Zhi-cong1, LoNG Xu-ming2 Huang Ho2 Dan Mington2 Cui Xiaolu2
(1.Guangdong Electronic Academy, Guangzhou 510055, China; Southwest Jiatong University, Chengdu 610031, China)
【Abstract】 This paper discusses the advance SMT Virtual Manufacturing Training System. The SMT Manufacturing is visual simulated in a computer. the PCB design, the SMT technology, the editting of equipment soft and the visual simulation of SMT equipment are integrated by the system.
【Key words】Virtual Manufacturing; Surface Mounting Technology; Visualization Simulation
1 SMT虚拟制造
1.1 虚拟制造
虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验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。虚拟制造是对已有或未来的制造活动进行仿真，它基本上不消耗现实物质资源，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。
VM技术是一个庞大、复杂的新兴学科领域，其中涉及到计算机软件技术、动态数据库技术、虚拟现实技术、工厂的建模与仿真技术、并行工程等领域，如图1所示。从提出到现在的几十年间，VM技术的研究取得了很多成果。在国外，VM单一目标技术和系统已经开始应用于几十家顶级的汽车制造、航空、重工业和消费电子产品生产公司的某些部门，而且已经发挥了巨大的作用，表明了VM技术的潜力。
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CAD/CAE/CAM和仿真等基础上进行的，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，系统地研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和国内环境的结合上。清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开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、VR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。我国的研究多集中于高等院校和少量的研究所，企业和公司介入的较少。
图1 虚拟制造
Fig.1 Virtual Manufacturing
1.2 SMT虚拟制造系统
在微电子组装和制造业，元器件不断的向微型化和密集化方向发展。表面贴装技术（Surface Mounting Technology，SMT）是应用最为广泛的新一代的电子组装技术，它直接将元件无导线的贴装在PCB基板上，取代了传统的插孔元件安装、导线连接。表面贴装技术可以使元器件体积更小、安装密度更大、提高可靠性和生产自动化程度。贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%～60%，重量减轻60%～80%。
在电子产品组装生产的传统模式中，设计一般是由设计工程师在计算机上利用多种计算机辅助设计工具来完成，生产制造则在各种数控设备(如贴装机等)上完成。每一种产品在加工之前，制造工程师首先必须对数控设备编程并反复试验，以确保操作规程的可行性和正确性，然后进行试生产，反复修改直到最后定型，再投入实际的批量生产。生产准备时间很长，投入资金很大。事实上，SMT生产线中数控设备编程所需的大多数数据完全可以从CAD系统的相关数据文件中获取，例如元件在PCB上的坐标位置、角度、物理特征参数等。这些数据量很大，也比较零乱，有些特征数据是不同数控设备都需要的，如贴装机、点胶机、在线测试设备均需要元件在PCB上的坐标位置，而实际中设计部门和制造部门却很少相互了解需求，许多信息不能共享，在企业间往往形成了两个“自动化孤岛”。随着市场竞争的加剧，产品交货周期必须缩短，生产成本必须控制，因此迫切需要在这两个“孤岛”间建立联系，虚拟制造被认为是其最好的解决方案。
2000年之后一部分高校开始在电子实践教学中增加SMT教学内容，大部分专职院校设立SMT电子制造工程专业，但无实验设备和条件，即使己购买SMT生产线的，也无资金或产品开动生产线。SMT虚拟制造系统中关健设备的虚拟样机，便于教学，同时便于企业员工职业培训。
SMT虚拟制造系统就是在计算机支持下，以仿真技术为前提，建立功能强大的虚拟制造环境，对PCB设计、组装等生产过程进行统一建模。在PCB设计阶段或组装之前，就能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响，预测PCB组装的性能、成本和可制造性，从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，使生产布局更合理、更有效，以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。
2 SMT虚拟制造系统设计
采用虚拟制造技术，开发出“先进电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011”，在电子SMT设计和制造“孤岛”间建立联系，将PCB设计、SMT生产线工艺设计、关健SMT设备编程、加工过程可视化仿真和可制造性评价系统集成，在计算机上以直观、生动、精确的方式模拟出先进电子SMT制造技术。
2.1 系统设计
根据组装对象不同，SMT有多种工艺流程，一般单面组装的典型工艺流程为：上料→涂布(上焊膏或点胶)→贴片→再流焊→清洗→测试→下料。SMT生产线如图2所示，主要由自动上板机、自动丝网印刷机或自动点胶机、自动贴片(装)机、自动焊接炉、自动清洗机、在线测试机和AOI测试机、自动下板机等自动化组装和测试设备组成。
图2 SMT生产线
Fig.2 SMT Production Line
2.1.1系统组成
SMT虚拟制造系统组成如图3所示，主界面如图4所示，将两个“孤岛” ——SMT设计和制造集成, 主要包括:
图3 SMT虚拟制造系统组成
Fig.3 SMT VM System
图4 主界面
Fig.4 Main window
1）PCB设计虚拟制造系统
2）SMT生产线工艺流程设计
3）关健SMT设备虚拟编程，主要包括：丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。
4）关健SMT设备加工过程可视化仿真，主要包括：丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊、AOI测试机。
5）可制造性评价
（1）电子产品PCB设计与制造
根椐用户设计的EDA（Protel、Mentor、OrCAD…）电路PCB文件，自动检测出用户设计的EDA电路的错误；
能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板组装后的情况（基板、器件、焊膏、焊点、胶点），如图5所示；
图5 PCB设计静态仿真Fig.5 PCB Static simulation
模拟PCB标号Mark点示教和PCB贴片过程，并进行贴片程序顺序优化；
根据所设计的PCB板的结构，设计SMT生产线工艺流程和参数，3D动画显示SMT生产线工艺流程；
在PCB设计和制造“孤岛”间建立联系，在最短时间内为EDA最优设计提供直观依据，效率高， 成本低。
（2）电子SMT设计与制造
SMT关键设备包括：丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰
2.1.2 系统主要技术功能
SMT-VM2011系统主要技术指标如表1所示，非常适合高校高职教学和企业培训，不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术，更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMT-VM2011性能优，功能强，交互性强，操作性好，兴趣性高，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。焊，挿件机，AOI测试机，API测试机；
读入EDA设计的PCB文件，进行国际市场上主流SMT机型的摸拟编程（Yamaha、Fuji、Seimens、Panasonic、MPM、DEK、GKG、Heller、EASA、ANDA、Aleader、VATA……）；
SMT关键设备静态仿真，可缩放、旋转、平移；
按照摸拟编程CAM程序，自动进行SMT关键设备工作过程3D模拟仿真；
可进行制造性分析，在3D仿真过程中对模拟编程的错误进行检测；
在SMT关键设备编程设计和制造之间建立联系，将SMT关键设备的贴片过程在计算机上以直观、生动、精确的方式呈现出来，取代传统的试机过程，缩短开发周期、降低成本、提高生产效率。
2.2 贴片机虚拟制造系统
贴片机虚拟制造编程系统的主界面如图6所示，自动进行贴片机工作过程3D模拟仿真如图7所示。贴片机软件体系结构如图8所示，包括：模拟编程模块、贴片机3D仿真模块、贴片程序优化模块和贴装数据库模块，系统先对贴片机机型进行模拟编程，读入EDA设计文件，自动生成贴装顺序程序文件，并将数据输入到贴装数据库中；再在VC++6.0环境下采用面向对象技术和OpenGL技术，按贴片机类型自动进行3D机构组装3D仿真；最后设计生成最优化程序。
3 SMT教学培训课程和实验室建设
SMT教学培训课程教学培训大纲如表2所示。
（1）电子产品EDA设计的PCB虚拟制造实验，学时20 h。
图6 贴片机虚拟制造编程系统Fig.6 The placing VM system
图7 贴片机工作过程3D模拟仿真Fig.7 The placing 3D simulation
目的：该实验在电子设计和制造“孤岛”间建立联系，在最短时间内为EDA最优设计的数据修改提供直观依据，以达到开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化之目的。不仅使学生进一步掌握EDA电路设计技术，更使学生了解电子产品PCB电路板是如何制造出来的。
图8 贴片机软件体系结构
Fig.6 The frame of placing softwere
内容：根椐学生设计的EDA电路PCB板图，能自动检测出学生设计的EDA电路的错误，包括电路设计错误和可制造性错误，能3D可视化直观显示EDA设计的PCB板的布局和SMT组装生产后的PCB情况；并且，模拟PCB板的SMT制造过程，设计SMT生产线工艺流程和参数，3D动画显示SMT生产线工艺流程。
（2）电子SMT制造生产线虚拟制造实验，学时30小时。
目的：让学生根据自己设计的EDA电路PCB板，设计SMT关键设备的CAM程序，并且自动3D动画模拟所设计的CAM程序驱动的设备工作过程，能实时、并行地模拟出其未来组装全过程及对设计的影响，预测PCB组装的性能、成本和可制造性。使学生掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。使学生了解和掌握现代先进电子大制造技术，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。
内容：首先读入EDA设计的PCB文件，进行国际市场上主流机型的SMT关键设备的摸拟编程，SMT关键设备包括：丝印机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊和AOI测试机；最后按照摸拟编程CAM程序，自动进行SMT关键设备机构工作过程3D模拟仿真，并可进行制造性分析。
（3）先进电子制造创新开发实验，学时30小时。
目的：在“电子SMT虚拟制造系统SMT-VM2011” 平台上，进行针对个性化实验、SRTP（科研创新实验）、国家创新实验、电子竞赛、本科生毕业设计、研究生毕业论文等的开发实验。使学生了解和掌握国际现代电子制造的软件、控制和电子等最先进技术。
内容：开发世界著名公司SMT关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、世界著名公司IC关键设备CAM编程软件和3D仿真软件、轨道交通电气自动化虚拟制造系统等。
4 结论
SMT-VM2011非常适合高校高职教学和企业培训，不仅使用户进一步掌握EDA电路设计技术，更使用户掌握SMT组装技术和各种世界著名公司SMT关键设备技术。SMTVM2012性能优，功能强，交互性强，操作性好，兴趣性高，彻底改变了传统的一把烙铁学电子的局面。
参考文献
[1] 龙绪明主编. 电子表面组装技术-SMT[M]. 北京：电子工业出版社，2008.11.
[2] 袁鹏，胡跃明，吴祈生等. 基于视觉的高速高精度贴片机系统的程序实现[J].计算机集成制造系统，2004，10（12）.
[3] 龙绪明主编. 先进电子制造技术[M]. 机械工业出版社，2010.10.
[4] 宋福民，张小丽，马如震.SMT2505全视觉多功能贴片机的研制[J].电子工业专用设备，2002，31(4)：219-223.
[5] 胡伟,王弘. 如何在VC十+中用MFC进行OpenGL编程[J].计算机应用，2001.8.
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