PCA工艺决策系统研究

   在印制电路板组装PCA（Printed Circuit Assemble）生产中，减少生产准备时间是提高生产率的关键之一，其中很重要的是通过缩短产品制造工艺规程文件的准备时间。

    过去，工艺规程文件的生成都是工艺人员依据自身的经验，手工完成的。这种方法一是速度慢，具有大量的重复录入工作，生成的产品制造规程易出错；二是不易继承已有的成熟工艺经验；三是产品制造规程工艺文件的质量差异大、不稳定，不利于工艺规程的统一和标准化。因此，开发能迅速方便地生成产品制造规程的工艺文件具有重要的意义。

    电子产品PCA工艺决策系统是在机械制造零件加工工艺决策系统的设计思路的基础上，依据印制电路板组装工艺的特点，基于国家863/CIMS主题目标产品和国家重点技术创新项目CAPPframework软件平台研制开发的。意图是有效利用工艺人员的经验知识和工艺数据，对工艺路线的制定及工序设计进行科学的决策，结合交互式输入编辑，自动生成工艺规程。实现工艺设计的标准化、规范和高质量，提高工艺设计效率，并为CADCAM的可集成性奠定基础。电子产品PCA工艺决策系统开发的关键技术包括元件信息描述、工艺信息获取及工艺决策方法。

    一、元件信息描述

    在PCA工艺中，元件主要指需要安装焊接到印制电路基材上的电路器件，如电阻、电容、电感、连接器和集成电路芯片等。工艺过程设计的目标是确定一个元件的组装过程，因此元件信息的描述和输入是整个决策系统的基础。元件的电气特性主要包括元件的特征值、电气参数和元件的极性等，这些都与产品的设计和测试密切相关。元件的机械特性是与PCA工艺过程设计直接相关的，主要包括元件的封装结构、外形尺寸等信息，与电气特性相比，在工艺决策过程中机械特性显得更为重要。目前在印制电路板组装工艺设计过程中，工艺人员较多地依赖于实物样品，对元件信息的获取仍然是主要采用目视观察和人工查找资料手册的方法，凭借经验进行工艺过程的设计与决策。这样整个工艺过程设计的前期准备工作时间很长，而且易发生错误和遗漏，缺乏全面考虑和优化。因此元件信息获取的自动化是目前工艺人员的迫切需求。

    基于PCA的工艺特点，笔者认为PCA元件信息的描述方法应具有以下几个特点：

    （1）单义性：对元件信息的描述准确简明，无歧义或多义，能够为工艺过程设计系统提供完整可靠的所需信息。

    （2）简易性：描述方法简单明了，便于理解、掌握和使用。

    （3）灵活性：便于工艺人员根据实际需要进行系统的编辑和扩充。

    为了满足元件信息描述系统的要求，我们针对以上元件信息描述方法的特点，基于CAPPframework系统，采用元件特征描述的方法建立了元件信息数据库。

    二、工艺信息获取

    电装工艺师在进行PCA工艺过程设计时，首先要获取印制电路板的组装工艺信息。印制电路板组装工艺信息主要包括印制电路板自身的工艺特性和印制电路板上的电子元器件信息两部分内容。

    1.印制电路板信息获取

    影响电装工艺师进行PCA工艺编制的印制电路板的信息主要包括印制电路板的层数、厚度、材料、长度和宽度等。获取印制电路板信息的最理想方式是直接读取印制电路板的设计文件，这种方式不仅准确性高，而且避免了电装工艺人员重复输入印制电路板的设计信息，提高了工艺编制的效率。但是，目前印制电路板设计部门所采用的CAD系统类型众多，很难统一。考虑到系统需要获取的印制电路板信息数量不多，而且电装工艺师很容易从CAD文件中识别出这些信息，本着系统先进性与实用性相结合的原则，电装CAPP系统获取印制电路板的信息包括层数、厚度、材料、长度和宽度等，并采用交互式输入的方法。

    2.元件信息获取

    除印制电路板的外，另一个影响PCA工艺路线制定的重要因素是印制电路板上电子元器件的类型以及分布状态。与印制电路板工艺特性的获取不同的是，印制电路板上电子元器件数量大，且种类繁多，电装工艺师在进行PCA工艺编制时需要根据CAD设计文件上每个元器件的编号对其进行识别，查出元器件的电器特征值与安装方法，并且还要从这些为数众多的元器件中找出能够对电装工艺路线起决定作用的特征元器件。人工完成此过程需要耗费电装工艺师大量的时间与精力，而且容易出错，因此印制电路板上电子元器件的自动识别是电装CAPP系统必须解决的问题，它是电装CAPP系统进行工艺决策的基础。

    和印制电路板工艺信息的获取一样，直接从印制电路板设计文件中读取所有元件信息的难度很大。由于本系统将全部元件信息，包括封装结构、外形尺寸、引脚间距、质量、材料和电气特征值等参数都已建立了系统元件信息数据库，在进行工艺过程设计的时候，采取依次读入产品配套表中元件的电气特征值，通过元件电气特征值进行索引和查询，在元件信息数据库中进行“与”、“或”判定，再根据具体工艺设计的要求，从中取出所需的元件信息，进行下一步工艺设计。 

    通过上述方法完成对印制电路板元器件的识别后，还需要对这些元器件信息进行整理，生成一些统计信息，从整体上对印制电路板元器件信息进行总体描述，并将这些信息存入系统，以便为系统后续的工艺路线安排与工序详细设计提供信息，这些统计信息如图1所示。

图１ 工艺信息框图

    三、PCA工艺决策系统

    PCA工艺过程设计的决策过程实际上可以分成两个层次：工艺路线决策层和工序设计决策层。工艺路线决策层负责PCA总体工艺路线的确定；工序设计决策层完成PCA工艺路线中每一道工序的详细设计，给出相关的各工艺参数，形成完整的PCA工艺路线。

    完成各个工艺设计任务，其主要内容包括：组装工艺的设计规划、组装方法的选择、组装工艺路线安排和工序设计等，其实质就是寻求加工对象、加工设备、加工手段之间符合加工规律的“组合与排列”，实现从元件、部件到满足设计要求的最终组件的转变。

    工艺决策系统依据设定的边界条件，对工艺信息进行判定，进行工艺路线的设计；基于印制板组件组装工艺，采用相似性判定技术，依据存放在工艺库中工艺规程的属性，判断两者的相似性，实现相似工艺规程的聚类，提取和总结工艺知识，并建立一个搜索引擎，搜索出与新工艺最相似的印制板组装工艺，进行工序设计。  

    系统的工作模式如图2所示,工艺路线设计流程如图3所示。

图2 PCA工艺路线设计工作模式图

图3 工艺路线设计流程图                             

    四、结论

    本文提出的电子产品PCA工艺决策系统，通过将机械制造领域CAPP系统的原理和概念与印制电路组装(PCA)技术的工艺和技术特点相结合，应用于印制电路组装工艺过程规划(PCA-CAPP)的开发实践，采用特征参数和元件清单方法描述PCA元件信息，简明有效，随着知识库的不断完善和丰富，该系统必将发挥出重要作用。