劉彰宜，沈 禮

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

一類大尺寸印制板安裝孔位的自動排布方法研究*

劉彰宜，沈 禮

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

螺栓緊固型印制板在雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對于大尺寸的螺栓緊固型印制板，為了結(jié)構(gòu)可靠及性能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)需要在上面排布大量的安裝孔，而印制線在結(jié)構(gòu)上的規(guī)律性較弱，從而導(dǎo)致安裝孔的布置成為一項(xiàng)繁瑣的工作。為了減輕設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)，有效提高工作效率，針對一類大尺寸印制板，根據(jù)印制線主要由水平線段和豎直線段組成的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套可以自動地為印制板排布安裝孔位的算法。將此算法應(yīng)用于3個具體的工程實(shí)例，發(fā)現(xiàn)在適當(dāng)?shù)膮?shù)下，算法排布的安裝孔與原印制板有較高的相似度，且滿足印制板設(shè)計(jì)要求，表明該算法具有一定的工程意義。

印制板；安裝孔位；自動排布

引 言

印制電路板(PCB)是電子設(shè)備最基本的組成部分，各種電子元器件之間進(jìn)行電氣連接的“橋梁”是航天[1]和雷達(dá)領(lǐng)域常見的零部件。它是微帶線和帶狀線型功分器的核心零部件。功分器是一種將一路輸入信號能量分成兩路或多路相等或不相等輸出能量的器件，它在天線饋電網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛應(yīng)用[2-3]，也是相控陣?yán)走_(dá)天線中的一個重要組件[4]。為了提高功分器的結(jié)構(gòu)可靠性，雷達(dá)領(lǐng)域多采用螺栓緊固方式，將印制板與殼體連接加固。印制板螺紋安裝孔的位置分布既要使印制板固定牢靠(有時(shí)還要求接地面與殼體貼合緊密)，又要保證每個安裝孔與印制線有一定的安全距離。由于印制線在結(jié)構(gòu)上并不具備一般的規(guī)律，因此每個安裝孔都需要經(jīng)過設(shè)計(jì)確認(rèn)以免距印制線太近，甚至正好打在印制線上。對于一些簡單的功分器，如一分二、一分三等，其印制板的安裝孔較易排布；而對于一些復(fù)雜的一分多功分器，如一分六、一分八等，印制板往往需要成百的螺釘來固定，其安裝孔的排布則是一項(xiàng)非常繁瑣的工作。

為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，將各種智能技術(shù)(如專家系統(tǒng)、知識工程等)引入到設(shè)計(jì)活動中來一直受到人們的關(guān)注[5]。如專著從宏觀的角度系統(tǒng)地論述了產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)的基本理論和方法[6]，論文中構(gòu)建了一種制孔專家系統(tǒng)[7]。此外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及其二次開發(fā)有效地提高了設(shè)計(jì)師的工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文通過一系列算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了印制板安裝孔位的自動排布，可有效減少設(shè)計(jì)師的工作量，將設(shè)計(jì)師從簡單重復(fù)的勞動中解放出來。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 印制線結(jié)構(gòu)外形特點(diǎn)分析

圖1所示為一類典型的印制板，其中圖1(a)、圖1(b)為垂直出針，圖1(c)為水平出針，他們具有十分相似的幾何拓?fù)?，都是在有限的空間內(nèi)將一定寬度的印制線設(shè)計(jì)出特定的路徑以達(dá)到功率、相位等電學(xué)要求。

圖1 印制板示意圖

圖中眾多的小圓圈為結(jié)構(gòu)工程師排布的安裝孔位，主要起到固定印制板的作用。安裝孔盡量均布在整塊印制板上，保證安裝可靠，對于模擬電路板還要使其接地面與殼體貼合緊密，同時(shí)安裝孔應(yīng)與印制線保持一定的距離d。一般來說，工程中的螺紋安裝孔會有一定的周期性以實(shí)現(xiàn)簡潔設(shè)計(jì)；然而由于印制線相對不規(guī)則，無法通過簡單的陣列來設(shè)計(jì)印制板的安裝孔位。設(shè)計(jì)師會根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和印制線的具體走勢來排布安裝孔，可以看到圖中印制板的許多安裝孔都在同一條水平或豎直線上，圖1(a)尤其明顯，幾乎形成了類似圍棋棋盤的網(wǎng)格，安裝孔就在格點(diǎn)上，這也是規(guī)則性與不規(guī)則性相互妥協(xié)的結(jié)果。利用印制線的長度集中在水平和豎直方向上，借鑒圖1(a)中印制板安裝孔的設(shè)計(jì)規(guī)則，可以設(shè)計(jì)一套算法來確定安裝孔的位置。

1.2 印制線預(yù)處理

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，線段是最簡單的幾何要素，印制線恰好主要由線段構(gòu)成，這有利于數(shù)據(jù)處理和算法設(shè)計(jì)。首先收集印制線的線段信息，然后按水平和豎直方向?qū)⑵浞譃闄M線段和豎線段2組。圖2所示為圖1(a)中印制線的線段信息，4個腰形孔內(nèi)因無法設(shè)計(jì)安裝孔位，可以看成一段特殊的印制線，因此也將其所含線段收集在內(nèi)。圖3和圖4分別為印制線所包含的橫線段和豎線段。從分組的線段中可以看到一些線長極短的小線段，它們是印制線線寬發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的?？梢哉J(rèn)為這些小線段對于安裝孔的分布沒有影響，因此在進(jìn)一步處理中需要將這些小線段濾掉。

圖2 印制線的線段信息提取

圖3 印制線的橫線段

圖4 印制線的豎線段

安裝孔水平方向上的位置(x坐標(biāo))由豎線段組確定，豎直方向上的位置(y坐標(biāo))由橫線段組確定，這2個方向具有正交性，可以采用相同的規(guī)則。以豎直方向?yàn)槔f明，一對線段對應(yīng)著某段印制線的兩條邊界，假設(shè)這對線段豎直方向上的坐標(biāo)為a和b，橫線段組共有n對線段，那么安裝孔坐標(biāo){yn}n的確定可以歸結(jié)為：已知區(qū)間集{(an,bn)}n，在特定范圍內(nèi)尋找點(diǎn)集{yn}n，使每個點(diǎn)距每個區(qū)間的距離至少為d。在求解這個問題之前，首先要確定配對線段，代表某段印制線的邊界。根據(jù)印制線的特點(diǎn)，同時(shí)考慮穩(wěn)健性，按照如下方法確定：首先根據(jù)線段水平方向上的位置以及兩兩線長相差不多的原則對線段進(jìn)行分組，再根據(jù)每組線段在豎直方向上的位置來確定線段對。圖5為過濾了小線段后確定的表示印制線的每一對線段。圖中同一小組的線段標(biāo)上了相同的號碼，在每一小組內(nèi)將線段按照豎直方向上的位置順序排列，這樣序號一奇一偶的兩條線段即為一對。

圖5 過濾小線段并對線段進(jìn)行配對

圖6 安裝孔禁止區(qū)域

1.3 孔位生成算法

印制板安裝孔位要與印制線保持一定的距離(在預(yù)處理中將其等效為在禁區(qū)外)，為了安裝可靠，安裝孔還應(yīng)保持一定的密度，即孔位與孔位之間距離不應(yīng)太大。印制板一般采用M2或M2.5的螺釘固定，設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取孔位間距d2，并沒有嚴(yán)格的限制，一般為16～40 mm。本文通過構(gòu)造輔助數(shù)列{yn}n來確定安裝孔位：首先確定初始點(diǎn)，再看元素y(j)是否在禁區(qū)內(nèi)，如果不在，則當(dāng)前值可以作為安裝點(diǎn)，并按增量d2確定下一點(diǎn)，如果在，則根據(jù)具體情況確定當(dāng)前安裝點(diǎn)，并確定下一點(diǎn)，具體流程如圖7所示，其中c1、c2為禁區(qū)2條邊界的坐標(biāo)值。

圖7 算法流程圖

2 實(shí)例測試

我們以圖1所示的3個不同的印制板實(shí)例對前述算法進(jìn)行測試。圖8為對圖1(a)所示印制板按不同參數(shù)(表1)計(jì)算出的孔位圖。

表1 對圖1(a)所示印制板計(jì)算孔位的參數(shù)組 mm

圖8 圖1(a)所示印制板不同參數(shù)計(jì)算實(shí)例

由圖可見，對于參數(shù)組1，在豎直方向上y=240附近，孔位分布并不均勻，這是因?yàn)樵趫D中標(biāo)記的區(qū)域，2條印制線間的距離僅為14.6 mm，無法容納1個到兩邊印制線距離都至少為8的孔位。將參數(shù)d調(diào)整為6后，按照參數(shù)組2和3算出的孔位分布已經(jīng)比較均勻了。對比圖8(c)和圖1(a)，可以看到參數(shù)組3算出的孔位與實(shí)際工程圖有極高的相似度。

圖1(b)所示印制板的工程圖是按照1∶1.5的比例繪制的，本文采用表2所示的2組參數(shù)計(jì)算它的安裝孔位，如圖9所示。

表2 對圖1(b)所示印制板計(jì)算孔位的參數(shù)組 mm

圖9 圖1(b)所示印制板不同參數(shù)計(jì)算實(shí)例

由圖可見，兩組計(jì)算結(jié)果的安裝孔位分布都很均勻，且有效地避開了印制線并與其保持有一定的距離。對比原工程圖，參數(shù)組1所得到安裝孔的疏密程度與之相當(dāng)，總安裝孔數(shù)為52個；參數(shù)組2則更密一些，共有108個安裝孔，而算法的優(yōu)勢就在于能快速排出足夠多的符合要求的孔位。

本文按照參數(shù)d= 4.5 mm，dx=dy= 25 mm計(jì)算了圖1(c)所示印制板的安裝孔位，結(jié)果如圖10(a)所示。得到了豎直方向上相距31 mm的2排安裝孔，與原工程圖相比，這2排安裝孔間距更小一些，且少了中間一排共4個安裝孔。這是因?yàn)閳D中A、B處的2個矩形框形成了豎直方向上大跨度的禁區(qū)。對于這種特殊情況有2種處理辦法，一種是在上述參數(shù)計(jì)算的結(jié)果上由設(shè)計(jì)師進(jìn)行修訂，即在中間區(qū)域添加適當(dāng)?shù)陌惭b孔位；另一種是去掉印制板中的干擾項(xiàng)即2個矩形框再進(jìn)行計(jì)算，然后剔除結(jié)果中與矩形框有干涉的孔位。圖10(b)為去掉4個矩形框后以參數(shù)d= 4.5 mm，dx=dy= 20 mm算出的安裝孔位，可以看到在A處有2個孔位不滿足要求。

圖10 圖1(c)所示印制板的計(jì)算實(shí)例

3 結(jié)束語

本文針對印制板設(shè)計(jì)過程中安裝孔位的排布提出了一套算法，可以較好地通過計(jì)算機(jī)完成孔位排布的繁瑣工作。

本文的算法將印制線分解為水平和豎直2個獨(dú)立的方向，在簡化問題的同時(shí)卻也使孔位排布不夠靈活。如果設(shè)計(jì)算法時(shí)將2個方向耦合，在信息更加完備的情況下將會得到更理想的孔位排布。此外，印制板的安裝往往需要局部加強(qiáng)，比如印制線的出入口位置需要焊接導(dǎo)體或電連接器，設(shè)計(jì)師會在周圍特意安排幾個螺釘。當(dāng)然，這種情況可以先用計(jì)算機(jī)自動排好安裝孔，然后再由設(shè)計(jì)師進(jìn)行校核和修正。

[1] 李思陽, 陳麗麗. 螺栓緊固型印制板組件簡化建模研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2013, 36(2): 68-70.

[2] 弓永明, 劉浩鑫, 邱蘊(yùn). 功分器在相控陣饋電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J]. 電子科技, 2014, 27(4): 85-87.

[3] 傅世強(qiáng), 周陽, 房少軍. 一種微帶結(jié)構(gòu)的新型不等分功分器設(shè)計(jì)[J]. 電子科技, 2013, 36(4): 154-161.

[4] 張武, 屈博, 王軻平, 等. 功分器組合法蘭推孔工裝設(shè)計(jì)[J]. 火控雷達(dá)技術(shù), 2014(4): 91-94.

[5] 蔣占四, 吳義忠, 蔣慧. 智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)可視化開發(fā)工具研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010(3): 242-243.

[6] 肖人彬. 智能設(shè)計(jì)原理與技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[7] 金超寧, 陳堅(jiān)強(qiáng), 許瑛. 自動制孔系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2015(6): 238-244.

劉彰宜(1987-)，男，工程師，主要從事天線陣面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

沈 禮(1987-)，女，工程師，主要從事天線陣面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

Research on Automatic Arrangement Method for Mounting Holes of a Kind of Large-size PCB

LIU Zhang-yi，SHEN Li

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Bolt tightening PCB (printed circuit board) is widely used in radar field. For structure reliability and stable performance, it is needed to arrange a large number of mounting holes when designing large-size bolt tightening PCB. But the structure irregularity of printed wiring makes the work cumbersome. In order to reduce designer′s work and increase efficiency, an algorithm is designed to automatically arrange mounting holes on PCB by studying a kind of large-size PCB and finding that the printed wiring is mainly composed of horizontal wires and vertical wires. The algorithm is applied to three specific engineering instances. It turns out that the mounting holes arranged through the algorithm with appropriate parameters are highly similar to that of original PCB, and meet the PCB design requirements. It indicates that the algorithm has certain engineering significance.

printed circuit board; mounting holes; automatic arrangement

2016-08-09

TN703

A

1008-5300(2016)06-0056-04