張昧藏 趙亞娜 楊瑞棟 田小梅 楊 志 王 薇 杜太存

宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化方案淺析

張昧藏 趙亞娜 楊瑞棟 田小梅 楊 志 王 薇 杜太存

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

依據(jù)“數(shù)字化、自動(dòng)化”等理念和規(guī)劃，針對(duì)宇航電子產(chǎn)品電子裝聯(lián)行業(yè)工藝設(shè)計(jì)存在的問題，并結(jié)合其全生命周期研制的特點(diǎn)與要求，從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、協(xié)同設(shè)計(jì)、并行工程、DFM技術(shù)與軟件集成等方面對(duì)自動(dòng)工藝性審查進(jìn)行分析，在知識(shí)驅(qū)動(dòng)下探索一種基于工藝知識(shí)庫的快速工藝編制方法，初步制定了宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的規(guī)劃方案。

工藝設(shè)計(jì)；DFM；知識(shí)庫；并行設(shè)計(jì)；自動(dòng)化

1 引言

梳理近幾年宇航電子產(chǎn)品質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)電子裝聯(lián)問題引起的失效占比高達(dá)60%。而大部分是由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性差所帶來的操作失誤、缺乏可檢驗(yàn)性、測(cè)試性不合理等方面的問題造成的。然而，一方面設(shè)計(jì)師對(duì)一些設(shè)計(jì)工藝性的、涉及影響產(chǎn)品生產(chǎn)的規(guī)范未完全掌握；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的工藝性審查串行流程手段較落后，多數(shù)是依賴工藝設(shè)計(jì)師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品實(shí)際研制情況，但未形成體系，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的知識(shí)庫與規(guī)范的實(shí)施流程。同時(shí)宇航電子產(chǎn)品研制節(jié)點(diǎn)緊，常常導(dǎo)致工藝性審查工作十分緊迫。隨著制造端的生產(chǎn)設(shè)備越來越先進(jìn)，制造過程管理和追溯系統(tǒng)也越來越完善，但缺少面向工藝性審查與工藝編制的專業(yè)工具仍然制約著工藝性審查工作的準(zhǔn)確度與效率，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)今工藝情況示意圖

結(jié)合宇航電子產(chǎn)品多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)與其研發(fā)制造模式提出新的要求。除了宇航電子產(chǎn)品制造過程的智能化外，前端的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化無疑是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品智能制造的重要組成部分。自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)可有效解決傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)過程迭代周期長、流程復(fù)雜、效率低以及資源分配不合理等問題。目前，國內(nèi)已有諸多單位開展了基于特征、知識(shí)和人工智能的工藝設(shè)計(jì)升級(jí)研究與應(yīng)用，天津某單位結(jié)合多年經(jīng)驗(yàn)打造了數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，在協(xié)同關(guān)聯(lián)下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化創(chuàng)建工藝規(guī)程[1]；同時(shí)航天科工集團(tuán)某所與航天科技集團(tuán)某所均研究了以產(chǎn)品BOM及屬性作為輸入，基于成熟標(biāo)準(zhǔn)體系與知識(shí)庫的快速工藝生成技術(shù)，取得了良好的效果。工藝設(shè)計(jì)師能利用專業(yè)的軟件從設(shè)計(jì)之初就加強(qiáng)對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝性的審查，在知識(shí)庫的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)強(qiáng)化工藝文件細(xì)化、量化要求，提高工藝文件的指導(dǎo)性與可操作性，保證產(chǎn)品質(zhì)量，避免低級(jí)問題發(fā)生的目標(biāo)，提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品研制周期。因此，制定一套完善的宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化方案十分有意義。

2 宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化方案

2.1 宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系

宇航電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，需借鑒國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，以國家標(biāo)準(zhǔn)為指引，充分結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品的特點(diǎn)，建立起適應(yīng)型號(hào)產(chǎn)品研制的與基礎(chǔ)研制環(huán)境相一致的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)體系，國內(nèi)電子裝聯(lián)與印制板標(biāo)準(zhǔn)具體如圖2所示。

圖2 電子裝聯(lián)與印制板標(biāo)準(zhǔn)

目前“電子裝聯(lián)和印制板標(biāo)準(zhǔn)”專業(yè)領(lǐng)域包含了國家、軍用航天行業(yè)、集團(tuán)公司標(biāo)院級(jí)和廠所標(biāo)準(zhǔn)。共計(jì) 674 項(xiàng)，其中已有標(biāo)準(zhǔn)562 項(xiàng)（ GB 8 項(xiàng)、 GJB 30項(xiàng)、 QJ 62項(xiàng)、QJA 3項(xiàng)、院廠所 456項(xiàng)），擬制定標(biāo)準(zhǔn) 112 項(xiàng)（ GJB 7項(xiàng)、 QJ 51項(xiàng)、QJA 3項(xiàng)、院廠所51項(xiàng)）。

方案分別對(duì)PCB板廠制造能力、焊接工藝方法要求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行了深入研究，逐項(xiàng)分類進(jìn)行整理，形成PCB裸板可制造性規(guī)則庫及PCB裝配可制造性規(guī)則庫，并形成所級(jí)工藝規(guī)范，為智能工藝設(shè)計(jì)建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

2.2 并行設(shè)計(jì)與DFM技術(shù)

以并行設(shè)計(jì)為理論基礎(chǔ)，對(duì)宇航電子產(chǎn)品及其相關(guān)過程開展并行和集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化工作模式研究。探索邊設(shè)計(jì)邊審查的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同模式，掌握并行工程的關(guān)鍵——DFM分析技術(shù)，將產(chǎn)品的工程要求與制造能力相匹配，從而堅(jiān)持產(chǎn)品開發(fā)過程不但要考慮產(chǎn)品的功能和性能要求，而且要考慮與產(chǎn)品整個(gè)生命周期相關(guān)的工程實(shí)踐因素帶來的影響，并行地進(jìn)行可制造性設(shè)計(jì)，尤其是強(qiáng)調(diào)板級(jí)設(shè)計(jì)階段各環(huán)節(jié)的并行[2]。通過設(shè)計(jì)階段必要的細(xì)化，避免發(fā)生難以制造的問題，整體實(shí)現(xiàn)降低成本、縮短周期、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量及先進(jìn)性。同時(shí)形成工藝設(shè)計(jì)師對(duì)設(shè)計(jì)方案與圖紙并行參與的審查機(jī)制，以標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)容中的規(guī)定為依據(jù)，以數(shù)據(jù)化驅(qū)動(dòng)智能化，開展了基于Vayo軟件的DFM自動(dòng)審查技術(shù)研究，將梳理完備的元器件信息庫與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則庫與軟件深度集成，示意圖如圖3所示，提前識(shí)別產(chǎn)保設(shè)計(jì)要素（如安全間距等要素）的落實(shí)情況，如圖4所示。并實(shí)現(xiàn)快速生成報(bào)告，打通設(shè)計(jì)與工藝的信息通道，DFM審查在板級(jí)設(shè)計(jì)中導(dǎo)入，審查模式由軟件平臺(tái)自動(dòng)分析代替了傳統(tǒng)人工審查，解決以前存在的審查不一致性和局限性問題，提前暴露設(shè)計(jì)不足，使設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造之間緊密聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造一次成功，提高了單板設(shè)計(jì)可制造工藝性。

圖3 Vayo軟件的DFM自動(dòng)審查

圖4 安全間距（不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求）示意圖

按照對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性和可能性，在DFM評(píng)審規(guī)則中通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣得出“風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)級(jí)”，如表1所示，篩選質(zhì)量影響程度高和中的進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[3]。對(duì)于高度與極高度風(fēng)險(xiǎn)的提交二級(jí)審理。同時(shí)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)上傳企業(yè)數(shù)字化協(xié)同管理平臺(tái)，達(dá)到產(chǎn)品全生產(chǎn)周期的技術(shù)狀態(tài)的管控。

表1 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)級(jí)

2.3 “一鍵式”生成PCBA電子裝聯(lián)工藝文件

以印制板組裝件為研究對(duì)象，開展“一鍵式”生成PCBA電子裝聯(lián)工藝文件設(shè)計(jì)研究。以信息化平臺(tái)為基礎(chǔ)，在知識(shí)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)工藝文件快速生成，降低人為因素造成的工藝質(zhì)量差異，提高工藝文件的設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，有效提升工藝設(shè)計(jì)水平[4]?！耙绘I式”生成工藝方案框架如圖5所示。

圖5 “一鍵式”生成工藝方案框架

強(qiáng)化工藝知識(shí)庫建設(shè)與管理。工藝知識(shí)庫是實(shí)現(xiàn)智能化工藝的核心，如圖6所示。根據(jù)單位實(shí)際產(chǎn)品研制情況與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，分析、識(shí)別知識(shí)庫相關(guān)內(nèi)容，建立典型特征庫、工藝流程庫、工藝資源庫、關(guān)聯(lián)規(guī)則庫、元器件屬性庫（包括元器件鍍層、濕敏等級(jí)、是否成形等信息）如表2所示。并制定專項(xiàng)工藝人員對(duì)知識(shí)庫定期更新與維護(hù)，形成一套科學(xué)的管理辦法。

圖6 工藝知識(shí)庫示意圖

表2 元器件屬性庫

圖7 典型工藝流程圖

結(jié)合并行工程的思想，將結(jié)構(gòu)性工藝知識(shí)融于工藝設(shè)計(jì)的過程中，把宇航電子產(chǎn)品典型工藝流程圖拆解為每個(gè)工序，將工序作為工藝流程的子節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化工序卡，生成工藝文件模板庫，完成結(jié)構(gòu)化工藝的編制。結(jié)構(gòu)化工藝模型如圖7。同時(shí)對(duì)工藝文件內(nèi)各個(gè)要素（如工藝卡片等）進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、一致性地整理，通過參數(shù)化配置引用標(biāo)準(zhǔn)操作庫的內(nèi)容，對(duì)結(jié)構(gòu)化要素的內(nèi)容填寫完善之后，完成印制板組裝件所需的工藝輸出。

創(chuàng)新工藝文件生成模式。系統(tǒng)以設(shè)計(jì)圖紙為輸入，人工選取從工藝流程庫中選擇一條適用于該產(chǎn)品的全工藝流程。通過軟件系統(tǒng)在選配界面中自動(dòng)識(shí)別、點(diǎn)亮BOM屬性中與工藝流程自動(dòng)生成及裝入件自動(dòng)匹配相關(guān)的關(guān)聯(lián)屬性，提供與圖紙技術(shù)要求相關(guān)的特征選配，通過人機(jī)交互進(jìn)行配置，基于元器件屬性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配，如元器件是否需要成形，如果是，就會(huì)觸發(fā)進(jìn)入下一步工序[4]。也可通過條件觸發(fā)的方式進(jìn)行如先清洗后三防，是否有工藝螺釘?shù)葪l件的邏輯判斷觸發(fā)，最后經(jīng)過修改、完善、調(diào)整快速生成工藝文件并完成受控下發(fā)。工作模式如圖8所示。

圖8 快速工藝工作模式

3 結(jié)束語

自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)是未來的先進(jìn)制造的重要組成部分，近年來引起了宇航電子產(chǎn)品領(lǐng)域的高度重視[5]，針對(duì)其制造特點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)要求開展深入研究是實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)量、高效率、高效益”目標(biāo)的重要途徑。

本文為了解決傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)重復(fù)性高、專業(yè)工具落后、過程迭代周期長、效率低以及資源分配不合理等問題，以宇航電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系與工藝設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，基于并行設(shè)計(jì)思想與DFM支撐技術(shù)，充分論證了開展宇航電子產(chǎn)品智能工藝性審查的研究所需要滿足的能力條件，提出了基于宇航電子產(chǎn)品高標(biāo)準(zhǔn)要求的規(guī)劃，并從高效、準(zhǔn)確的角度出發(fā)，對(duì)基于工藝知識(shí)庫的快速工藝編制的方法進(jìn)行全面分析，初步制定了宇航電子產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的規(guī)劃方案。以期提升適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的工藝設(shè)計(jì)能力和水平，大力推進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用替代傳統(tǒng)依賴人工的低效作業(yè)模式，從而全面提高宇航電子產(chǎn)品生產(chǎn)的效率、質(zhì)量并降低成本。

1 茍俊峰，張仲瑤，靜寶超. 航天印制板數(shù)字化組裝技術(shù)探討與實(shí)踐[C]. 2019年航天電裝工藝技術(shù)交流會(huì)

2 江平，黃春躍. 基于DFM集成板級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)[J]. 電子工藝技術(shù)，2014，35(4)：207～209

3 黃鑫茂，陳大偉. 智能工藝資源開發(fā)模型的設(shè)計(jì)與風(fēng)管[J]. 科學(xué)大眾，2017(5)：191

4 金蓓蓓. 電裝自動(dòng)化設(shè)備研究與開發(fā)[R]. 2019年航天型號(hào)工藝培訓(xùn)

5 謝穎，王政理. 軍工電子企業(yè)智能工廠規(guī)劃方案淺析[J]. 電子世界，2018(16)：5～7

Brief Analysis of Intellectualized Scheme for Technological Design of Aerospace Electronic Products

Zhang Meicang Zhao Yana Yang Ruidong Tian Xiaomei Yang Zhi Wang Wei Du Taicun

(Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100076)

According to “digitization and automation” ideas and planning, aiming at the problems existing in the technological design of the electronic assembly industry of aerospace electronic products, and combining the characteristics and requirements of the whole life cycle manufacture, this paper analyses the intelligent technological review from the aspects of standard specification system, intelligent design, concurrent engineering, DFM technology and software intergration. A knowledge-driven method for rapid proess planning based on proess knowledge base is expored, and anintellectualized scheme for technological design of aerospace electronic products is preliminarily made.

technological design；DFM；knowledge base；concurrent design；automation

張昧藏（1989），工程師，電子與通信工程專業(yè)；研究方向：宇航電子產(chǎn)品裝聯(lián)工藝設(shè)計(jì)與高可靠性研究工作。

2020-04-11