电子技术的发展日新月异，元器件尺寸越来越小、种类越来越多，由此带来电子装配技术的高密度、集成化。电子装配所涉及的知识将更多，同时随着市场竞争的越来越激烈，电子设备结构复杂与改型快的矛盾、预研与实际生产之间的矛盾也将表现地更加突出。传统的工艺编制方式不能很好地管理、利用企业的基础工艺知识，工艺编制效率低，迫切需要采用先进的工艺编制方式，改善电子装配企业的工艺管理状况，提高工艺编制的效率，使企业以最快的速度将产品投入市场。
目前国内大部分的计算机辅助工艺（Computer Aided Planning，CAPP）系统是针对机械零件加工领域的，装配CAPP方面的研究与机加工CAPP相比，显得有些滞后。这种情况是多种因素制约的结果：一方面是在传统的观念中装配工艺由手工完成、人的活动是主要的，从而使得装配工艺具有很大的主观性、不确定性和经验性，这种情况造成了装配工艺的不规范性和工艺规则的模糊性；另一方面与加工过程相比，装配工艺需要解决多个零件之间的关系，需解决的问题更加复杂。以上两个因素是造成装配CAPP研究进展缓慢的主要原因。
电子产品的装配与机械产品的装配有着显著的区别：一方面电子产品的结构较机械产品的结构简单，更多地表现为元器件的装配；另一方面电子装配作业的自动化程度明显高于机械产品装配。这方面以印制电路板装配（Print Circuit Assembly，PCA）为代表，由于通孔插装技术尤其是表面贴装技术（Surface Mount Technology，SMT）的应用，大部分装配工序都可以由机器完成，大幅度提高了装配作业的自动化水平。这就为CAPP技术在电子装配领域内的应用提供了广阔的前景。
1 电子装配工艺
目前主要存在以下3种装配工艺：
(1)整机装配工艺
位于产品制造过程的最后，从完工的零部件上综合表现出生产车间各部门的情况。整机装配工艺目前仍然以手工操作为主，比较落后，再加上是小批量生产，并且整机装配不仅仅涉及到元器件、电路的装配，同时也涉及到结构，使得装配工艺的编制更加复杂，其工艺流程具有不确定性，工艺编制更多地是依靠工艺人员创造性的思维。
(2)印刷电路板装配(PCA)工艺
印制电路板组装技术经历了手工、半自动、插装THT和表面贴装SMT4个发展阶段。目前，印制电路板上大部分元件是表面贴装类元器件，也有少量通孔插装类元器件，因此印制电路板的装配方法主要是下列3种：表面贴装方法、通孔插装方法以及两种方法的混合装配方法。印制电路板装配工艺具有如下特点：
①由于SMT的广泛使用，使得印制电路板上的元器件种类、数量众多，编制工艺规程时需要逐个对这些元器件进行识别，信息量庞大。
②机器操作，自动化程度高。
③对于表面贴装和通孔插装方法，其内部的工序顺序相对固定，工艺设计重在对印制电路板上元器件的正确识别以及工艺参数的选择。
④工艺规程较规范，工序内容的描述标准化程度强。
(3)电缆装配工艺
电缆的装配实际上就是将电缆插头连接到电缆上。电缆装配工艺流程十分清楚，每一种电缆插头，其装配时剥制电缆方法与装配方法都是固定的。对于电缆插头数多于两个且由许多根导线组成的非同轴电缆其装配的流程与上述的装配过程相似，每一种电缆插头的装配内容也是固定的。复杂之处在于其插头数目众多，工艺员需要确定这些插头的装配顺序，并给出导线接线表与展开图。
2 系统体系结构
2.1 设计模式
根据不同电子装配工艺设计的不同特点，电子装配CAPP系统中应该具有以下两种工艺设计模式：
(1)以人为主的交互式工艺设计
这种模式下人是工艺设计的主体，而计算机只是最大限度地辅助工艺员进行工艺编制，减少工艺员事务性的劳动，但并不参与决策的过程。该工艺设计模式适用于工艺编制复杂、工艺流程不确定的整机装配工艺。根据整机装配工艺的编制过程CAPP在这种模式下应主要完成一些辅助性工作。
(2)以计算机为主的智能化工艺设计
在这种模式下，计算机根据系统中存储的决策性知识，自动决策生成工艺规程，人只是在必要时才介入计算机的决策过程。对于印制电路板装配工艺和电缆装配工艺设计，都适于采用这种方式。实现这种设计模式的基础是对工艺设计中用到的知识进行总结，建立丰富的知识库。
对于印制电路板装配工艺，其工艺编制各阶段用到的知识如图1所示。
图1 印刷电路板装配知识
对于电缆装配工艺设计，知识主要体现在各种类型的电缆插头的装配方法上。可以将这些装配方法以典型工艺的形式存储在知识库中，供系统自动调用。
以上两种工艺设计模式往往并不是割裂开的，而是有机地结合在一起。
2.2 总体框架
为解决传统的电子装配工艺编制模式带来的问题，电子装配CAPP系统还应满足以下几个要求。
(1)面向产品
企业的产品设计、生产准备、生产管理和成本核算等均以产品作为基本对象。面向产品的CAPP系统能摆脱以零组件为主体对象，可使产品信息得到最大程度的共享，保证工艺的一致性；有利于用计算机对产品工艺数据进行有效管理，将工艺人员从汇总统计等重复性劳动工作中解放出来，保证工艺文件的准确性、一致性；便于和PDM、MRPⅡ、MIS等系统集成。
(2)集成化
从企业信息化的角度考虑CAPP系统应具有高度的集成性，能够保证与其他制造信息系统集成。
(3)网络化
网络化的CAPP系统能够使所有工艺员共享一份产品数据，保证数据一致性，也易于实现工艺知识、经验的共享。
(4)规范化
在手工设计情况下，设计的工艺一致性差、规范性差。系统必须保证设计工艺的规范化和标准化。
根据各种电子装配工艺的特点以及在CAPP系统中将要采取的设计模式，并满足电子装配对CAPP系统的总体要求，确立电子装配CAPP系统是以产品数据为核心、以数据库为基础、集智能化工艺设计与管理于一体并包含工艺知识管理的应用系统。该系统主要可以划分为：产品结构管理、工艺知识管理、综合智能化工艺设计以及各种辅助工具。系统总体结构如图2所示。
图2 基于知识的电子装配CAPP系统体系
2.3 系统工作流程
产品结构管理员首先通过手工或产品结构导入工具建立产品结构，存放在CAPP的产品数据库中。工艺员进入系统后根据需编制工艺的部件产品或组件的类型选择一种工艺设计类型，在知识库的支持下完成工艺设计。工艺设计的结果，即工艺规程存放在CAPP工艺规程库中.系统的总体工作流程如图3所示。
图3 基于知识的电子装配CAPP系统工作流程
3 工艺知识管理
3.1 工艺知识库
电子装配工艺知识库系统表现为三层体系结构：上层为图形用户界面，用户通过该界面与系统进行交互；中间层为对象操纵与查询层，包括对象类的定义与编辑、对象实例的定义与编辑、对象方法、规则的定义与编辑等；下层为知识库表（物理数据库表）操纵与查询层，该层实现对存储在知识库中数据的操纵与查询。
图4 知识库系统逻辑结构图
3.2 知识获取与建模
知识获取就是抽取领域知识并将其形式化的过程，知识获取的方法有3种类型：间接知识获取、直接知识获取、自动知识获取。由于工艺设计经验性强、技巧性高，工艺设计理论和工艺决策模型化研究仍不成熟，这使工艺决策知识获取只能采用间接知识获取方法，即从具有丰富实践经验的工艺人员、企业现行的工艺文件以及企业的典型工艺规程里获取。
在基于对象模型的知识获取技术中，每个知识获取过程都是以知识对象模型为模板进行。图5表示工艺知识获取步骤，知识工程师首先识别领域内信息实体——对象类；在对象识别的基础上，确定对象类的属性及属性值域，找出对象之间、对象属性之间的关系，并从已识别的对象和关系中识别相关的新的对象和关系，直到确定领域中所有对象；然后，确定操作领域对象和关系的方法，研究问题求解子任务，划分、分类和组织知识单元，最终得到所有领域知识。
图5 工艺知识获取步骤
基于对象模型的知识获取与分析综合运用从底向上及从顶向下的技术。一方面知识的对象模型包括了丰富的领域对象、对象属性、对象值域、对象关系、推理方法、任务结构，不断进行数据提取的办法可以看作从底向上的方法。知识获取过程的不断往复则是从顶向下技术的应用，其指导知识的获取，不断分析、补充新的知识。
3.3 知识模型
按照基于知识对象模型的工艺知识获取步骤，首先确立电子装配CAPP系统的领域对象，包括工艺对象（印制电路板装配工艺、电缆装配工艺、整机装配工艺）、装配对象（型号、系统、部件产品、零组件）；总结出这些对象的属性；然后由顶向下，针对与每个领域相关的其他对象、对象属性以及这些对象之间的关系，将决策知识按照其所属的工艺对象实体进行组织，形成对象类下的方法；再结合对象类属性与对象类之间的关系，得到电子装配工艺知识模型。如图6所示。
图6 电子装配知识模型
4 系统工作流程
工艺系统首先获取印制电路板装配工艺信息，调用安装方法与安装顺序，确定印制电路板总体工艺路线，继而调用SMT与THT设计方法对工艺路线进行细化，最后针对工序链表中的所有工序，调用其对象类下的方法完成工序的详细设计。以单面混装流程为例，系统的工作过程如图7所示。
图7 电子装配工艺系统工作流程
5 结束语
通过对电子装配工艺流程的深入了解，分析电子装配工艺不同于一般机械零件工艺的显著特点，采用对象模型法研究工艺知识的获取方法，以对象类描述工艺信息实体的信息结构，在知识管理的基础上，借助于CAPP的先进理念，深入研究基于知识的电子装配CAPP系统，为CAPP技术从传统制造业向电子装配工艺领域的拓展奠定坚实的基础。
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本文标题：基于知识的电子装配工艺规划系统研究
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