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MBD产品设计中的三维元器件装配设计方法研究
2017-03-31 21:50:41  作者:丁来军 张瑜  来源:互联网
  •   在产品设计中,结构设计和电路设计是2个很重要的设计环节。电路设计一般采用EDA软件实现,侧重于电气性能、信号完整性、线路布局设计,对元器件的几何特性只提供大致二维信息,一般不提供电路板的三维模型。 ...

  在产品设计中,结构设计和电路设计是2个很重要的设计环节。电路设计一般采用EDA软件实现,侧重于电气性能、信号完整性、线路布局设计,对元器件的几何特性只提供大致二维信息,一般不提供电路板的三维模型。结构设计一般采用CAD工具软件,特别是现在结构设计贯彻MBD设计语言,不再使用二维图纸表达,而大量采用三维模型表达产品结构布局、部件内部各组件位置、空间、质量等的分配与调整。结构设计、电路设计两者往往各自按照总体的设计要求自顶向下进行设计,这种情况下,结构件和电路板之间可能会产生干涉冲突。

  (1)产品内部空间有限,设计完成的电路板选定元器件装配后,可能造成板间元器件布局不合理,无法事先评估板间元器件电磁干扰、热效应与振动效应等问题。

  (2)当前电路板设计工具软件多采用二维设计方法,不提供电路板及其元器件的三维模型。若要在结构分析中看到电路板的外形,传统的方法是在结构设计中绘制电路板,以及其上的元器件三维模型,然后再完成结构分析,造成了重复工作。

  (3)不采用结构样机,而靠物理样机来解决结构设计和电气设计之间可能的干涉问题,会使产品设计的周期延长、风险增大、投入提高,已不适应当今产品的开发模式。

  MBD(ModelBased Definition)技术是以三维模型为载体,产品的所有相关信息都能关联到产品模型中,基于模型的产品定义,打破了结构设计和电路设计两大设计领域直接的数据壁垒,模型按照MBD设计要求建立,以参数驱动三维元器件模版尺寸,同时赋予元器件及PCB版的材料信息,从而实现电路板模型质量、仿真分析对最终产品的影响。三维元器件装配将NX、Mentor、Teamcenter8 3种已有的商品化软件融合在一起,实现了结构样机的电子三维结构模型建立,主要功能包括三维电子元器件快速建模、三维元器件模型库管理、电路板和元器件三维模型的自动装配等部分。

  系统在NX、Teamcenter8环境下运行,数据处理结果由Teamcenter8统一管理,同时需要与Mentor系统进行元器件及电路信息数据交换、与ERP系统进行物资编码信息同步自动更新。

  三维元器件装配实现了具有用户权限控制的参数化三维电子元器件快速建模工具,建立并维护了装配用三维电子元器件模型库;实现了NX与Mentor元器件库接口,系统自动提取Mentor的电路板文件和电子元器件的三维模型进行自动装配,并生成了正确的EBOM结构,在此基础上实现了已装配电路板的干涉检查、重量分析、模态分析模块。图1所示为元器件三维模型和电路板组件装配模型示意图。

  三维元器件装配建立在机电结合基础上,是一种跨学科应用系统。它既面向产品电路EDA设计,又统筹融合现有基于PDM系统的结构设计,同时实现了与ERP系统的信息集成,是结构样机电路系统建模的突破。经调研,三维元器件装配实现的多系统协作集成,在国内处于领先地位。

  

图1 元器件三维模型和电路板装配模型示意图

  图1 元器件三维模型和电路板装配模型示意图

  1 三维元器件装配设计

  根据结构样机组成全、信息准的需要,贯彻基于模型的定义(MBD)设计思想,以Teamcenter8为实施平台建立三维元器件库,按优选元器件范围建立模型并纳入库中进行管理,利用Teamcenter8的Inclass模块对资源进行分类显示。通过建立统一的、通用的优选资源库能够减少设计中的重复工作,缩小物资选用范围,同时设计中能够生成包含物料代码的完整EBOM,为批产后物资采购等工作打下基础。

  三维元器件装配主要包括三维元器件参数化建模、三维模型库的创建与管理、电路板三维模型的自动装配等部分。在Teamcenter8和NX环境下运行时,需要与EDA设计系统进行电路板信息数据交换,与ERP系统进行物资编码信息的同步自动更新。三维元器件装配建立独立的元器件模型库,在PDM、NX、Mentor等现有软件的支持下形成独立的软件系统,系统体系结构如图2所示。

  

图2  三维元器件装配体系结构图

  图2 三维元器件装配体系结构图

  1.1 三维元器件参数化建模

  考虑到存储代价及检索效率等因素,对元器件进行结构分类。三维模型本着“外形相似”的原则,建立模板库、模型库、元器件库。结构相似的模型归属于一个模板,结构相同的元器件归属于一个模型,模型符合MBD要求。涉及到的实体有模板、模型、模板定义、材料、元器件等5个,它们之间的关系可用图3所示的E—R形式描述。m代表自然数,表示1对多的关系。

  

图3 三维电子元器件库结构分类E—R模型

  图3 三维电子元器件库结构分类E—R模型

  从图3可以看出,元器件和模型之间是1:m的关系,即每个电子元器件都唯一属于一种模型,一个模型可以包含多个元器件;同理,模型和模板之间也是1:m的关系,即每一个模型都属于一个模板,一个模板可以包含多个元器件模型;材料和模型之间是1:m的关系,即一种材料可以对应多个元器件模型,但一个元器件模型只能对应一种材料。

  为了适应不同模板所包含的不同参数、类型,需要设计“模板定义”实体,用以描述该模板下的所有电子元器件所具有的几何参数信息。模板和模板定义之间也是1:m的关系,即每一个模板定义参数都属于一个模板,一个模板可以包含多个模板定义参数。

  对于元器件三维模板的生成,可以描述为参数化建模的实例化。针对数据库中已有的三维元器件模板(见图4),按照“结构相同”原则,并根据用户的调用,直接从数据库中读取该类元器件的模板文件(.PRT文件);同时,根据模板提供的参数,自动生成元器件的三维元器件模型。模型保存时自动按实体模型(*.PRT)和轻量化模型(*.JT)2种方式在Teameenter8环境下存储并统一管理。

  

图4 三维元器件模板

  图4 三维元器件模板

  三维元器件为产品MBD设计服务,是MBD设计环境的重要组成部分,可以为计算电路板模型质量、仿真分析做准备。

  由三维元器件模版实例化生成的三维元器件模型所有尺寸都替换成实际数值,符合MBD设计的要求(见图5)。

  

图5 符合MBD设计要求的三维元器件模型

  图5 符合MBD设计要求的三维元器件模型

  1.2 三维元器件库的创建与管理

  三维元器件库中的规格、牌号、适用标准、质量等级等属性信息是从ERP系统获得,ERP系统是数据来源。通过开发的中间件方式进行信息通信,保持三维元器件库与ERP中相应的物资编码之间属性详细的更新同步,为生成全属性BOM打下基础。

  三维元器件项目建立的流程如图6所示。首先,设计员为元器件申请ERP物料编码,将物料编码提供给三维元器件库管理员。然后,管理员在数据中心查询物料信息并在库中建立元器件项目,同时查询封装样本建立NX三维模型,保存至元器件项目。管理员还需要查询元器件供应商信息,并将元器件项目与已建立的供应商库中关联供应商建立对映关系。

  

图6 三维元器件条目生成过程

  图6 三维元器件条目生成过程

  其中,从数据中心获取元器件属性信息功能采用中间件通信方式实现(见图7)。ERP系统将有元器件资源的条目和各项属性传至数据中心表单,同时将日常的资源更改信息传至消息中间件。三维元器件库接收到中间件新建和更改属性消息后,通过物料代码在数据中心表单获取更新的属性同步回三维元器件库,保证了与ERP系统信息的实时一致性。

  

图7 通过中间件消息通信实现三维元器件

  图7 通过中间件消息通信实现三维元器件

  1.3 三维电路板装配

  三维电路板装配工作流程如图8所示。电路板自动装配时,在NX环境下读取PDM系统保存的Mentor设计数据文件作为输入。首先提取文件包含的电路外形信息、孔信息、元器件列表信息,生成三维电路板模型;然后以元器件列表信息从三维电子元器件库中按物料编码调取元器件模型,读取Mentor元器件的定位信息(x、y、z坐标)及定向信息,通过装配程序实现自动坐标定位,进行自动装配,生成正确的EBOM结构装配树(如果库缺件会形成缺件列表,通知库管理员补充)。形成电路板及其上元器件的装配体后,将装配完毕的装配体保存至PDM中。在此基础上进行重量分析、有限元分析、干涉检查等检测与分析,并形成完整的检测报告。

  

图8 电路板和元器件三维模型的自动装配用户工作流程

  图8 电路板和元器件三维模型的自动装配用户工作流程

  2 应用效果

  通过三维元器件装配的建设与推广,建立了Teamcenter8中设计资源库与ERP系统物料的信息通信,最大限度地实现现有不同设计领域系统的协调工作,在实现手段上支持将元器件分类编码标准贯穿电路设计、结构设计、数据管理等机电产品设计全过程,保证了设计资源库中三维元器件的三级管理,涵盖了原优选元器件目录和型号已应用元器件目录(见图9)。

  

图9 建立的三维元器件模板库

  图9 建立的三维元器件模板库

  此外,还给设计人员提供了友好的元器件设计资源库,实现了基于NX的三维电路板自动装配(见图10),解决结构样机中一直缺乏电路结构三维模型的难题,打通机电设计间的壁垒,完善了结构设计的功能手段,为型号结构样机的完整建立奠定了技术基础。

  

图10 电路板装配后示意图

  图10 电路板装配后示意图

  3 结论

  本系统采用了基于PDM系统的信息集成策略,通过开发系统的信息集成接口,实现了在PDM系统中自动创建电子电路产品、电路板、元器件对象及图形化的产品结构树,完成了产品数据由设计系统向PDM系统的自动导人,并将产品、物料的有关信息自动传递给ERP系统,保证了整个系统具有完整、一致、可靠的产品模型和数据,实现了企业的信息集成,在实际应用中取得了良好的效果。



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