虚拟电子智能制造工厂控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种虚拟电子智能制造工厂控制系统及其控制方法。

背景技术：

近年来，制造业已重新成为全球经济竞争的制高点，全世界都在思考如何应对新一轮工业革命。老牌制造业强国纷纷从国家战略高度提出未来发展的纲要，如德国“工业4.0”、美国“工业互联网”、日本“科技工业联盟”、英国“工业2050战略”等。我国于2015年5月也推出了《中国制造2025》发展战略。

工业4.0的发展特征：

工业1.0：机械化(设备与工具，少品种少批量)；

工业2.0：电气化(流水线，少品种大批量)；

工业3.0：自动化(电脑控制，多品种大批量)；

工业4.0：智造化(自动化+物联化+信息化+智能化+协同化，多品种少批量)。

电子工业4.0是为适应多品种少批量生产方式而横空出世的高新技术，是一个复杂的系统工程，主要包括：电子智能制造生产线、互联网+产品定制系统、vr虚拟仿真系统、工业物联网、生产与企业管理信息化和大数据云计算系统。实现主要步骤为：第一步自动化、第二步信息化、第三步互联化、第四步智能化。

国外对工业4.0及相关技术的研发己进入应用阶段，主要集中在机械和汽车制造等，真正实现电子工业4.0的只有西门子成都工厂等少数企业。国内的电子工业4.0及相关技术的研发主要来自大型企业，如华为、中兴、海尔、格力、美的等企业均进行数字信息化ems(electronicmanufacturingsystem)的改造和物流工业物联网的更新，电子工业4.0个性化定制智能制造系统仍没有突破。国内高校和研究所对电子工业4.0及相关技术的研发还仅局限于工业4.0体系结构、智能控制理论和大数据云计算等上，还没有进入应用阶段。

智能制造工厂是工业4.0的核心，国外已研制出机械和汽车的工业4.0个性化定制智能制造系统，但电子工业还没有。因电子产品千变万化，pcb设计的产品不一定符合大批量生产的要求，电子生产线及工业机器人的种类繁多且自动化程度高，电子智能制造工厂艰难形成统一标准化的制造工艺和运行流程。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种虚拟电子智能制造工厂控制系统及其控制方法。

实现本发明目的的技术方案是虚拟电子智能制造工厂控制系统，包括产品定制系统、企业管理系统、车间管理系统、专家智能系统、质量控制专家系统、电子vr虚拟制造工厂以及将前述系统相互通信连接的互联网；

所述产品定制系统，用于接收用户定制产品的pcb设计文档，再通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性，完成定制产品的销售定单和物料单；

所述企业管理系统，用于根据定制产品的销售定单和物料单，完成制定工厂级的销售、财务、物流计划；

所述专家智能系统，包括产品制造工艺智能设计系统和设备智能编程系统，用于完成定制产品的制造工艺的智能设计和制造设备的智能编程，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，进行虚拟仿真验证，并输出包含定制产品的制造工艺流程和工艺参数的工艺文件；

所述车间管理系统，用于根据企业管理系统制定的计划和工艺文件，完成制定车间级的产量、工艺流程、物流、质量、看板、监控计划；

所述电子vr虚拟制造工厂，用于根据工艺文件、企业管理系统制定的计划和车间管理系统制定的计划，漫游找到每个工序设备，完成所选择的工序设备的交互操作，包括：生产准备、生产运行和生产故障处理；

所述质量控制专家系统，用于接收电子vr虚拟制造工厂反馈的生产运行数据和生产故障处理数据，并生成质量文件传输给车间管理系统。

步骤一：所述产品定制系统接收用户定制产品的pcb设计文档，再通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性，完成定制产品的销售定单和物料单；

步骤二：所述企业管理系统根据定制产品的销售定单和物料单，完成制定工厂级的销售、财务、物流计划；

步骤三：所述专家智能系统完成定制产品的制造工艺的智能设计和制造设备的智能编程，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，进行虚拟仿真验证，并输出包含定制产品的制造工艺流程和工艺参数的工艺文件；

步骤四：所述车间管理系统根据企业管理系统制定的计划和工艺文件，完成制定车间级的产量、工艺流程、物流、质量、看板、监控计划；

步骤五：所述电子vr虚拟制造工厂根据工艺文件、企业管理系统制定的计划和车间管理系统制定的计划，漫游找到每个工序设备，完成所选择的工序设备的交互操作，包括：生产准备、生产运行和生产故障处理；

步骤六：所述质量控制专家系统接收电子vr虚拟制造工厂反馈的生产运行数据和生产故障处理数据，并生成质量文件传输给车间管理系统，再反馈给企业管理系统。

所述步骤一中，通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性：先根据企业标准设定所述的pcb设计的物理和结构参数的特征规则值，然后所述的电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品所有pcb设计的物理和结构参数是否符合特征规则值的要求；所述的pcb设计的物理和结构参数包括：焊盘间最小间距(cx，cy)、焊盘与过孔最小间距(fx，fy)、焊盘与通孔最小间距(ix，iy)、标号与pcb板边缘最小间距(kx，ky)、定位孔与pcb板边缘最小间距(nx，ny)。

所述焊盘间最小间距

焊盘与过孔最小间距

焊盘与通孔最小间距

标号与pcb板边缘最小间距

定位孔与pcb板边缘最小间距

其中，(aix，aiy)为第i个焊盘的中心坐标，(bix，biy)为第i个焊盘的焊盘尺寸，(dix，diy)为第i个过孔的中心坐标，(фid)为第i个过孔的直径，(gix，giy)为第i个通孔的中心坐标，(фig)为第i个通孔的直径，标号中心坐标(jix，jiy)为第i个标号的中心坐标，(фij)为第i个标号的直径，(px，py)为pcb板尺寸，(mix，miy)为第i个定位孔的中心坐标，标号尺寸(фim)为第i个定位孔的直径。

所述专家智能系统包括产品制造工艺智能设计系统和设备智能编程系统；

所述产品制造工艺智能设计系统采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，并通过虚拟仿真系统进行验证。

所述产品制造工艺智能设计系统的方法为：先基于组装工艺类型和主次芯片类型，建立工艺专家规则库；再根据定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程的每个工序和相应设备，并且3d动画仿真演示所设计的工艺流程，验证工艺流程的正确性和合理性；最后自动优化设置制造工艺流程的每个工序的工艺参数。

所述组装工艺类型包括：fc手机像机、bga电脑、qfp家电、bga/qfp工控、bga/qfn汽车电子、sop家电、pop手机通信产品、mcm军工；

所述主次芯片类型包括：fc、bga、qfp、qfp、qfn、sop、pop、mcm、chip；

所述工艺专家规则库包括：典型组装工艺类型的工艺流程规则、vr虚拟制造工厂的生产线配置规则、典型组装工艺类型的主次芯片类型的工艺参数规则；

所述决策树算法为：利用树的形式，按照组装工艺类型和主次芯片类型的特征，根据特征划分子树，按照子树特征查找，直到滿足度为1时停止查找特征，并调用工艺专家规则库中的规则参数；函数为：

其中，d为定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型，a为定义的组装工艺类型和主次芯片类型，gain(d)为定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型的编玛，entropy(a)为定义的组装工艺类型和主次芯片类型的特征编玛，gain_rate(d)为滿足度。

所述设备智能编程系统的方法为：根据优化的定制产品制造的工艺参数，基于程式专家规则库进行制造设备的cam程序及参数的智能优化编程及设置，并根据所编制的制造设备的cam程序，用3d动画模拟设备工作过程；

所述程式专家规则库包括：丝印机程式规则、贴片机程式规则、点胶机程式规则、回流焊程式规则、插件机程式规则、波峰焊程式规则和aoi测试机程式规则，每个程式专家规则均包括设备工作流程和运动坐标参数；

所述基于程式专家规则库进行制造设备的cam程序及参数的智能优化编程及设置是用产品制造工艺智能设计系统优化的工艺参数自动修正程式专家规则库的制造设备cam程式；

所述根据所编制的制造设备cam程序，用3d动画模拟设备工作过程为：根据制造设备的cam程序文档，自动转换为设备动作的3d动画，可视化检测cam程序的正确性和合理性。

所述vr虚拟制造工厂包括：贴装虚拟车间、插装虚拟车间、总装虚拟车间和智能仓库；所述贴装虚拟车间包括低速生产线、中高速生产线、高精度生产线、叠层生产线；所述插装虚拟车间包括插装生产线；所述总装虚拟车间包括总装流水线、包装流水线、和在流水线之间运动的工业机器人；所述智能仓库包括元器件库、工具配件库、半成品库、成品库、工业机器人和avg运输车。

所述生产准备是在vr虚拟制造工厂中的高速生产线上，完成关键设备的生产准备操作，包括：丝印机)、贴片机、回流炉、波峰焊；

所述生产运行是在vr虚拟制造工厂环境中，按照步骤三所设计的定制产品的工艺流程，先漫游找到每步工序的设备，再完成每步工序的设备在线交互操作，包括：上料、生产模拟运行、取料；并3d仿真每个工序的设备加工完成后定制产品的结构变化，模拟产品生产真实过程；

所述故障处理是在vr虚拟制造工厂中，根据设置的生产故障报警显示，漫游找到故障设备，完成设备故障处理，包括：关机、处理、开机运行；生产故障主要有：丝印机缺锡膏、贴片机缺元器件、波峰焊缺焊锡。

采用了上述技术方案后，本发明具有积极的效果：本发明的系统和方法具有一定的智能性、通用性、简便性和可靠性，提供一个全新的可行的实现基于工业4.0的虚拟电子智能制造工厂的方法。适用于电子生产企业升级创新和高校职校培训教学。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的框图。

具体实施方式

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种，用于解决现有技术中，为了解决上述问题，本发明的总体思路如下：

如图1所示，虚拟电子智能制造工厂控制系统，包括产品定制系统、企业管理系统、车间管理系统、专家智能系统、质量控制专家系统、电子vr虚拟制造工厂以及将前述系统相互通信连接的互联网；

所述产品定制系统，用于接收用户定制产品的pcb设计文档，再通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性，完成定制产品的销售定单和物料单；

所述企业管理系统，用于根据定制产品的销售定单和物料单，完成制定工厂级的销售、财务、物流计划；

所述专家智能系统，包括产品制造工艺智能设计系统和设备智能编程系统，用于完成定制产品的制造工艺的智能设计和制造设备的智能编程，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，进行虚拟仿真验证，并输出包含定制产品的制造工艺流程和工艺参数的工艺文件；

所述车间管理系统，用于根据企业管理系统制定的计划和工艺文件，完成制定车间级的产量、工艺流程、物流、质量、看板、监控计划；

所述电子vr虚拟制造工厂，用于根据工艺文件、企业管理系统制定的计划和车间管理系统制定的计划，漫游找到每个工序设备，完成所选择的工序设备的交互操作，包括：生产准备、生产运行和生产故障处理；

所述质量控制专家系统，用于接收电子vr虚拟制造工厂反馈的生产运行数据和生产故障处理数据，并生成质量文件传输给车间管理系统。

首先需要说明书的是，在本发明各个实施例中，所涉及的术语为：

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面，通过具体的实施例对本发明的技术方案进行详细介绍和说明。

步骤一：所述产品定制系统接收用户定制产品的pcb设计文档，再通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性，完成定制产品的销售定单和物料单；

通过电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品的pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性：先根据企业标准设定所述的pcb设计的物理和结构参数的特征规则值，然后所述的电子产品pcb设计分析算法自动分析定制产品所有pcb设计的物理和结构参数是否符合特征规则值的要求；所述的pcb设计的物理和结构参数包括：焊盘间最小间距(cx，cy)、焊盘与过孔最小间距(fx，fy)、焊盘与通孔最小间距(ix，iy)、标号与pcb板边缘最小间距(kx，ky)、定位孔与pcb板边缘最小间距(nx，ny)。

所述焊盘间最小间距

焊盘与过孔最小间距

焊盘与通孔最小间距

标号与pcb板边缘最小间距

定位孔与pcb板边缘最小间距

其中，(aix，aiy)为第i个焊盘的中心坐标，(bix，biy)为第i个焊盘的焊盘尺寸，(dix，diy)为第i个过孔的中心坐标，(фid)为第i个过孔的直径，(gix，giy)为第i个通孔的中心坐标，(фig)为第i个通孔的直径，标号中心坐标(jix，jiy)为第i个标号的中心坐标，(фij)为第i个标号的直径，(px，py)为pcb板尺寸，(mix，miy)为第i个定位孔的中心坐标，标号尺寸(фim)为第i个定位孔的直径。

在本步骤中，通过分析pcb设计的可制造性和制造工艺复杂性，实现了工业4.0的产品定制的特征。

步骤二：所述企业管理系统根据定制产品的销售定单和物料单，完成制定工厂级的销售、财务、物流计划；

步骤三：所述专家智能系统完成定制产品的制造工艺的智能设计和制造设备的智能编程，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，进行虚拟仿真验证，并输出包含定制产品的制造工艺流程和工艺参数的工艺文件；

所述专家智能系统包括产品制造工艺智能设计系统和设备智能编程系统；

所述产品制造工艺智能设计系统采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程和工艺参数，并通过虚拟仿真系统进行验证。

所述产品制造工艺智能设计系统的方法为：先基于组装工艺类型和主次芯片类型，建立工艺专家规则库；再根据定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型，采用决策树算法自动确定定制产品的制造工艺流程的每个工序和相应设备，并且3d动画仿真演示所设计的工艺流程，验证工艺流程的正确性和合理性；最后自动优化设置制造工艺流程的每个工序的工艺参数。

所述组装工艺类型包括：fc手机像机、bga电脑、qfp家电、bga/qfp工控、bga/qfn汽车电子、sop家电、pop手机通信产品、mcm军工；

所述主次芯片类型包括：fc、bga、qfp、qfp、qfn、sop、pop、mcm、chip；

所述工艺专家规则库包括：典型组装工艺类型的工艺流程规则、vr虚拟制造工厂的生产线配置规则、典型组装工艺类型的主次芯片类型的工艺参数规则；

所述决策树算法为：利用树的形式，按照组装工艺类型和主次芯片类型的特征，根据特征划分子树，按照子树特征查找，直到滿足度为1时停止查找特征，并调用工艺专家规则库中的规则参数；函数为：

其中，d为定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型，a为定义的组装工艺类型和主次芯片类型，gain(d)为定制产品的组装工艺类型和主次芯片类型的编玛，entropy(a)为定义的组装工艺类型和主次芯片类型的特征编玛，gain_rate(d)为滿足度。

所述设备智能编程系统的方法为：根据优化的定制产品制造的工艺参数，基于程式专家规则库进行制造设备的cam程序及参数的智能优化编程及设置，并根据所编制的制造设备的cam程序，用3d动画模拟设备工作过程；

所述程式专家规则库包括：丝印机程式规则、贴片机程式规则、点胶机程式规则、回流焊程式规则、插件机程式规则、波峰焊程式规则和aoi测试机程式规则，每个程式专家规则均包括设备工作流程和运动坐标参数；

所述基于程式专家规则库进行制造设备的cam程序及参数的智能优化编程及设置是用产品制造工艺智能设计系统优化的工艺参数自动修正程式专家规则库的制造设备cam程式；

所述根据所编制的制造设备cam程序，用3d动画模拟设备工作过程为：根据制造设备的cam程序文档，自动转换为设备动作的3d动画，可视化检测cam程序的正确性和合理性。

步骤四：所述车间管理系统根据企业管理系统制定的计划和工艺文件，完成制定车间级的产量、工艺流程、物流、质量、看板、监控计划；

步骤五：所述电子vr虚拟制造工厂根据工艺文件、企业管理系统制定的计划和车间管理系统制定的计划，漫游找到每个工序设备，完成所选择的工序设备的交互操作，包括：生产准备、生产运行和生产故障处理；

所述vr虚拟制造工厂包括：贴装虚拟车间、插装虚拟车间、总装虚拟车间和智能仓库；所述贴装虚拟车间包括低速生产线、中高速生产线、高精度生产线、叠层生产线；所述插装虚拟车间包括插装生产线；所述总装虚拟车间包括总装流水线、包装流水线、和在流水线之间运动的工业机器人；所述智能仓库包括元器件库、工具配件库、半成品库、成品库、工业机器人和avg运输车。

所述生产准备是在vr虚拟制造工厂中的高速生产线上，完成关键设备的生产准备操作，包括：丝印机)、贴片机、回流炉、波峰焊；

所述生产运行是在vr虚拟制造工厂环境中，按照步骤三所设计的定制产品的工艺流程，先漫游找到每步工序的设备，再完成每步工序的设备在线交互操作，包括：上料、生产模拟运行、取料；并3d仿真每个工序的设备加工完成后定制产品的结构变化，模拟产品生产真实过程；这一步，实现了工业4.0的虚拟制造的特征。

所述故障处理是在vr虚拟制造工厂中，根据设置的生产故障报警显示，漫游找到故障设备，完成设备故障处理，包括：关机、处理、开机运行；生产故障主要有：丝印机缺锡膏、贴片机缺元器件、波峰焊缺焊锡。

步骤六：所述质量控制专家系统接收电子vr虚拟制造工厂反馈的生产运行数据和生产故障处理数据，并生成质量文件传输给车间管理系统，再反馈给企业管理系统。这一步，实现了工业4.0的信息化制造的特征。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。