基于数字孪生的PCB板制作过程调试系统，方法及加工设备与流程

基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统，方法及加工设备
技术领域
1.本发明涉及电路板加工技术领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统，方法及加工设备。


背景技术：

2.数字孪生的概念最初由grieves教授于2003在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出，并被定义为三维模型，包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接。数字孪生开发平台是通过利用数字化模型、传感器更新、运行信号等数据，在虚拟空间中完成对现实自动化设备映射，创建与现实设备同步的虚拟设备，用于设备可视化的全生命周期管理。
3.pcb(printed circuit board)，中文名称为印制线路板，简称印制板，是电子工业的重要部件之一。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了它们之间的电气互连，都要使用印制板。
4.而现有的pcb板生产根据不同需求，包括单面pcb板，双面pcb板以及多层pcb板，其中，多层pcb板还进一步根据需求包括4层板，6层板，10层板等多种类型。而针对不同类型的需求，需要进行不同的工艺设计，每次都需要重新设计加工图纸和工艺清单，十分浪费人力物力，且对于pcb板加工过程中，还需要单独增加检测环节进行残次品排查，需要人工或设备从头到尾检查，才能找出问题。且每一环节经过检查后，下一环节还需要再次安排检测，导致加工过程时间周期长，成本也大。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明通过数字孪生构建pcb板制作过程调试系统，实现将物理空间中的设备生产过程映射到3d数字孪生平台端，通过数字孪生平台实现对pcb板制作过程的实时监管和设计。
6.具体的，本发明提供一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统，至少包括：设备管理模块，pcb工艺管理模块、数据处理模块和数字孪生仿真调试模块。
7.所述设备管理模块根据不同产品构建多个生产线项目，每一所述生产线项目按生产流水标识设备序号，每一所述设备序号绑定对应设备的配置参数和生产参数。
8.所述pcb工艺管理模块根据所述设备序号设置对应设备的生产工艺卡，每一所述生产工艺卡至少包括一种工艺流程清单。
9.所述数据处理模块根据所述生产线项目，分别获取所述对应设备的配置参数和生产参数，以及对应的工艺流程清单，根据设备序号构建完整的项目生产流程，归一化处理后发送至所述数字孪生仿真调试模块。
10.所述数字孪生仿真调试模块，根据所述项目生产流程生成对应的pcb板制作过程数字孪生体，采集实时生产数据对所述pcb板制作过程数字孪生体进行优化，并对应更新所
述配置参数，生产参数和工艺流程清单。
11.其中，所述设备管理模块根据不同产品构建多个生产线项目，具体包括：在所述设备管理模块中新增或修改设备的配置参数和生产参数，每一设备对应至少一组配置参数和生产参数；按生产流水依次选取每一节点的设备，并对应生成设备序号，将所述设备序号分别绑定对应设备的配置参数和生产参数后，按顺序全部导出生成一生产线项目；所述配置参数至少为设备尺寸，工作状态参数和电气参数；所述生产参数至少包括设备的加工进程和生产过程控制参数。
12.所述生产工艺卡采用excel进行设置，具体包括：表头，设备主体图，参数配置栏以及工艺流程清单栏。具体的：所述表头为设备序号。
13.所述设备主体图呈现对应的设备3d图。
14.所述参数配置栏根据标准或非标准的工艺需求，进行设定工艺参数或选择预设的工艺参数；根据所述工艺参数从sql或acess数据库中调取对应工艺流程清单发送至所述工艺流程清单栏。
15.所述pcb板制作过程数字孪生体，至少包括设备数字孪生体和工艺过程数字孪生体，具体的：所述设备数字孪生体包括所述项目生产流程中所有设备，及各设备间根据功能关系设置耦合连接关系；所述设备数字孪生体根据所述配置参数和生产参数初始化后，根据设备实时生产数据仿真相应的加工动作。
16.所述工艺过程数字孪生体根据所述工艺流程清单和所述设备数字孪生体仿真pcb板制作的全过程，并通过在线评估模型判断每一节点的pcb板制作误差，生成项目生产流程评价报告发送至上位机。
17.所述设备管理模块通过plc控制器的通讯接口，对实际设备和设备数字孪生体进行信号配置，通过上位机根据设备的配置参数和生产参数驱动所述设备数字孪生体发送动作和显示的虚拟i/o信号，实现虚拟i/o信号与所述实际设备间的映射关系。
18.优选的，所述在线评估模型至少包括aoi扫描检测单元，阻焊缺陷检测单元以及pcb板表面缺陷检测单元。
19.优选的，所述项目生产流程评价报告具体为：根据所述在线评估模型的结果，采用基于深度学习算法库中的评价模型对所述设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价；所述项目生产流程评价报告中至少包括项目生产流程综合评分，评估不合格的设备和工艺流程清单，以及待更新的配置参数和生产参数。
20.作为另一优选的，本发明还提供了一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试的方法，所述方法包括以下步骤：s1：根据产品需求构建生产线项目，所述生产线项目按生产流水标识设备序号，每一所述设备序号绑定对应设备的配置参数和生产参数；s2：根据所述设备序号设置对应设备的生产工艺卡，每一所述生产工艺卡至少包括一种工艺流程清单；s3：分别获取所述对应设备的配置参数和生产参数，以及对应的工艺流程清单，根据设备序号构建完整的项目生产流程，归一化处理后发送至所述数字孪生仿真调试模块；
s4：生成对应的pcb板制作过程数字孪生体，采集实时生产数据对所述pcb板制作过程数字孪生体进行优化，并对应更新所述配置参数，生产参数和工艺流程清单。
21.其中，所述s4还包括：s41：通过plc控制器的通讯接口，对实际设备和设备数字孪生体进行信号配置，通过上位机根据设备的配置参数和生产参数驱动所述设备数字孪生体发送动作和显示的虚拟i/o信号，实现虚拟i/o信号与所述实际设备间的映射关系，根据功能关系设置设备间的耦合连接关系，完成设备数字孪生体构建，用于根据设备实时生产数据仿真相应的加工动作；s42:根据所述工艺流程清单和所述设备数字孪生体仿真pcb板制作的全过程，完成工艺过程数字孪生体构建；s43：通过在线评估模型判断每一节点的pcb板制作误差，采用基于深度学习算法库中的评价模型对所述设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价，生成项目生产流程评价报告发送至上位机。
22.作为另一优选的，本发明还提供了一种加工设备，用于pcb板制作，所述加工设备根据预设的配置参数，生产参数和工艺流程清单进行pcb板制作，并将记录生产过程中的实时生产数据发送至pcb板制作过程调试系统，所述pcb板制作过程调试系统采用如上所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统。
23.此外，本发明还可以提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统。
24.本发明提供一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统，方法及加工设备，通过构建物理空间的pcb板制作过程数字孪生体，将数字孪生体与现实设备间信息进行绑定，实现在数字孪生体中模拟现实设备的生产过程。本发明提供的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统可以用于生产前进行加工参数，工艺设计，设备的配置参数和生产参数进行设置，并同步至设备端进行pcb板制作。同时结合pcb板制作过程中的实时数据，驱动所述数字孪生体同步执行相应动作，基于实时生产数据和仿真过程进行在线评估，采用基于深度学习算法库中的评价模型对所述设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价。
25.本发明的有益效果在于：（1）可以通过数字孪生仿真pcb板制作过程，将物理空间中的设备及pcb板制作映射到数字孪生平台，并通过3d建模还原物理空间中的设备和生产加工全过程，通过数字孪生可以有效直观设计整个pcb板制作生产线，以及各个设备之间的链接关系。
26.（2）在基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统中对应设置pcb板制作的设备配置参数和生产参数，以及工艺流程清单，对于标准pcb板可以直接在系统中选择配置参数，对于非标准pcb板可直接在系统中进行参数新增或修改，还可以预先对仿真出来的pcb板制作过程进行质量评估，若评估结果不理想，可以再根据评估结果进行调整。最终获得理想配置参数。通过数字孪生的pcb板制作过程调试系统进行参数设置后，直接导入至设备端进行加工。可以有效避免因为设计不合理或误差导致批量产品不合格或重大生产事故。
27.（3）构建工艺流程清单，可以基于此生成对应的工艺流程清单数据库。可以有效满足企业按批量不同型号pcb板生产的需求。方便快速调取已经设计好的工艺流程清单，高效实现产线调整。
28.（4）采用在线评估模型，可以有效降低各个环节需要增加人手进行测试的成本，且通过在线实时评估，更加精准，也更能实时反馈，及时发现异常情况。
29.（5）除了在线评估，对于不同项目也进行总体评价，从而可以便于企业中不同项目的管理和优化。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
31.图1是本发明所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统示意图；图2是本发明所述的设备管理模块示意图。
32.图3是本发明所述的生产线项目配置表示意图。
33.图4是本发明所述的生产工艺卡示意图。
34.图5是本发明所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试方法流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
36.具体的，本发明提供一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统，如图1所示，至少包括：设备管理模块，pcb工艺管理模块、数据处理模块和数字孪生仿真调试模块。
37.所述设备管理模块根据不同产品构建多个生产线项目，如图2所示，在所述设备管理模块中点击“新增”，则可以在状态栏中新增加一条生产线项目，点击“生产线项目”左侧的“修改”直接进入生产线项目配置表中，在“生产线项目”右侧则为该生产线项目当前状态，包括执行中，暂停，待审核，完成状态，根据生产线项目当前进度进行实时更新。
38.对于不需要继续执行的生产线项目，选择该项目一栏后，点击“删除”。
39.对于已经完成的生产线项目，选中该项目一栏后，点击“入库”存储。
40.在设置好生产线项目中的内容后，点击“保存”，设置好的数据会同步发送至设备端进行下一步生产准备工作。
41.其中，生产线项目配置表，如图3所示，每一所述生产线项目按生产流水标识设备序号，每一所述设备序号绑定对应设备的配置参数和生产参数。根据生产流程对应选择上方的设备，通过点击左侧三角形，可以下拉设备栏进行选择。例如，设置单面pcb加工的生产线项目，对应生产流程依次为：开料-内层线路制作-内层蚀刻-压合-钻孔-对钻孔后的板进行沉铜板电-外层线路制作-电镀-蚀刻-阻焊-文字制作-成型。
42.根据该生产流程中各个加工节点使用的设备，依次按序进行选择。完成后点击保存，退出即可。
43.所述pcb工艺管理模块根据所述设备序号设置对应设备的生产工艺卡，每一所述
生产工艺卡至少包括一种工艺流程清单。
44.优选的，所述生产工艺卡采用excel进行设置，如图4所示，具体包括：表头，设备主体图，参数配置栏以及工艺流程清单栏。具体的：所述表头为设备序号。
45.所述设备主体图呈现对应的设备3d图。
46.所述参数配置栏根据标准或非标准的工艺需求，进行设定工艺参数或选择预设的工艺参数；根据所述工艺参数从sql或acess数据库中调取对应工艺流程清单发送至所述工艺流程清单栏。其中，参数配置栏中根据不同的设备功能，进行相应的参数配置设置。优选的，sql或acess数据库中为预先存储或收录的对应所述设备功能及其参数配置的工艺流程清单，至少包括单面pcb制作，双面pcb制作以及多层pcb制作所需的设备及其各个加工环节的工艺清单。其中，工艺流程清单包括完整的设备工作过程，以及每一步骤操作的详细说明。当sql或acess数据库中未能匹配对应的工艺流程清单时，会优选匹配近似的工艺流程清单，并呈现在工艺流程清单栏中供查阅。对于需要调整的工艺节点，点击下方的修改键进行工艺流程清单的更新和修改，并点击保存后，更新补充进sql或acess数据库。
47.所述数据处理模块根据所述生产线项目，分别获取所述对应设备的配置参数和生产参数，以及对应的工艺流程清单，根据设备序号构建完整的项目生产流程，归一化处理后发送至所述数字孪生仿真调试模块。
48.所述数字孪生仿真调试模块，根据所述项目生产流程生成对应的pcb板制作过程数字孪生体，采集实时生产数据对所述pcb板制作过程数字孪生体进行优化，并对应更新所述配置参数，生产参数和工艺流程清单。
49.其中，所述设备管理模块根据不同产品构建多个生产线项目，具体包括：在所述设备管理模块中新增或修改设备的配置参数和生产参数，每一设备对应至少一组配置参数和生产参数；按生产流水依次选取每一节点的设备，并对应生成设备序号，将所述设备序号分别绑定对应设备的配置参数和生产参数后，按顺序全部导出生成一生产线项目；所述配置参数至少为设备尺寸，工作状态参数和电气参数；所述生产参数至少包括设备的加工进程和生产过程控制参数。
50.所述pcb板制作过程数字孪生体，至少包括设备数字孪生体和工艺过程数字孪生体，具体的：所述设备数字孪生体包括所述项目生产流程中所有设备，及各设备间根据功能关系设置耦合连接关系；优选的，设备至少包括pcb板生产线中的中印刷机、锡膏厚度检测设备、贴片机、回流焊炉、aoi光学检测设备、板级性能测试设备等，均不限于此。通过数据总线实现实际设备与设备数字孪生体空间的互联互通。
51.所述设备数字孪生体根据所述配置参数和生产参数初始化后，根据设备实时生产数据仿真相应的加工动作。
52.所述工艺过程数字孪生体根据所述工艺流程清单和所述设备数字孪生体仿真pcb板制作的全过程，并通过在线评估模型判断每一节点的pcb板制作误差，生成项目生产流程评价报告发送至上位机。
53.所述设备管理模块通过plc控制器的通讯接口，对实际设备和设备数字孪生体进行信号配置，通过上位机根据设备的配置参数和生产参数驱动所述设备数字孪生体发送动
作和显示的虚拟i/o信号，实现虚拟i/o信号与所述实际设备间的映射关系。
54.优选的，所述在线评估模型至少包括aoi扫描检测单元，阻焊缺陷检测单元，以及pcb板表面缺陷检测单元，但不限于此。
55.aoi扫描检测单元：通过利用aoi设备进行扫描检测获取灰阶实物图，并通过调整阈值将获取的图像进行二值化处理，确定pcb的疑似缺陷；采用离线复检过滤部分假缺陷；利用vt复检机对过滤后疑似缺陷进行真假缺陷确定。针对不同产品的表面的基材与金属的反光敏感度不同，合理调整阈值，尽可能的将灰度值的th分界达到理想值，可以有效的减少误报并且还可以减少设备漏失。增加的vt复检机进行离线复检可以将一些假缺陷过滤，给vt复检机节省了大量的时间。通过采集aoi扫描检测单元对加工过程中的pcb板缺陷的检测结果，并实时上传至在线评估模型端，进行判断pcb存在的缺陷。
56.阻焊缺陷检测单元：采用自动光学检查设备对电路板阻焊图案自动光学检查，在光化学成像法加工中，简要过程为：基板和油墨准备
→
第一面全板涂覆
→
预干燥
→
第二面全板涂覆
→
预干燥
→
曝光
→
显影
→
后固化。首先，全板涂覆液态感光阻焊涂料，经预干燥后，以底版为阻光掩蔽膜，对电路板进行曝光，然后，显影冲洗去除被掩蔽区域上未被曝光的阻焊剂，形成初始阻焊图案，最后，再对成型的阻焊图案进行彻底固化，结束阻焊图形制作流程。光化学成像法使用光敏阻焊剂，为防止底版与阻焊剂粘在一起，曝光前，要先对阻焊剂进行预固化，显影后，才可以彻底固化阻焊剂。故采用自动光学检查设备对电路板阻焊图案进行焊接区阻焊剂污染检查，具体为根据电路板阻焊图案cam数据，并对阻焊图案进行拍照获取对应的阻焊剂分布图，二者进行比对从而判断出阻焊缺陷。
57.pcb板表面缺陷检测单元：获取电路板表面缺陷的检测模型；获取待检测电路板表面图像；对表面图像进行裁剪、归一化预处理；将预处理后的表面图像作为检测模型的输入图像，检测模型对输入图像进行检测并将检测后的图像调整为原电路板大小尺寸的输出图像，同时输出缺陷位置在输出图像的坐标信息、缺陷类型、缺陷数量；控制机械手标记缺陷位置。通过pcb板表面缺陷检测单元可以有效提高多品种电路板表面缺陷检测效率。
58.优选的，所述项目生产流程评价报告具体为：根据所述在线评估模型的结果，采用基于深度学习算法库中的评价模型对所述设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价；所述项目生产流程评价报告中至少包括项目生产流程综合评分，评估不合格的设备和工艺流程清单，以及待更新的配置参数和生产参数。
59.其中，深度学习算法库中至少包括线性回归模型，支持向量机，决策树，随机森林算法，神经网络模型等，均不限于此。采用上述深度学习算法库中的任意一种进行设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价。例如，对设备状态进行正常、注意、异常、严重、待优化等评价。以及，通过深度学习算法对各个项目中的工艺流程清单进行评价，寻找加工过程中的薄弱环节，为后续改进给出指引。
60.例如，项目生产流程评价报告如下表所示：
作为另一优选的，本发明还提供了一种基于数字孪生的pcb板制作过程调试的方法，如图5所示，本发明中的调试方法，具体包括以下步骤：s1：根据产品需求构建生产线项目，所述生产线项目按生产流水标识设备序号，每一所述设备序号绑定对应设备的配置参数和生产参数；s2：根据所述设备序号设置对应设备的生产工艺卡，每一所述生产工艺卡至少包括一种工艺流程清单；s3：分别获取所述对应设备的配置参数和生产参数，以及对应的工艺流程清单，根据设备序号构建完整的项目生产流程，归一化处理后发送至所述数字孪生仿真调试模块；s4：生成对应的pcb板制作过程数字孪生体，采集实时生产数据对所述pcb板制作过程数字孪生体进行优化，并对应更新所述配置参数，生产参数和工艺流程清单。
61.其中，所述s4还包括：s41：通过plc控制器的通讯接口，对实际设备和设备数字孪生体进行信号配置，通
过上位机根据设备的配置参数和生产参数驱动所述设备数字孪生体发送动作和显示的虚拟i/o信号，实现虚拟i/o信号与所述实际设备间的映射关系，根据功能关系设置设备间的耦合连接关系，完成设备数字孪生体构建，用于根据设备实时生产数据仿真相应的加工动作；s42:根据所述工艺流程清单和所述设备数字孪生体仿真pcb板制作的全过程，完成工艺过程数字孪生体构建；s43：通过在线评估模型判断每一节点的pcb板制作误差，采用基于深度学习算法库中的评价模型对所述设备管理模块和pcb工艺管理模块进行综合评价，生成项目生产流程评价报告发送至上位机。
62.作为另一优选的，本发明还提供了一种加工设备，用于pcb板制作，所述加工设备根据预设的配置参数，生产参数和工艺流程清单进行pcb板制作，并将记录生产过程中的实时生产数据发送至pcb板制作过程调试系统，所述pcb板制作过程调试系统采用如上所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统。
63.此外，本发明还可以提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的基于数字孪生的pcb板制作过程调试系统。
64.尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。
65.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
66.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
67.本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
68.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。