一类大尺寸印制板安装孔位的自动排布方法研究*

刘彰宜，沈 礼

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

一类大尺寸印制板安装孔位的自动排布方法研究*

刘彰宜，沈 礼

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

螺栓紧固型印制板在雷达领域应用广泛。对于大尺寸的螺栓紧固型印制板，为了结构可靠及性能稳定，设计时需要在上面排布大量的安装孔，而印制线在结构上的规律性较弱，从而导致安装孔的布置成为一项繁琐的工作。为了减轻设计师的负担，有效提高工作效率，针对一类大尺寸印制板，根据印制线主要由水平线段和竖直线段组成的特点，设计了一套可以自动地为印制板排布安装孔位的算法。将此算法应用于3个具体的工程实例，发现在适当的参数下，算法排布的安装孔与原印制板有较高的相似度，且满足印制板设计要求，表明该算法具有一定的工程意义。

印制板；安装孔位；自动排布

引 言

印制电路板(PCB)是电子设备最基本的组成部分，各种电子元器件之间进行电气连接的“桥梁”是航天[1]和雷达领域常见的零部件。它是微带线和带状线型功分器的核心零部件。功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路相等或不相等输出能量的器件，它在天线馈电网络中有着广泛应用[2-3]，也是相控阵雷达天线中的一个重要组件[4]。为了提高功分器的结构可靠性，雷达领域多采用螺栓紧固方式，将印制板与壳体连接加固。印制板螺纹安装孔的位置分布既要使印制板固定牢靠(有时还要求接地面与壳体贴合紧密)，又要保证每个安装孔与印制线有一定的安全距离。由于印制线在结构上并不具备一般的规律，因此每个安装孔都需要经过设计确认以免距印制线太近，甚至正好打在印制线上。对于一些简单的功分器，如一分二、一分三等，其印制板的安装孔较易排布；而对于一些复杂的一分多功分器，如一分六、一分八等，印制板往往需要成百的螺钉来固定，其安装孔的排布则是一项非常繁琐的工作。

为了缩短产品的设计开发周期，将各种智能技术(如专家系统、知识工程等)引入到设计活动中来一直受到人们的关注[5]。如专著从宏观的角度系统地论述了产品智能设计的基本理论和方法[6]，论文中构建了一种制孔专家系统[7]。此外，计算机辅助设计及其二次开发有效地提高了设计师的工作效率和设计质量。本文通过一系列算法设计实现了印制板安装孔位的自动排布，可有效减少设计师的工作量，将设计师从简单重复的劳动中解放出来。

1 算法设计

1.1 印制线结构外形特点分析

图1所示为一类典型的印制板，其中图1(a)、图1(b)为垂直出针，图1(c)为水平出针，他们具有十分相似的几何拓扑，都是在有限的空间内将一定宽度的印制线设计出特定的路径以达到功率、相位等电学要求。

图1 印制板示意图

图中众多的小圆圈为结构工程师排布的安装孔位，主要起到固定印制板的作用。安装孔尽量均布在整块印制板上，保证安装可靠，对于模拟电路板还要使其接地面与壳体贴合紧密，同时安装孔应与印制线保持一定的距离d。一般来说，工程中的螺纹安装孔会有一定的周期性以实现简洁设计；然而由于印制线相对不规则，无法通过简单的阵列来设计印制板的安装孔位。设计师会根据自己的经验和印制线的具体走势来排布安装孔，可以看到图中印制板的许多安装孔都在同一条水平或竖直线上，图1(a)尤其明显，几乎形成了类似围棋棋盘的网格，安装孔就在格点上，这也是规则性与不规则性相互妥协的结果。利用印制线的长度集中在水平和竖直方向上，借鉴图1(a)中印制板安装孔的设计规则，可以设计一套算法来确定安装孔的位置。

1.2 印制线预处理

结构设计中，线段是最简单的几何要素，印制线恰好主要由线段构成，这有利于数据处理和算法设计。首先收集印制线的线段信息，然后按水平和竖直方向将其分为横线段和竖线段2组。图2所示为图1(a)中印制线的线段信息，4个腰形孔内因无法设计安装孔位，可以看成一段特殊的印制线，因此也将其所含线段收集在内。图3和图4分别为印制线所包含的横线段和竖线段。从分组的线段中可以看到一些线长极短的小线段，它们是印制线线宽发生变化时产生的。可以认为这些小线段对于安装孔的分布没有影响，因此在进一步处理中需要将这些小线段滤掉。

图2 印制线的线段信息提取

图3 印制线的横线段

图4 印制线的竖线段

安装孔水平方向上的位置(x坐标)由竖线段组确定，竖直方向上的位置(y坐标)由横线段组确定，这2个方向具有正交性，可以采用相同的规则。以竖直方向为例说明，一对线段对应着某段印制线的两条边界，假设这对线段竖直方向上的坐标为a和b，横线段组共有n对线段，那么安装孔坐标{yn}n的确定可以归结为：已知区间集{(an,bn)}n，在特定范围内寻找点集{yn}n，使每个点距每个区间的距离至少为d。在求解这个问题之前，首先要确定配对线段，代表某段印制线的边界。根据印制线的特点，同时考虑稳健性，按照如下方法确定：首先根据线段水平方向上的位置以及两两线长相差不多的原则对线段进行分组，再根据每组线段在竖直方向上的位置来确定线段对。图5为过滤了小线段后确定的表示印制线的每一对线段。图中同一小组的线段标上了相同的号码，在每一小组内将线段按照竖直方向上的位置顺序排列，这样序号一奇一偶的两条线段即为一对。

图5 过滤小线段并对线段进行配对

图6 安装孔禁止区域

1.3 孔位生成算法

印制板安装孔位要与印制线保持一定的距离(在预处理中将其等效为在禁区外)，为了安装可靠，安装孔还应保持一定的密度，即孔位与孔位之间距离不应太大。印制板一般采用M2或M2.5的螺钉固定，设计师根据经验取孔位间距d2，并没有严格的限制，一般为16～40 mm。本文通过构造辅助数列{yn}n来确定安装孔位：首先确定初始点，再看元素y(j)是否在禁区内，如果不在，则当前值可以作为安装点，并按增量d2确定下一点，如果在，则根据具体情况确定当前安装点，并确定下一点，具体流程如图7所示，其中c1、c2为禁区2条边界的坐标值。

图7 算法流程图

2 实例测试

我们以图1所示的3个不同的印制板实例对前述算法进行测试。图8为对图1(a)所示印制板按不同参数(表1)计算出的孔位图。

表1 对图1(a)所示印制板计算孔位的参数组 mm

图8 图1(a)所示印制板不同参数计算实例

由图可见，对于参数组1，在竖直方向上y=240附近，孔位分布并不均匀，这是因为在图中标记的区域，2条印制线间的距离仅为14.6 mm，无法容纳1个到两边印制线距离都至少为8的孔位。将参数d调整为6后，按照参数组2和3算出的孔位分布已经比较均匀了。对比图8(c)和图1(a)，可以看到参数组3算出的孔位与实际工程图有极高的相似度。

图1(b)所示印制板的工程图是按照1∶1.5的比例绘制的，本文采用表2所示的2组参数计算它的安装孔位，如图9所示。

表2 对图1(b)所示印制板计算孔位的参数组 mm

图9 图1(b)所示印制板不同参数计算实例

由图可见，两组计算结果的安装孔位分布都很均匀，且有效地避开了印制线并与其保持有一定的距离。对比原工程图，参数组1所得到安装孔的疏密程度与之相当，总安装孔数为52个；参数组2则更密一些，共有108个安装孔，而算法的优势就在于能快速排出足够多的符合要求的孔位。

本文按照参数d= 4.5 mm，dx=dy= 25 mm计算了图1(c)所示印制板的安装孔位，结果如图10(a)所示。得到了竖直方向上相距31 mm的2排安装孔，与原工程图相比，这2排安装孔间距更小一些，且少了中间一排共4个安装孔。这是因为图中A、B处的2个矩形框形成了竖直方向上大跨度的禁区。对于这种特殊情况有2种处理办法，一种是在上述参数计算的结果上由设计师进行修订，即在中间区域添加适当的安装孔位；另一种是去掉印制板中的干扰项即2个矩形框再进行计算，然后剔除结果中与矩形框有干涉的孔位。图10(b)为去掉4个矩形框后以参数d= 4.5 mm，dx=dy= 20 mm算出的安装孔位，可以看到在A处有2个孔位不满足要求。

图10 图1(c)所示印制板的计算实例

3 结束语

本文针对印制板设计过程中安装孔位的排布提出了一套算法，可以较好地通过计算机完成孔位排布的繁琐工作。

本文的算法将印制线分解为水平和竖直2个独立的方向，在简化问题的同时却也使孔位排布不够灵活。如果设计算法时将2个方向耦合，在信息更加完备的情况下将会得到更理想的孔位排布。此外，印制板的安装往往需要局部加强，比如印制线的出入口位置需要焊接导体或电连接器，设计师会在周围特意安排几个螺钉。当然，这种情况可以先用计算机自动排好安装孔，然后再由设计师进行校核和修正。

[1] 李思阳, 陈丽丽. 螺栓紧固型印制板组件简化建模研究[J]. 现代电子技术, 2013, 36(2): 68-70.

[2] 弓永明, 刘浩鑫, 邱蕴. 功分器在相控阵馈电网络中的应用[J]. 电子科技, 2014, 27(4): 85-87.

[3] 傅世强, 周阳, 房少军. 一种微带结构的新型不等分功分器设计[J]. 电子科技, 2013, 36(4): 154-161.

[4] 张武, 屈博, 王轲平, 等. 功分器组合法兰推孔工装设计[J]. 火控雷达技术, 2014(4): 91-94.

[5] 蒋占四, 吴义忠, 蒋慧. 智能设计系统可视化开发工具研究[J]. 机械设计与制造, 2010(3): 242-243.

[6] 肖人彬. 智能设计原理与技术[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[7] 金超宁, 陈坚强, 许瑛. 自动制孔系统智能设计专家系统的研究[J]. 机械设计与制造, 2015(6): 238-244.

刘彰宜(1987-)，男，工程师，主要从事天线阵面结构系统设计工作。

沈 礼(1987-)，女，工程师，主要从事天线阵面结构系统设计工作。

Research on Automatic Arrangement Method for Mounting Holes of a Kind of Large-size PCB

LIU Zhang-yi，SHEN Li

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Bolt tightening PCB (printed circuit board) is widely used in radar field. For structure reliability and stable performance, it is needed to arrange a large number of mounting holes when designing large-size bolt tightening PCB. But the structure irregularity of printed wiring makes the work cumbersome. In order to reduce designer′s work and increase efficiency, an algorithm is designed to automatically arrange mounting holes on PCB by studying a kind of large-size PCB and finding that the printed wiring is mainly composed of horizontal wires and vertical wires. The algorithm is applied to three specific engineering instances. It turns out that the mounting holes arranged through the algorithm with appropriate parameters are highly similar to that of original PCB, and meet the PCB design requirements. It indicates that the algorithm has certain engineering significance.

printed circuit board; mounting holes; automatic arrangement

2016-08-09

TN703

A

1008-5300(2016)06-0056-04