CN102356707A

CN102356707A - 用于确定装配自动机的不变工作台的装备的方法

Info

Publication number: CN102356707A
Application number: CN2010800121218A
Authority: CN
Inventors: P.鲍尔; A.普法芬格; C.罗耶
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: EP2409556A1; KR20110134481A; JP2012520577A; SI2409556T1; KR101371579B1; JP6415465B2; EP2409556B1; US8793008B2; JP2016149545A; WO2010105876A1; MY155519A; US20120004762A1; DE102009013353B3; CN102356707B

Abstract

本发明涉及用于在固定地预先给定的工作台场所处基于描述装配基础设施的输入数据以及可由操作者或使用者预先给定的输入参数借助混合整数线性优化来确定在装配线中装配自动机的不变工作台的装备的方法。该方法可以与所使用的安装技术（例如通孔安装技术，表面安装技术或者混合技术）无关地使用。如果在其上加建其它方法，例如用于形成装备族的集群方法或用于优化时钟时间的线平衡，则可以有利地使用该方法。

Description

用于确定装配自动机的不变工作台的装备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在固定地预先给定的工作台场所处确定在装配线中装配自动机的不变工作台的装备的方法，其中该不变工作台的装备在所有装备族中被使用，其中装备族包括在装备内制造的份额（Los）的集合。

此外本发明涉及一种包括不变工作台的装配自动机，该不变工作台的装备可通过本发明的方法确定。

背景技术

通常通过运输系统连接以及例如共同起作用以制造电子零件的多个装配自动机是装配线。

在例如用于给衬底装配元件的装配自动机中，在侧面在用于衬底的运输段处布置用于元件的输送装置。装配自动机的可通过定位系统移动的装配头从所述输送装置拾取元件，将这些元件移动到装配自动机的装配区域（在该装配区域中提供待装配的衬底），并且将所述元件放在衬底上。为了提供所述元件例如采用所谓的带式供给装置，该带式供给装置适用于运输和输送放置在皮带中的配件。该带式供给装置将存放在袋式凹处中的配件运输到拾取位置，在该拾取位置处由装配头从皮带袋中拾取配件。空皮带在合适位置处离开所述输送装置。这种输送装置由EP1374657 B1公知。

此外例如由电子器件制造公知把要在装配线上制造的份额总结为装备族（Rüstfamilien）。装备族的所有份额分别用相同的线装备制造。不变工作台（konstante Tische）是在此固定安置和固定装备的工作台，其对该装备族的所有装备是相同的。不变工作台的概念减小了改装耗费并且使得可以节省装备设备。

目前，不变工作台的装备通过分别具有单独的策略的生产计划者基于该生产计划者的经验以及或多或少通过试验（反复试验（trial-and-error））来确定。与此相联系的时间耗费非常高，并且结果通常并不令人满意。

在美国专利文献US 6,829,514 B2中公开了在装配线中基于混合整数线性规划（Mixed Integer Linear Programming, MILP）来获得平衡策略。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于确定装配自动机的不变工作台的装备的方法，以便用尽可能少的装备族达到最佳的生产量。

该任务利用开头所述类型的方法根据本发明通过以下方式来解决，即基于输入数据和输入参数借助混合整数线性优化来计算用于不变工作台的装备。不变工作台是生产线、制造线或安装线的传送工作台，其在改装过程中可以不动并且不必被改变。由此不变工作台有助于优化制造过程，因为改装耗费减少并且可以节省装备设备。空间和贮存需求也减小，因为必须暂时提供较少的可变工作台（可变工作台被理解为分配给装配自动机的站侧（Stationsseite）的变换或传送工作台，其中装备不必对所有装备族都不变，而是变化，也就是可以被改变。可变工作台必须根据需要而更换。）。

如果借助混合整数线性优化（MILP）来计算用于不变工作台的装备，则可以一方面更快速地而另一方面以更高结果质量地确定所述装备。由此生产计划者不必手动地（基于其经验）或者用简单的表格计算程序（例如Excel）来计算用于不变工作台的装备，这一般通过试验（trial and error）和在大的时间耗费下进行。基于混合整数线性优化（MILP）对于不变工作台的装备的数学计算和优化为生产计划者提供更好和更快的结果。

本发明的一种有利的扩展方案在于，作为用于计算所述装备的输入数据使用以下描述装配基础设施的数据：

-具有自由轨道（Spur）数量的工作台，

-不变工作台的场所，

-具有装配位置数的元件，

-每个元件的最大装备数量，

-元件对工作台的可能分配，

-元件在工作台上的轨道需求，

-在由单个份额优化确定的结果中对于每个装配头的时钟时间和装配位置数。

由此可以专用地根据存在的装配基础设施优化不变工作台的要通过混合整数线性优化计算的装备，因为所有当前的基础设施参数在该计算时都被考虑。

本发明的另一种有利扩展方案在于，作为另一描述装配基础设施的、用于计算所述装备的输入数据预先给定最小时钟时间极限。该输入数据允许考虑不能比确定的时钟时间少（unterbieten）（例如窑炉加热时间（Ofenzeit））。

本发明的另一种有利扩展方案在于，作为可由使用者预先给定的、用于控制装配的输入参数使用以下参数：

-不变工作台的最大填充度；

-可变工作台的最大填充度；

-最大设定数（MaxSetup-Counts）的所允许的提高的最大数量；

-操作者的优化策略。

通过这些输入参数可以由使用者有针对性地影响如最终在运行中进行的装配方法。使用者例如可以通过要使用的优化策略说明作为目标函数是否应当对集群数（Clusterzahl）（也就是装备族）的最小化设置更多权重或者作为目标函数是否应当对总生产时间（循环时间（Durchlaufzeit））的最小化设置更多权重。由此产生关于生产过程的高的、可由使用者有针对性影响的灵活性。

本发明的另一种有利扩展方案在于执行以下方法步骤：

基于所计算的用于不变工作台的装备确定装备族。基于通过混合整数线性优化获得的不变工作台装备确定包含要制造的份额的装备族，所述份额可以在使用不变工作台的情况下生产。不变工作台必须如此被装备，使得所有预先给定的板（印刷电路板）都可用该不变工作台生产。如果不行（这例如出于容量原因而可能完全是这种情况），则实现故障消息。由此进行对生产的进一步优化。不变工作台的装配例如能以找到尽可能少的装备族为目标。

本发明的另一种有利扩展方案在于执行以下方法步骤：

对于每个装备族确定在装配线中剩余工作台的装备。由此确定生产线的剩余可变工作台的装备。由此可以对生产线进行总体的优化。

本发明的另一种有利扩展方案在于一种计算机程序产品或一种计算机可读介质，该计算机程序产品或计算机可读介质在程序控制的装置（例如计算机或工业PC）上促使执行上述本发明的方法。由此，本发明的方法可以计算机支持地执行并且作为产品例如可以作为在CD、DVD或其它存储介质（例如USB棒）上的程序被推销（vertreibbar）。

此外，所述任务通过一种装配自动机解决，该装配自动机包括不变工作台，其中预先给定该不变工作台在装配线中的所在地，其中不变工作台的装备在该装配线的所有装备族中使用，其中装备族包括在同一装备内制造的份额的集合，其中根据按照权利要求1至5的方法确定用于不变工作台的装备。根据上述方法包括具有装备的不变工作台的装配自动机可以在生产线中使用，例如用于节省改装。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出以及在下面得到解释。

在此：

图1示出具有两个装配自动机的装配线的示例性扩展方案。

具体实施方式

图1示出具有两个装配自动机BA1和BA2的装配线BL的示例性扩展方案，所述两个装配自动机布置在运输系统TS（例如传送带）处。

装配自动机BA1由4个传送工作台KT1，KT2，VT1，VT2组成，其中两个是可变工作台VT1，VT2，并且两个是不变工作台KT1，KT2。此外，装配自动机BA1由4个分别为CP20®类型的装配头BK1-BK4组成。装配自动机BA1，BA2的装配头BK1-BK8从输送装置ZE1，ZE2拾取元件，并且将这些元件移动到装配自动机BA1，BA2的装配区域，在该装配区域提供待装配的衬底（例如在SMD制造时基板），并且将所述元件放在衬底上。装配头BK1-BK8通常可通过定位系统移动。作为用于提供元件的输送装置ZE1，ZE2，例如可以采用所谓的带式供给装置。

同样在提供基板的运输系统TS处布置具有两个可变工作台VT3，VT4和两个不变工作台KT3，KT4的装配自动机BA2。此外，装配自动机BA2由4个分别为CP12®类型的装配头BK5-BK8组成。

在图1中示例性示出可变工作台VT2和VT4具有输送装置ZE1或ZE2，以提供待装配的元件（例如芯片，晶体管等）。

在（例如用于电子部件的）SMD制造中，为了装配印刷电路板（衬底）而使用装配自动机BA1，BA2，所述装配自动机借助装配头BK1-BK8将元件从输送装置ZE1，ZE2安放到印刷电路板上。所述印刷电路板（板）在装配自动机BA1，BA2处通过运输系统TS提供。

通常（例如在电子器件制造（Elektronikfertigung）中）把要在装配线上制造的份额总结为装备族。装备族的所有份额分别用相同的线装备制造。

不变工作台KT1-KT4是固定安置和固定装备的工作台，其对装备族（集群（Cluster））的所有装备是相同的。由此可以减小改装耗费并且可以节省装备设备。

由此，不变工作台KT1-KT4被理解为分配给装配自动机的站侧（场所）的变换或传送工作台，该变换或传送工作台被分配给装配线和具有所属件数的份额集合B（配方），并且其装备对所有只包含来自B的份额的集群（也就是装备族）是相同的。对于不变工作台的装备，优先选择在很多份额中需要的元件。

可变工作台VT1-VT4被理解为分配给装配自动机的站侧的变换或传送工作台，其中装备不必对所有装备族都是不变的，而是变化，也就是可以被改变。可变工作台VT1-VT4必须根据需求更换。这意味着改装耗费。此外，可变工作台VT1-VT4必须准备用于变换，这导致对贮存空间的高需求。

与不变工作台KT1-KT4关联的典型情景（使用情况）是，对于给定的装配线确定具有所属件数的份额集合（配方）以及不变工作台KT1-KT4的给定集合、不变工作台KT1-KT4的装备、给定板类型集合的集群以及所属的集群装备。在此，在形成该集群和该集群的装备时考虑不变工作台KT1-KT4的装备。

本发明方法的任务是计算用于不变工作台KT1-KT4的装备。在此目标是如此确定这些装备，使得在对于给定的份额集合的集群数方面或在生产时间方面通过后续的方法步骤达到针对好的结果。

数学背景

用于确定不变工作台KT1-KT4的装备的方法基于整数线性优化（Integer Linear Programming（整数线性规划））或混合整数线性优化（Mixed Integer Linear Programming, MILP）的数学方法。在整数线性优化中通过变量集合（整数地或连续地）描述对所基于的问题的容许的解，所述变量满足线性不等式和等式的集合。该目标准则同样通过可以最大化或最小化的线性表达式表达。

线性优化是在数学优化领域上的主要方法之一，并且致力于在通过线性等式和不等式限制的集合上优化线性目标函数。该线性优化是（混合）整数线性优化的求解方法的基础。

用于整数线性优化问题的解算器（有利地实现为计算机程序）在所有容许的变量分配下计算在目标函数意义下最佳的分配。

整数线性优化是全局优化方式，模型可以很容易匹配并且存在非常好的标准解算器（例如商业计算机程序，如Cplex®或Xpress®），所述标准解算器在很多实际应用中已得以证明。

整数线性优化的其它优点：

■ 全局优化方式

■ 可容易扩展

■ 对于所确定的解已知该解离最佳解最大有多远。

模型

本发明的方法具有多个目标准则，这些目标准则的目的是如此装备不变工作台KT1-KT4，使得下极的以此为基础的方法

● 目标准则1：找到具有尽可能少的装备族的解（在给定不变工作台的情况下确定集群数量（装备族的数量）），或

● 目标准则2：在所有工作台的线平衡（针对其余的工作台确定每个集群（装备族）的装备以及确定份额的时钟时间）时达到尽可能好的生产时间。

各个目标准则被加权和线性组合。在此，目标准则1或2只能被近似考虑：例如最小化对要预期的集群数的下极限，并且试图在不变工作台KT1-KT4上也放置配件，所述配件允许多次安置以便如此为线平衡器给予灵活性。

用于确定最小集群数量（目标准则1）或用于线平衡所有工作台以达到好的生产时间（目标准则2）的方法有利地通过计算机程序进行。

可选地，紧接在确定不变工作台KT1-KT4的装备之后执行用于所获得的不变工作台的线平衡。由此优化不变工作台KT1-KT4的设置，对于目标准则1或目标准则2的步骤由此可以更精确和更快速地执行。对于目标准则2来说，可以预期解（生产时间）的更高质量。

通过线性等式和不等式以及整数性条件建模的最重要的约束如下：

1. 遵守不变工作台KT1-KT4的预先给定的容量；

2. 对最小集群来说以及对所有未包含在该最小集群中的份额来说在考虑不变工作台的装备的情况下必须可进行装备；

3. 对于每个不变工作台KT1-KT4来说，从安置在那里的配件中在考虑潜在多次安置的情况下得出在那里所装配的配件的最大数和最小数。由此得出的近似的生产时间不允许与在单个份额情况下的生产时间相差太远（极限）；

4. 潜在多次安置的数不应当太大（极限）。

在开发的过程中可能还需要匹配模型。

在该模型中，在将元件分配给装配线的工作台时认为，不变工作台具有简单的容量，而可变工作台具有无限的容量。

输入（ Input ）

用于确定不变工作台KT1-KT4的装备的方法接受输入数据（用于描述所基于的基础设施）和输入参数（用于控制该方法）。

用于该方法的输入数据是：

-线描述（自动机，头，工作台，固定装备的配件），

-不变工作台的集合，

-包括份额尺寸在内的所有份额的集合，

-配件类型的集合（容许的头，轨道宽度，最大设定数），

-最小集群的集合，

-下时钟时间极限（时钟时间，例如反正不能不超过的窑炉时钟时间），

-对于每个头和每个份额，固定时间，

-对于每个份额或最小集群，在单个份额优化时的总生产时间，

-对于每个份额或最小集群以及每个头，在单个份额优化时的装配时间，

-对于每个份额或最小集群以及每个头，在单个份额优化时由该头设置的装配位置的数。

可以由使用者用来影响所述方法的输入参数是：

-针对不变工作台KT1-KT4的最大填充度，

-针对可变工作台VT1-VT4的最大填充度，

-最大设定数的容许提高的最大数量，

-用于该方法的策略（算法策略）：操作者说明在目标函数中是否应当对线平衡的灵活性（以及由此对更少的生产时间）设置更多权重或者对集群数的最小化设置更多权重。可能的值：

a)对集群数的最小化的更多权重，

b)优化的重点到集群数和总生产时间上的协调分布，

c)对总生产时间的最小化的更多权重；

-最小时钟时间：

该参数允许考虑不能比确定的时钟时间少（例如窑炉加热时间），

-线平衡器对于每个份额用于在不变工作台KT1-KT4内平衡所使用的时间（参见目标准则2）。

在用于确定不变工作台的装备的方法中，输入参数的以下默认值证明是有利的：

-可变工作台的最大填充度：95%，

-不变工作台的最大填充度：100%，（如果使用者在确定了不变工作台的装备之后为所获得的不变工作台执行线平衡则可能更低），

-算法策略：将优化的重点到集群数和总生产时间上的协调分布，

-最小时钟时间：0s，

-线平衡器对于每个份额用于在不变工作台KT1-KT4内平衡所使用的时间：1min（一分钟）。

不变工作台或可变工作台的最大容许填充度越小，趋于产生越多的集群（其中当然根据数据情况，最大容许填充度的适度减小不必须直接导致集群数的提高）。更多的集群趋于导致线平衡器的更多灵活性并由此导致更少的装配时间。

如果在不变工作台KT1-KT4内不进行优化（在确定了不变工作台的装备之后的可选步骤），则限制不变工作台的填充度的优点对顾客来说仅能在当稍后插入要新添加的产品时更大的灵活性方面看到。如果在不变工作台内优化，则对线平衡器来说所获得的灵活性可能是有利的。

在一些情形下，为了达到好的生产时间可能需要比通过使用者（顾客）的最大设定数所容许地更频繁地安置各个配件类型。如果顾客同意在单个情况下通过本发明的方法可以提高最大设定数，则该顾客可以预先给定这最大允许多频繁地进行。通过输入“0”值，一般可以防止最大设定数的提高。（本发明的方法将提高的数量最小化，因此不比需要地更频繁地超过最大设定数。）。

本发明方法的目标函数是多准则的（参见目标准则1，目标准则2）。各个准则具有权重，顾客能在有限的程度上通过输入参数影响所述权重。

输出（ Output ）

本发明的方法

-对每个不变工作台提供分配给所述不变工作台的配件类型的集合，

-提供应当分别提高最大设定数所针对的配件类型的集合，

-提供故障消息，如果有的话。

性能（ Performance ）

整数线性优化首先用于解决组合的优化问题，这些优化问题属于NP严重的问题类别，其中不变工作台KT1-KT4的装备确定的当前问题也属于所述类别。从理论的观点来看，对于NP严重的问题不能进行令人满意的、可靠的运行时间说明。

本方法的运行时间基本上取决于配件类型对不变工作台KT1-KT4的可能分配的数量（变量数的数量级），但是也取决于具体的问题结构。从实际的观点来看，迄今得出的经验在优化不同工厂的不变工作台KT1-KT4的装备时表明，本方法一般快速和可靠地工作。对数量级和结构都位于要预期的范围内的实体（Instanzen）的解。在来自项目之一（大约1300个配件类型，5个不变工作台）的示例中，用于本方法的运行时间为几分钟，该方法通过在市场上常见的个人计算机或工业PC上的计算机程序来实施。

不变工作台KT1-KT4在装配线BL中的分量越大，该线在不变工作台KT1-KT4内的好的均衡（Austaktung）就越重要。如果需要，可以借助线平衡器改善不变工作台KT1-KT4的均衡。

可能发生的是，由于问题结构不可能的是，装备预先给定的不变工作台，而不例如出于容量原因失去一个或多个份额或最小集群的可行性。在这种情况下该方法不能找到解决方案。在这种情况下进行对调用程序的提示，即该问题不能被解决。

不变工作台KT1-KT4的概念和用于确定不变工作台KT1-KT4的装备的方法与所使用的安装技术无关。从而利用通孔安装技术（Through-Hole Technology，简写成：THT）、利用表面安装技术（Surface-Mounting Technology，简写成：SMT）或者利用混合技术将元件施加在装配自动机中的印刷电路板（板）上。在表面安装技术中，将元件平面地安装在衬底上并且将电端子与印制导线连接。平面地安装在表面上的元件称为“表面安装器件（Surface Mount Devices）”（SMD）。

实现

用于确定不变工作台的本发明方法可以作为计算机程序以常用的编程语言（例如C++，Java等）实施，并且在具有输入/输出单元、处理器和存储单元的常用的计算机系统（例如工业PC，工作站等）上执行。此外有利的是，本发明的方法作为软件程序存储在计算机可读介质（软盘，DVD，CD，USB棒，存储卡等）上。由此本发明的方法可以非常容易地作为产品被推销。原则上该产品还可以通过互联网分发或推销。

用于在固定地预先给定的工作台场所处基于描述装配基础设施的输入数据以及可由操作者或使用者预先给定的输入参数借助混合整数线性优化来确定在装配线中装配自动机的不变工作台的装备的方法。该方法可以与所使用的安装技术（例如通孔安装技术，表面安装技术或者混合技术）无关地使用。如果在其上加建（aufsetzen）其它方法，例如用于形成装备族的集群方法或用于优化时钟时间的线平衡，则有利地可以使用该方法。

Claims

1.用于在固定地预先给定的工作台场所处确定在装配线（BL）中装配自动机（BA1，BA2）的不变工作台（KT1-KT4）的装备的方法，其中不变工作台（KT1-KT4）的装备在所有装备族中被使用，其中装备族包括在装备内制造的份额的集合，其特征在于，基于输入数据和输入参数借助混合整数线性优化来计算不变工作台（KT1-KT4）的装备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为用于计算所述装备的输入数据使用以下描述装配基础设施（BL,BA1,BA2,TS,KT1-KT4,VT1-VT4, BK1-BK8）的数据：

-具有自由轨道数量的工作台，

-不变工作台（KT1-KT4）的场所，

-具有装配位置数的元件，

-每个元件的最大装备数量，

-元件对工作台的可能分配，

-元件在工作台上的轨道需求，

-在由单个份额优化确定的结果中对于每个装配头(BK1-BK8）的时钟时间和装配位置数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，作为另一描述装配基础设施（BL,BA1,BA2,TS,KT1-KT4,VT1-VT4, BK1-BK8）的、用于计算所述装备的输入数据预先给定最小时钟时间极限。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为可由使用者预先给定的、用于控制装配的输入参数使用以下参数：

-不变工作台（KT1-KT4）的最大填充度；

-可变工作台（VT1-VT4）的最大填充度；

-最大设定数的所允许的提高的最大数量；

-操作者的优化策略。

5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

基于所计算的用于不变工作台（KT1-KT4）的装备确定装备族。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

对于每个装备族在装配线（BL）中确定剩余工作台的装备。

7.计算机程序产品，该计算机程序产品在程序控制的装置上促使执行根据权利要求1至6之一所述的方法。

8.计算机可读介质，包括当在合适的计算机上执行时使计算机执行根据权利要求1至6之一所述的方法的指令。

9.装配自动机（BA1，BA2），包括不变工作台（KT1-KT4），其中预先给定不变工作台（KT1-KT4）在装配线（BL）中的所在地，其中不变工作台（KT1-KT4）的装备在该装配线的所有装备族中被使用，其中所述装备族包括在同一装备内制造的份额的集合，其中根据按照权利要求1至6所述的方法确定不变工作台（KT1-KT4）的装备。