CN103857196A

CN103857196A - 多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法

Info

Publication number: CN103857196A
Application number: CN201310050819.4A
Authority: CN
Inventors: 朱擎飞; 李芬; 叶晓东; 骆敏舟; 宋小波; 刘百辰; 庄晓明; 蒋欣晟
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS; Institute of Advanced Manufacturing Technology
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS; Institute of Advanced Manufacturing Technology
Priority date: 2013-02-16
Filing date: 2013-02-16
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明公开了一种多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，所述方法包括下列步骤：首先根据所要贴装的PCB板元件清单上元件类型和所用的吸嘴类型采用吸嘴分配算法计算出最小吸嘴集合，然后根据每种类型的吸嘴对应的元件数量为吸嘴分配吸头数量。之后选出吸头对应元件数量最多的元件集合，从mark点开始把它们按近邻算法排序，然后把剩余元件按最小代价插入法插入到各贴装循环中去。确定元件贴装顺序之后，再根据取料优化算法确定物料在料架上的摆放顺序，最后对每个取贴循环的顺序进行优化。本发明提供的针对多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法可以极大地缩短装配时间，提高生产效率。

Description

多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法

技术领域

本发明涉及优化算法，特别涉及一种多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法。

背景技术

表面贴装技术是把电子元器件贴装到印刷电路板或基底表面上的一种电子组装工艺技术。随着电子产品装配技术的不断发展进步，表面贴装技术得到了越来越广泛的应用，如今在我国投入使用的表面贴装生产线的数量已经相当庞大。表面贴装生产线的使用，使得电子产品装配较之手工装配发生了质的飞跃，生产效率提高，产品可靠性增强，极大地降低生产成本，为厂家带来可观的经济效益。在表面贴装生产线上，贴片机是完成贴装操作的设备，也是生产线上的瓶颈，采用有效的方法对贴装过程进行优化，减少贴片机的贴装时间，是提高生产效率的有效手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多头拱架型高速高精度贴片机的离线优化算法，对表面贴装过程进行优化，减少贴装时间，提高贴装效率。

对贴装过程的优化是一个复杂的组合优化问题，一般分成两个子问题来解决：一是元件的贴装顺序；二是喂料器的分配问题。

解决第一个问题元件的贴装顺序的技术方案是：

吸嘴分配算法：贴片机的机械臂带动贴装头在x、y、z三个方向都可以运动，贴装头上均匀排列8个吸头，每个吸头上都安装一个吸嘴，吸嘴具有多种类型，每种类型的吸嘴可以吸取一种或多种类型的元件。在贴装某块PCB板之前就要将所有要用到的吸嘴类型计算好，如果所用吸嘴类型超过吸头的数量，则需要在贴装过程中更换吸嘴，这将极大地影响贴装效率，所以在每次贴装之前需要计算最小吸嘴类型集合，也就是用最少类型的吸嘴完成本次贴装，尽量避免更换吸嘴。

根据PCB板元件清单上每种元件对应的多种吸嘴类型，选择对应元件数量最多的吸嘴类型，去掉这些元件，从剩余元件中重复选择，直到没有元件剩余，得到的吸嘴集合就是最小吸嘴集合。

得到最小吸嘴类型集合之后，每种元件就唯一的对应一种吸嘴类型，然后根据每种类型的吸嘴对应的元件数量为吸嘴分配吸头数量。分配的原则是每种吸嘴分配的吸头个数正比于这种吸嘴对应的元件数量。目的是要在最少的循环次数内完成所有的贴装，避免因吸头分配不合理导致的一种吸嘴对应的元件已经贴装完成，而另一种吸嘴对应的元件还剩下很多，以至于在后面的贴装循环中有一部分吸嘴总是轮空，极大地降低贴装效率。

具体算法如下，假设贴装某块PCB板共需要k(1≤k≤8)种吸嘴，每种吸嘴对应的元件数量为n_i，为每种吸嘴分配的吸头个数为z_i，则吸嘴分配问题可表示为：

s.t.

Σ_{i = 1}^{k} z_{i} = 8

1≤z_i≤8

算法的基本思想是一开始为每种吸嘴各分配一个吸头，如果吸头还有剩余，则下个吸头总是分配给这种吸嘴，按当前分配方法，完成所有贴装任务需要的循环次数最少。令z_j表示目前还空余的吸头个数，步骤如下：

(1)令z_i＝1，1≤i≤k，z_j＝8-k。

(2)若z_j＞0，则确定j，使得

否则转(5)。

(3)令z_j＝z_j+1，z_j＝z_j-1

(4)转(2)。

(5)结束。

为吸嘴分配好吸头之后，完成整个PCB板贴装所需的循环次数也就确定了，为

元件贴装顺序启发式算法。确定好贴装所需的循环次数后，每个吸头对应的元件数量也就确定了，先将对应元件数量最多的吸头对应的元件从mark点(起始点)开始按近邻算法确定顺序，假设所有待排序元件集合为C＝{c₁，c₂，...c_n}，c₀为mark点，近邻算法如下：

(1)选择c₀，令k＝0，C＝{c₀，c₁，c₂，...c_n}\c₀。

(2)如果C＝Ф，转(5)；否则找到c_l∈C，满足

d (c_{k}, c_{l}) = \min_{c_{i}} (d (c_{k}, c_{i})) .

(3)连接c_k和c_l，把c_l加入到当前路径中，同时令C＝C\c_l，k＝l。

(4)转(2)。

(5)连接c_k和c_l。

接下来把剩余的元件按照最小代价插入法，在满足吸头个数限制的前提下插入到各贴装循环中。设n₁，n₂，...n_k分别为各吸嘴对应的元件数，z₁，z₂，...z_k表示每种吸嘴分配的吸头个数。最小代价插入法如下：

(1)令n_j＝max{n₁，n₂，...，n_k}，

把由近邻算法确定好的顺序从第一个元件开始分成q条子路径P₁，P₂，...，P_q。

(2)只要还有元件没确定顺序，则从中任选一个，按照最小代价插入法，计算此元件插入到各子路径P₁，P₂，...，P_q之后各子路径增加的长度，设分别为Δl₁，...，Δl_q。

(3)把Δl₁，...，Δl_q升序排列，设排好后的序列为

令i＝1。

(4)设待插入元件对应吸嘴类型为m(1≤m≤k)，如果此时子路径中使用第m种吸嘴的元件个数小于z_m，则把该元件插入到子路径

中，转(3)。

(5)令i＝i+1，如果i≤q，则转(5)。

(6)令q＝q+1，把该元件插入到P_q+1中。

(7)转(3)。

(8)连接所有子路径。

(9)结束。

解决第二个问题喂料器的分配问题的技术方案是：

取料优化算法。根据每种类型元件数量的大小，将数量最多的元件类型放在料架中间位置，然后向两边依次递减。

假设PCB板一共需要用到m种元件(T₁，T₂，...，T_m)，按照每种元件数量降序排列得到

则料架上的摆放顺序应为

T_{S_{m}}, T_{S_{m - 2}}, . . ., T_{S_{1}}, . . ., T_{S_{m - 1}} .

取贴循环优化算法。将每次取料和贴装的过程看作一个整体，称为一个取贴循环，任意两个循环之间的距离可以定义为前一个取贴循环的最后一个贴装点到下一个取贴循环的第一个取料点之间的距离。合理安排各个取贴循环之间的顺序能够很大地提高生产效率。把这个优化过程简化成一个非对称的TSP问题，采用单亲进化遗传算法解决。假设有n个取贴循环{C₁，C₂，...，C_n}，具体算法如下：

(1)将每个取贴循环编号，计算取贴循环两两之间的距离d_ij＝(C_i，C_j)。

(2)随机选出一个染色体序列

计算染色体中所有边的距离也即相邻取贴循环之间的距离，得到最大值d_max和最小值d_min，并设定阈值为AVE＝(d_max+d_min)/2。

(3)将超过阈值的边截断，对于染色体最后一个点和第一个点之间的边，规定无论其值大于还是小于阈值，都进行截断。

(4)对标记后的染色体，采用领域技术，将各个子串作为新的基因进行换位，产生不同的基因组合。

(5)评估所有新个体，选出总的距离最小的作为后代。

本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果：本发明针对多头拱架型高速高精度贴片机，设计了相应的离线优化算法，将整个优化过程分解为元件的贴装顺序和喂料器的分配问题两部分，并根据每一部分的实际情况和约束条件建立了数学模型，采用合适的优化算法，在缩短装配时间，提高生产效率方面有显著效果。

附图说明

图1为本发明多头拱架型高速高精度贴片机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐释本发明。

假设一块含有20个元件的PCB板元件清单如下表所示。

元件编号	横坐标	纵坐标	元件类型	吸嘴类型
					1	5.37	12.98	s	SS PS
2	35.29	29.34	c	SS
					3	13.37	68.23	b	PS CS
4	12.59	32.13	a	PS

5	9.28	58.47	c	SS
					6	23.37	5.38	b	PS CS
7	28.21	11.29	s	SS PS
					8	31.37	23.29	b	PS CS
9	22.73	18.29	d	SS NS
					10	19.37	42.38	d	SS NS
11	42.96	58.21	e	NS
					12	48.33	15.74	e	NS
13	33.91	72.22	f	SS LS
					14	57.28	33.45	g	LS
15	26.69	23.11	f	SS LS
					16	62.38	56.14	s	SS PS
17	46.48	6.45	c	SS
					18	17.55	63.51	a	PS
19	10.62	85.29	h	TS NS PS
					20	52.18	48.23	h	TS NS PS

表1

根据上表先求得最小吸嘴集合为(SS，PS，NS，LS)。然后由吸嘴分配算法得到每个吸嘴分配到的吸头为：

SS	PS	NS	LS
				4	2	1	1

接着选出对应元件数量最多的吸头对应的元件，数量最多为3，这里选择SS吸嘴对应的元件，编号为2，1，5，设mark点为0，由近邻算法得到的序列为0，1，2，5。再由最小代价插入法把剩余的元件插入到序列中去，最后得到的贴装序列为0，1，9，7，6，8，16，12，2，4，3，15，13，10，5，18，20，14，11，19，17。

根据取料优化算法得到物料在料架上的摆放顺序为：

h，e，a，s，b，c，d，f，g

然后由取贴循环优化算法得到这三个取贴循环顺序为：

3，1，2

最后得到总的路径长度为802.52。

Claims

1.一种多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：根据PCB板元件清单计算最小吸嘴集合，为吸嘴分配吸头，将吸头对应数量最多的元件从mark点开始按近邻算法排序，把剩余元件插入到各贴装循环，优化物料在料架上的摆放顺序，优化各取贴循环顺序。

2.根据权利要求1所述的多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：计算最小吸嘴集合的方法包括，根据PCB板元件清单上每种元件对应的多种吸嘴类型，选择对应元件数量最多的吸嘴类型，去掉这些元件，从剩余元件中重复选择，直到没有元件剩余，得到的吸嘴集合就是最小吸嘴集合。

3.根据权利要求2所述的多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：吸嘴分配算法包括，先为每个吸嘴分配一个吸头，然后根据吸嘴对应元件数量与当前该吸嘴分配到的吸头数的商最大的那个吸嘴继续分配吸头，直到所有吸头分配完毕。

4.根据权利要求3所述的多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：贴装顺序优化算法包括，找到对应元件数量最多的吸头，将其对应的元件按近邻算法从mark点开始排好顺序，然后将剩余元件按照最小代价插入法插入到各贴装循环中。

5.根据权利要求1或4所述的多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：取料优化算法包括，根据每种类型元件数量的大小，将数量最多的元件类型放在料架中间位置，然后向两边依次递减。

6.根据权利要求5所述的多头拱架型高速高精度贴片机离线优化方法，其特征在于：取贴循环顺序优化算法包括，将每次取料和贴装的过程看作一个整体，把整个过程简化成一个非对称的TSP问题，采用单亲进化遗传算法解决。