CN104396362A - 将电路板分配到装配线上 - Google Patents

Abstract

一种装配系统包括用于给电路板装配电子构件的多个装配线。一种用于将电路板分配给装配线的方法包括步骤：检测给多个电路板装配分别要装配的构件的请求；确定其构件差异超过预定度量的电路板的集合，其中构件差异分别表示要在电路板上装配的不同构件的数目，并且在所给定的预先规定的情况下借助于整数线性规划将电路板分配给装配线，使得所述集合的电路板尽可能均匀地分布在装配线上。

Description

将电路板分配到装配线上

技术领域

本发明涉及一种用于将电路板分配到用于给电路板或其它组件装配器件的装配线上的方法。此外，本发明涉及一种用于给电路板装配器件的生产线或安装线的控制设备。另外，本发明涉及一种计算机程序产品和计算机可读介质。

背景技术

尤其是在电子设备生产的领域中，要制造的电路板或组件在SMT装配线上通过表面安装（surface mounted technology（表面安装技术）, SMT）来制造。但是由于技术限制，不是每个电路板都能在每个装配线上被制造。电路板在装配线上大多还具有不同的生产时间。此外，不允许超过装配线的最大生产时间容量。

DE 10 2009 013 353 B3示出了一种用于装备这样的装配线的方法。

电路板到装配系统的装配线上的分配通常是人工或半自动地基于经验值或试探法来进行。在此，在实际中已经显示，总是做出不平衡的分配，所述分配对装配线的一个部件引起高满载，并且对另一部件引起低满载，使得装配系统不能被最优地利用。

发明内容

本发明的任务是，提供一种用于将电路板分配到装配线上的经改善的技术。

本发明借助于具有独立权利要求的特征的方法、计算机程序产品和装配系统来解决该任务。从属权利要求反映了优选的实施方式。

一种装配系统包括用于给电路板装配电子构件的多个装配线。一种根据本发明的用于将电路板分配给装配线的方法包括步骤：检测给多个电路板装配分别要装配的构件的请求；确定其构件差异超过预定度量的电路板的集合，其中构件差异分别表示要在电路板上装配的不同构件的数目，并且在所给定的预先规定的情况下借助于整数或混合整数线性规划将电路板分配给装配线，使得所述集合的电路板尽可能均匀地分布在装配线上。换言之，整数线性规划的参数之一被选择为使得在分配时在所述集合的电路板在装配线上的平均分配方面进行优化。

复杂的电路板可以被标识出并且收集在所述集合中，使得可以避免将许多复杂电路板过量地分配给装配线。因此，尤其是可以避免：由于在装配线处保持的构件不是对于所有分配给该装配线的电路板而言都是足够的而必须频繁地重装该装配线。如果装配线具有拥有多个所谓输送台的装配自动机，则可以在生产期间形成增大数目的固定台，所述固定台不必为了将电路板分配给该装配线而被更换。要保持的更换台的数目以及与之相联系的装备和维护成本可以被降低。因此，可以以显著的量级节省成本。该方法在原理上可以应用于所有类型的装配系统。

在一个优选实施方式中，给装配线分配不大于预定数目的来自所述集合的电路板。该预定数目例如可以为1或2。通过该限制，可以保护装配线免受由于过高的构件差异而更换所保持构件的频繁干预。在一个实施方式中，预定数目基于每个装配线的特征数或能力为每个装配线个别化地确定。

在可以与上一实施方式组合的另一优选实施方式中，可以给装配线分配至少预定数目的来自所述集合的电路板。由此可以合理地利用装配线的现有容量。这可以有助于能实时地加工所述集合的电路板。在此也可以进行预定数目的个别化确定。

在一个特别优选的实施方式中，如果要在两个电路板上装配的构件的对称差的构件差异超过预定界限，则阻止将电路板分配给装配线。通过该度量，可以考虑到两个电路板的共同可用的构件，使得可以以改善方式确定在装配线上相互妨碍的电路板。被分配给同一装配线并可能导致大大提高的装备成本的电路板的不利组合可以因此被避免。 

在另一实施方式中，仅在两个电路板的构件差异也分别超过预定界限的情况下阻止该分配。因此，可以强制地仅仅将复杂电路板分配给不同的装配线。具有小的构件差异的电路板根据经验低程度地相互妨碍，使得可以不需要这样的电路板的相互排斥。

另外，可以仅在要在两个电路板上装配的构件的并集的构件差异也超过预定界限的情况下阻止所述分配。由此可以考虑到共同可用的构件的正面方面可以完全或部分地抵消不相交构件的负面效应。由此可以进一步改善对电路板的相对差异性的确定。

在一个特别优选的实施方式中，整数线性规划包括步骤：将电路板到装配线上的起始分配确定为当前分配；以及基于当前分配借助于整数或混合整数线性规划将电路板的所选集合分配到所述装配线上。因此也可以以可接受的时间以足够品质遇到大的或复杂的分配问题，所述分配问题可能由于大数目的不同电路板、许多不同的要在电路板上装配的构件或者具有不同特性的制造线引起。电路板针对起始分配到装配线上的分配可以随机地或有针对性地进行。在此，例如可以选择应当被优化的装配线，而其它装配线被允许恒定。起始分配也可以通过试探式分配来进行。 

在一个扩展方案中，该方法可以迭代地执行，直到确定的分配已经达到预定质量或者预定处理时间期满。由此，可以逐渐地逼近最优解决方案。

根据本发明的计算机程序产品包括程序代码装置，所述程序代码装置用于在实施设备上运行或者存储在计算机可读介质上时执行所述方法。该计算机程序产品可以以常见的编程语言（例如C++、Java）来创建。处理设备可以包括具有相应的输入、输出和存储装置的市场上常见的计算机或者服务器。

根据本发明的用于将电路板分配给装配系统的装配线的控制设备被设立为执行上面说明的方法。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点、以及实现它们的方式结合下面对实施例的描述变得更清楚和更容易理解，所述实施例结合附图予以进一步阐述，其中：

图1示出了装配系统；

图2示出了来自图1的电路板的构件差异的图解；

图3示出了第一方法的流程图；以及

图4示出了作为图3的方法的一部分的第二方法的流程图。

具体实施方式

线性优化是数学优化领域中的主要方法之一，并且致力于在由线性等式和不等式限定的集合上优化线性目标函数。该线性优化是（混合）整数线性优化的解决方法的基础。

线性优化的优点：

－全局优化方案；

－可容易扩展；

－非常良好的商业标准解算机（SCIP、 CPLEX、Ilog、Xpress），其在实际中广泛传播并证明可行。　

－对于所确定的解决方案已知的是，其与最优解决方案最大相距多远（Gap（差距））。

图1示出了装配系统100。该装配系统100包括多个装配线110以及用于将电路板120分配给装配线110的控制设备115。每个装配线110通常包括运送系统125和一个或多个装配自动机130。每个装配自动机130都包括一个或多个装配头135，所述装配头135分别被设立为从恒定的台140或可变的台145接收器件并且将其定位在位于运送系统125上的电路板120上的预定位置处。

在装配过程期间，电路板120通常关于装配自动机130为静止的。台140、145分别包括多个输送设备150，其中仅仅示例性地示出这些输送设备150之一。每个输送设备150都准备好预定类型的构件155的储备。尽管可以将每个输送设备150都配置为准备好不同的构件155并且将不同的输送设备150安置在台140、145处，但是台140、145出于速度原因通常在装配自动机130必须被供应在所安置的台140、145之一处未被保持的构件155时被完全更换。

由于这样的更换通常与生产停滞相联系，因此所寻求的是将要更换的台140、145的数目保持得小。如果台在重装过程期间未被更换，则该台被称为恒定台140，否则被称为可变台145。在其它方面在恒定台140与可变台145之间不存在功能差别。

电路板120要被装配一定数目的不同构件155。为了最小化可变台145的频繁更换并且理想地最大化恒定台140的数目，控制设备115被设立为优化电路板120到装配线110之一的分配。在此，通常必须要像考虑电路板120或其上要装配的构件155的特性那样地考虑每个装配线110或每个装配自动机130的特有特性。

图2示出了来自图1的电路板120的构件差异的图解。复杂电路板120的集合200包括：第一电路板205，其要被装配构件155的第一集合210；以及第二电路板215，其要被装配来自图1的构件155的第二集合220。两个电路板205、215对应于来自图1的电路板120之一。

第一集合210包括五种不同构件类型的构件155，所述构件155可以在装配线130中的至少五个不同的输送设备150中被准备好。与之类似地，第二集合220同样包括五种不同构件类型的构件150，所述构件150可以在至少五个不同的输送设备150中被准备好。水平地并排示出的器件155是彼此相同的并且通常在相同的输送设备150中被保持，其中在分配问题的范围内，出发点通常是一构件类型的现有构件155的无穷储备。

要在电路板205、215上装配的不同构件155的数目被称为电路板205或215的构件差异。两个电路板205、215一起的构件差异因此是要在两个电路板205、215上装配的不同构件155的数目。

不同构件155在下面亦称构件类型。因此，在第一电路板205上要装配构件类型的第一集合225并且在第二电路板215上要装配构件类型的第二集合230，其中集合225、230中所包含的构件类型的数目分别对应于构件差异。两个电路板205和215一起的构件差异因此对应于集合225和230的并集中的构件类型的数目。因此，尽管电路板205、215中的每个分别具有为5的构件差异，但是两个电路板205、215一起的构件差异为6，因为在每个电路板120上都要装配在分别另一电路板120上未被使用的一种构件类型的构件155。

为了实现电路板120到装配线110的尽可能有利的分配，所寻求的是将具有特别高的构件差异的电路板205、215尽可能均匀地分配给装配线110。在一个实施方式中，尝试尽可能最小化被分配给一个装配线110的高构件差异的电路板120的数目之间的成对差。在另一实施方式中，预先给定装配线110上的复杂电路板120的相应数目的下界限和上界限。下界限例如可以是1或2，而上界限例如可以在2和4之间。当数目不超过或不低于预定界限时，复杂电路板120到装配线110的充分均匀的分配可以被接受。

图3示出了用于执行该分配的第一方法300的流程图：

步骤305：首先，检测分配电路板120的请求。请求定义电路板120和其上要装配的构件155。附加地，可以给定一定数目的边界条件，例如哪个电路板110可以在哪个装配线110上装配或者哪个器件155可以通过装配线110来加工。另外的边界条件在下面讨论数学背景时找到。

步骤310：接着针对电路板120中的每个确定构件差异，这如上面参考图2所详述那样。

步骤315：然后，确定其构件差异特别高的电路板120的集合200。尤其是可以将其构件差异超过预定阈值的电路板归类到集合200中。可替代于此地，电路板120也可以根据其构件差异被排序，并且具有最高构件差异的预定数目的电路板120被接受到集合200中。 

混合形式和其它处理方式同样是可能的。

在一个实施方式中，然后可以在步骤345中直接执行电路板120到装配线110的分配。但是优选地之前还确定在步骤315中确定的集合200的哪些电路板205、215需要非常不同的构件类型的集合225、230，以便将这些电路板205、215分配给尽可能不同的装配线110。在另一实施方式中，该确定已经在较早的时刻进行，使得集合200在步骤315中被形成为使得仅仅非常不同的复杂电路板120被接收到集合200中。

步骤320：为了确定其差别，首先从复杂电路板120的集合200中选择两个电路板120。优选地，该选择在多个迭代流程中进行，使得最后集合200的电路板120的所有对都可以关于其上要装配的构件类型的差别进行检查。参考图2的示例，譬如选择电路板205和210。

步骤325：然后确定要在所选电路板205和215上装配的构件类型的每个集合225、230中的构件类型的数目是否超过预定的第一界限。在图2的示例中，在两个电路板205和230上分别要装配五种构件类型；对应集合225和230分别包含五种构件类型。

步骤330：如果如上所述超过第一界限，则方法以步骤330继续，在步骤330中检查：集合225和230的对称差的构件类型的数目是否超过预定的第二界限。集合225和230的对称差包括集合225和230的并集减去集合225和230的交集。换言之，对称差包括在电路板205与215之间不相交、即排他地仅仅在第一集合225或仅仅在第二集合230中存在的构件类型。在图2的示例中，对称差包括两种构件类型。

步骤335：如果不相交的构件155的数目超过第二界限，则在步骤335中确定集合225和230的并集是否包括比由预定的第三界限预先给定的更多的构件类型。在图2的示例中，并集包括6种构件类型。如果该测试也进行为肯定的，则在步骤340中阻止在同一装配线110上将所选电路板205和215配对。

而如果步骤325至335之一的测试进行为否定的，则不明确地阻止电路板205和215的配对。但是，所选电路板205和215在步骤245中于是是否也分配给相同的装配线110，由此仍不被保证。在方法300的其它实施方式中，也可以取消步骤325至335中的一个或多个；此外，也可以应用步骤325至335的其它顺序。

步骤345：最后，然后将电路板120分配给装配线110，使得在步骤315中确定的集合200的电路板120尽可能均匀地分布在不同装配线110上。除了要避免对非常不同的电路板205、215配对的可能边界条件以外，该分配还可以考虑另外的边界条件，尤其是装配线110的装配自动机130的特性，譬如处理特别大或特别小的构件155的能力。

在步骤345在给定预先规定下的分配优选地借助于整数线性规划进行。

嵌入方法400以流程图形式在图4中示出。

步骤405：首先，确定电路板120到装配线110上的起始分配，并且使当前分配等于起始分配。为了确定起始分配，不同试探法是可能的，所述试探法也可以包括人工预先规定或约束。

步骤410：接着，从要分配的电路板120中选择电路板120的子集。

步骤415：然后，于是优选借助于整数线性规划形成所述子集的电路板120到装配线110的一个或多个可替代的分配。该分配以参考图3所述的方式进行为，使得不同的复杂电路板120尽可能均匀地被分配给装配线110。同时，应当尽可能最小化所有装配线110的器件差异。

步骤420：在此，确定在步骤415中形成的分配的质量或从步骤415的线性优化的参数中接受所述质量。在此，通常预先给定一个或多个质量参数，所述质量参数例如可以包括装配自动机130的满载度或者恒定台140与可变台145的比例。结合图3的方法，优选地作为唯一的质量参数尽可能最小化所有装配线110的器件差异。

步骤425：然后检查：是否达到预定的中断准则。中断准则可以包括预定质量的分配或者针对方法400的预定计算时间的期满。

步骤430：如果中断准则被满足，则输出所确定的分配。

步骤435：否则，可以在所确定的分配中选择应当进一步被优化的那些分配。

步骤440：在这种情况下，将当前分配设置为要优化的分配之一，并且方法400可以从步骤410起重新执行。如果选择了多个可优化的分配，则方法400也可以相应地多次并行地分岔。

数学背景

通过使用精确数学方法，可以与迄今为止在实际中所使用的试探法相比实现明显更好的解决方案。与此进一步不同的是，还可以利用这些方法实现良好的生产时间。

在将电路板120或组件分配给装配线110时应当注意，由于技术约束的原因，可能不是每个电路板120都可以在每个装配线110上被制造。电路板在装配线110上大多还具有不同的生产时间。此外，不允许超过装配线110的最大生产时间容量。

在将电路板120分配到装配线110上时，通常追寻下列目标：

－应当利用恒定台140制造尽可能多的电路板120，以便减少重装成本；

－装配线110处的装备族（Rüstfamilie）的数目应当尽可能小，以便减少重装时间成本；

－想要需要尽可能少的装备设备（例如输送器150）；

－电路板120的总生产时间应当尽可能最小。

在此，装备族被确定为如下电路板的集合：所述电路板可以在装配线上装配，而不改变在该装配线处为装配准备好的构件类型的集合。在装配线处准备好的构件类型的集合亦称装备。出发点通常是，在装配线处准备好每种构件类型的始终足够多的构件。

通常，给装配线分配比由装备族能够包含的电路板更多的电路板，因为在该装配线处不能准备好任意多的构件类型。因此，该装配线有时经历装备更换，在装备更换的情况下第一装备族的装备被更换为第二装备族的装备。该装备更换越稀少并且越少的构件类型必须在装备更换时被更换，则可以越低成本地运行装配系统。 

通常通过如下方式尝试实现这些目标：寻求装配线110的电路板120的尽可能高的构件重叠，或最小化该装配线110的器件差异之和。

为了确定电路板120到装配线110的经优化的分配，使用IP模型（IP代表整数规划或整数策划或整数优化模型）。该确定可以借助于已知的标准解算机来执行。

索引

L 系统100的SMT装配线110的集合

R 电路板120的集合

C 器件类型155的集合

 具有器件类型c的电路板的集合 

 在线上可装配的电路板的集合。

参数

 电路板r在线上的总生产时间

 线上的生产时间界限。

二进制变量

 电路板r到线的分配

 器件c在线上的使用。

IP表达：

使得：

为了改善复杂电路板120在装配线110上的分配，可以给解算机提供另外的条件。

第一要求可以在于，给装配线仅仅分配成对地非常不同的具有高构件差异的电路板120中的一定数目的电路板或组件120。在此，通常被选择为非常低的，一般为1或2。　

其中：

 装配线110

  第一预定数目

  成对地非常不同的电路板的集合200。

另外还可以要求，应当给每个线分配来自集合的最小数目个电路板。在此，通常被选择为非常低的，一般仅仅为1。　

其中：

 第二预定数目

除此之外还可以要求：不应当将电路板r与来自集合的电路板r'一起分配给装配线。

通过使用这些准则中的至少一个，可以实现复杂电路板120在装配线110上的经改善的分布，使得可以减少装配线110的重装。此外，可以改善电路板120在装配系统100中的生产时间。另外，利用所述方案借助于IP解算机可以比迄今为止已知的方式更迅速地确定分配。

尽管本发明在细节上通过优选实施例进一步阐明和描述了，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且其它变型方案可以由技术人员由此导出，而不偏离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于将电路板（205，215）分配给装配系统（100）的装配线（110）以给电路板（205，215）装配电子构件（155）的方法（300），其中该方法包括下列步骤：

检测（305）给多个电路板（110，205，215）装配分别要装配的构件（155）的请求；

确定（315）其构件差异超过预定度量的电路板（110，205，215）的集合（200），

其中构件差异分别表示要在电路板（110，205，215）上装配的不同构件（155）的数目；

在所给定的预先规定的情况下借助于整数线性规划将电路板（110，205，215）分配（345）给装配线（110），使得所述集合（200）的电路板（110，205，215）尽可能均匀地分布在装配线（110）上。

2.根据权利要求1所述的方法（300），其中给装配线（110）分配不大于预定数目的来自所述集合（200）的电路板（110，205，215）。

3.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中给装配线（110）分配至少预定数目的来自所述集合（200）的电路板（110，205，215）。

4.根据前述权利要求之一所述的方法（300），其中如果要在两个电路板（110，205，215）上装配的构件（155）的对称差的构件差异超过预定界限，则阻止将电路板（110，205，215）分配给一个装配线（110）。

5.根据权利要求4所述的方法（300），其中仅在两个电路板（110，205，215）的构件差异也分别超过预定界限的情况下阻止所述分配。

6.根据权利要求4或5所述的方法（300），其中仅在要在两个电路板（110，205，215）上装配的构件（155）的并集的构件差异也超过预定界限的情况下阻止所述分配。

7.根据前述权利要求之一所述的方法（300，400），其中整数线性规划包括下列步骤：

将电路板（110，205，215）到装配线（110）上的起始分配确定（405）为当前分配；以及

基于当前分配借助于整数线性规划借助于优化程序或标准解算机将电路板（110，205，215）的所选集合分配（415）到装配线（110）上。

8.根据权利要求7所述的方法（300，400），其中所述步骤迭代地执行，直到确定的分配已经达到预定质量或者预定处理时间期满（425）。

9.计算机程序产品，具有程序代码装置，所述程序代码装置用于在实施设备（115）上运行或者存储在计算机可读介质上时执行根据前述权利要求之一所述的方法（300，400）。

10.用于将电路板（120）分配给装配系统的装配线（110）的控制设备（115），其中控制设备（115）被设立为：检测给多个电路板（110）装配分别要装配的构件（155）的请求；确定其构件差异超过预定度量的电路板（110）的集合（200），其中构件差异分别表示要在电路板（110）上装配的不同构件（155）的数目，并且在所给定的预先规定的情况下借助于整数线性规划将电路板（110）分配给装配线，使得所述集合（200）的电路板（120）尽可能均匀地分布在装配线（110）上。