CN104412284A

CN104412284A - 在装配线上的装备群组的形成

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Publication number: CN104412284A
Application number: CN201380036047.7A
Authority: CN
Inventors: C.罗耶
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: WO2014005742A1; US9955620B2; JP6141426B2; EP2829166A1; JP2015528205A; DE102012211810A1; US20150135505A1; EP2829166B1; CN104412284B

Abstract

装配线被设立用于用电子元件装配印制电路板。用于为装配线确定装备群组的方法包括步骤：初始形成一定数目的分别带有关联的印制电路板的装备群组；选择装备群组之一；和借助整数线性规划将所选择的装备群组的印制电路板分配到其他装备群组。

Description

在装配线上的装备群组的形成

技术领域

本发明涉及一种用于在装配线上形成装备群组的方法。本发明此外涉及一种制造线或安装线的控制装置，所述制造线或安装线用于用元器件来装配印制电路板。此外本发明涉及一种计算机程序产品和一种计算机可读介质。

背景技术

尤其是在电子产品领域中，要制造的印制电路板或组件在SMT装配线上通过表面安装（surface mounted technology , SMT）被制造。

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

装备群组被确定为以下印制电路板的集合：所述印制电路板可以在装配线上被装配，而不改变在装配线上准备好用于装配的元件类型的集合。现有的用于确定装备群组的工具常常不是需要手动的耗费，就是提供不总令人信服的结果。其他已知工具为了使用要与确定的装配系统绑定。

发明内容

本发明的任务在于，提供用于将印制电路板与装备群组关联的改进的技术。

本发明借助带有独立权利要求特征的方法、计算机程序产品和装配系统来解决该任务。从属权利要求再现出了优选的实施方式。

装配线被设立用于用电子元件装配印制电路板。本发明的用于为装配线确定装备群组的方法包括以下步骤：初始形成一定数目的分别带有关联的印制电路板的装备群组；选择装备群组之一；和借助整数线性规划将所选择的装备群组的印制电路板分配到其他装备群组。

在此，装备群组被确定为以下印制电路板的集合：所述印制电路板能够在装配线上被装配，而不改变在装配线上准备好用于装配的元件类型的集合。在装配线上准备好的元件类型的集合也被称为装备（Rüstung）。通常假定在装配线上始终准备有足够多的每种元件类型的元件。

通过本方法可以减少装配线或装配系统的装备群组数目。以此可以使装备更换较少发生，使得由改换装备所引起的生产中断能够被避免。此外，在装配线上的、组成确定装备群组的储备装置可以更好地充分利用尤其是更换台或者输送装置。必须为装配线的另外的装备群组而准备好的另外的储备装置的数目可以减少，以此能够节省可观的费用。本方法可以应用于所有常见的装配线。

在优选的实施方式中，选择出以下装备群组用于分配到其他装备群组，与该装备群组关联的印制电路板具有最少数目的元件类型。每个元件类型包括多个元件，所述元件关于装配系统上的装配过程彼此是不可区分的。印制电路板或装备群组的元件类型的数目也被称为其元件差异。元件类型的数目是能够被轻易确定的并且能够分辨以这样方式选择出的装备群组的可能性可以是高的。本方法因此可以迅速收敛并且导致小数目的所确定的装备群组。在另外的实施方式中，待分配的装备群组也可以基于其他标准而被确定，例如随机地被确定。

优选地，一直选择和分配装备群组，直至不再有装备群组能够被分配到其他装备群组。通过使用迭代方法，可以将印制电路板与装备群组的关联问题转化为混合整数规划（Mixed Integer Programm , MIP），针对该混合整数规划存在标准求解程序，例如Ilog或Xpress。以迭代方式，这样的求解程序可以被用于改善确定装备群组的已经获得的中间解。随着每次迭代，装备群组的数目都可以至少减少一个。随着标准求解程序的未来可展望的增长的效率，也可以进一步提高该方法的确定速度。

在特别优选的实施方式中，所述分配包括如下步骤：选择出不同于待分配装备群组的装备群组的至少一个印制电路板、阻止所选择出的印制电路板与其他装备群组的现有关联的改变、和借助整数线性规划求解装备群组的形成的剩余问题。

该方案尤其是可以针对带有大量印制电路板的较大问题设定而具有优点。通过阻止所选择出的印制电路板与其他装备群组的关联的改变，可以使得待解决的IP问题减小，从而能够加速地确定解。该减小可以迭代地进行，直至该问题足够小，以便能够借助MIP快速地并且在此以足够质量求解。当来自所选择出的装备群组的所有印制电路板分配到其他装备群组时或达到时间极限时，可以进行MIP的中断。

在一种实施方式中，印制电路板被随机选择出，其中所述印制电路板的重新关联被阻止。在另一实施方式中，也可以例如基于在其上待装配的元件或者基于这些元件的路径消耗而有目的地选择出印制电路板。路径消耗作为装配线的储备装置的路径数目而被给出，该储备装置是用于提供元件所必须的。常见的路径为8mm宽并且元件可以占据一个或多个路径。

装备群组的初始形成可以优选借助关于路径损耗的贪婪法进行。在一种实施方式中，为此选择出以下印制电路板：其关联的元件类型总体上具有最大的路径损耗并且所选择出的印制电路板与新创建的装备群组关联。在将在剩余的印制电路板上装配的元件类型与之前创建的装备群组的元件类型的交集上检查剩余的印制电路板。在此，确定以下印制电路板：在所述印制电路板中交集的元件具有最大路径消耗。如果所选择出的印制电路板还适合装备群组，则该印制电路板与新的装备群组关联。于是当得到的装备群组的元件类型还能同时通过装配线的储备装置被准备好时，该印制电路板例如可以适合所述装备群组。

通过所描述的策略可以迅速并且有效地找到装备群组的初始集合，该初始集合是起始解，所述起始解在开头描述方法的迭代过程中能够迅速被精确化至高质量的解。所确定的起始解可以由于所描述的“贪婪”方案而已经具有良好质量，从而在接下来的方法中需要可能较少的用于优化的花费。

在所描述的、装备群组的初始形成中，优选迭代地选择出另外的印制电路板并且与装备群组关联，直至不再有另外的印制电路板适合该装备群组。

在一种实施方式中，一直形成新的装备群组并且将印制电路板一直与所形成的装备群组关联，直至所有待装配的印制电路板都与装备群组关联。装备群组数目的初始形成可以以这种方式迅速并且有效地执行。

本发明的计算机程序产品包括程序代码装置，当其在实施装置上运行或者在计算机可读介质上存储时，用于执行所描述的方法。所述计算机程序产品可以以常见的编程语言（例如C++、Java）创建。所述处理装置可以包括市面上常见的带有相应输入装置、输出装置和存储装置的计算机或者服务器。

本发明的用于为装配线确定装备群组的控制装置被设立用于执行上述方法，所述装配线用于用电子元件装配印制电路板。

附图说明

本发明的上述特性、特征和优点以及如何实现其的方式和方法，结合实施例的以下描述被更清晰和更明确地理解，所述实施例结合附图被更详细地阐述，其中：

图1示出了装配系统；

图2示出了图1中装配系统处的装备群组的图解；并且

图3示出了图1中装配系统处的装配线上的装备群组的关联的图解；并且

图4示出了图1中装配系统处的优化方法的流程图。

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，并且其研究通过由线性等式和不等式限制的集合来优化线性目标函数。线性优化是（混合）整数线性优化的求解方法的基础。

线性优化的优点：

- 全局的优化方案。

- 可轻易扩展。

- 非常好的商业标准求解程序（SCIP、CPLEX、Ilog、Xpress），其在实际中被广泛传播并且被证明为可行的。

- 针对所求得的解已知其距最优解的最大距离有多远（Gap）。

图1示出了装配系统100。所述装配系统100包括多个装配线110和一个控制装置115，所述控制装置用于将印制电路板120关联至装配线110。每条装配线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包括一个或多个装配头135，所述装配头分别被设立用于从固定台140或可变台145拾取元器件，并且将元器件定位在印制电路板120上的预先确定的位置上，其中所述印制电路板处于运送系统125上。

在装配过程期间，印制电路板120关于装配自动机130通常是静止的。台140、145分别包括大量输送装置150，仅其中一个被示例性地示出。每个输送装置150准备好预先确定类型的元件155的储备。虽然每个输送装置150可以被配置用于准备不同元件155并且将不同输送装置150安装在台140、145上，然而当元件155必须被供应给装配自动机130，其中所述元件并不在所安装的台140、145之一上暂时提供时，这些台140、145因为速度原因通常被完全替换。

因为这样的更换通常带来了生产停顿，所以力求将要更换的台140、145的数目保持得小。如果一个台在改换装备过程期间不被替换，则该台被称为固定台140，否则被称为可变台145。此外，固定台140和可变台145之间并没有功能性差别。

印制电路板120被装配以一定数目的不同元件155。为了使得可变台145的频繁更换最小化并且理想情况中使得固定台140的数目最大化，控制装置115被设立用于优化印制电路板120至装配线110之一的关联。在此，通常必须与考虑印制电路板120或要在其上装配的元件155的特性完全一样地考虑每个装配线110或每个装配自动机130的特定特性。

图2示出了也被称为“簇”的装备群组的图解200。考察第一印制电路板205、第二印制电路板210和第三印制电路板215，它们分别相应于图1的装配系统100中的印制电路板120之一。在第一印制电路板205上要装配元件155的第一集合220、在第二印制电路板210上要装配元件155的第二集合225并且在第三印制电路板215上要装配元件155的第三集合230。以示例性方式，集合220至230分别包括五个不同元件类型，各元件类型的元件155分别以不同数目而被使用。因此，元件155的集合220至230与元件类型的集合235至245相关联。在集合235至245中，相应集合220至230的每个不同元件155仅再出现一次。

装备群组包括被关联用于在装配线100上进行装配的那些印制电路板120。在图2的例子中，将印制电路板205和210与相同装配线110关联并且形成第一装备群组250。第一装备群组250因此需要带有分别与印制电路板205和210相关联的集合235和240的合并集合的元件类型的第一装备260。在所示的例子中，第一装备260包括六种元件类型。在准备好第一装备260的元件类型的情况下，第一装备群组250的印制电路板205和210可以在装配线110上不改换装备地被装配。

第三印制电路板215是与其他装配线110关联的并且独自形成第二装备群组255。与第二装备群组255关联的第二装备265包括五种元件类型。

如果第三印制电路板215和印制电路板205和210与相同的装备群组关联，则被关联至所得到的装备群组的装备包含有集合235至245的元器件类型的合并集合，在本例中即七种元器件类型。如果装配线110仅具有用于六种不同元件155的容纳容量，则这样形成的装备群组不能关联给装配线110或者说第三印制电路板215不再适合与装配线110关联的装备群组。

图3示出了装备群组250、255与图1的装配系统100上的装配线110的关联的图解300。该示图仿照图2中给出的例子。

图2中的第一装备群组250和第二装备群组255与第一装配线305关联。装备群组250和255交替地在装配线110上被装备，其中在每一次改变时发生装备更换315。

第三装备群组320与第二装配线310关联。第三装备群组320固定地与第二装配线310关联，在所示例子中不进行第二装配线310的改换装备。

尝试将印制电路板120指配给装备群组250、255、320，使得可以分别装配尽可能大数目的不同印制电路板120。然而，通常将比一个装备群组可以包括的更多的印制电路板120关联给一个装配线110，因为在装配线110上不能准备有任意多的元件类型。装配线110因此不时地遭遇装备更换，在装备更换时，第一装备群组的装备相对第二装备群组的装备被更换。装备更换越少发生并且在装备更换时需要被更换的元件类型越少，装配系统就可以越低成本地运行。

为了将装配线305改换装备的频度保持得尽可能小，尝试将装配线110的装备群组250、255的数目尽可能减小。在一种实施方式中，也尝试这样地形成装备群组250、255，使得在装备更换315时没有太多的元件类型要被改换装备，以减少装配线110上的可变台145的数目并且增加固定台140的数目。此外，在形成装备群组250、255时要注意的是：出于技术原因，可能不是印制电路板120的每个元件155都能在每条装配线110上被加工。

在下面参照图4更详细地阐述针对各个装配线305、310形成装备群组250、255、320。

图4示出了用于印制电路板120至装备群组250、255、320的优化关联的方法400的流程图。在方法400的第一阶段中，在步骤405至435中执行贪婪法以初始形成一定数目的装备群组250、255、320。用于形成装备群组250、255、320的其他子方法也是可能的。确定的装备群组250、255、320用作方法400的第二阶段的起始解，该方法400在步骤440至460中减少装备群组250、255、320的数目。

步骤405：首先在第一步骤405中产生装备群组250、255、320。

步骤410：接着在现有的、还要被关联的印制电路板120中搜索出具有最大路径消耗的印制电路板。每个印制电路板120的元件155分别需要一个或多个路径，固定台140和可变台145以及输送装置155被组织在所述路径中。一种元件类型的元件155可以具有不同大小的路径消耗。

步骤415：然后将确定的印制电路板120关联给在步骤405中确定的新装备群组250、255、320。

步骤420：然后选择出另外的印制电路板120。针对被选择出的印制电路板120适用：在所选择出的印制电路板120的元件类型与新装备群组的元件类型的交集中的元件类型的路径消耗是最大的。

在另一实施方式中，选择出如下印制电路板120：当其关联给在步骤405中产生的装备群组250、255、320时，其路径消耗增长最小。

步骤425：接着检查：被选择出的另外的印制电路板是否适合装备群组250、255、320。当在所述另外的印制电路板被关联给装备群组250、255、320之后装备群组250、255、320的元件类型能够完全装载到装配线110的输送装置140、145、150中时，就是这种情况。

步骤430：如果所述测试是肯定的，则在步骤430中将所述另外的印制电路板120关联给装备群组250、255、320并且方法500继续进行上述步骤420。

步骤435：如果所述测试相反地是否定的，则在步骤435中检查：是否有另外的还没有被关联给装备群组250、255、320的印制电路板120存在。如果是上述情况，则方法400分支回到步骤405，以产生新的装备群组250、255、320。

接着所确定的起始解被迭代地改善，所述起始解包括所有直至该点所确定的装备群组250、255、320。

步骤440：为此，首先从确定的装备群组250、255、320中选择出一个，以便将与该装备群组关联的印制电路板120分配到其他装备群组250、255、320。在优选的实施方式中，选择出以下的装备群组250、255、320：与其关联的印制电路板120具有最小的元件类型数目。替代地，也可以使用其他选择标准，例如哪个装备群组250、255、320具有最小路径损耗。

步骤445：接着借助整数线性规划（MIP）基于有效解、即所有确定的装备群组250、255、320，尝试将在步骤440中所选择出的装备群组250、255、320的印制电路板120分配到其他装备群组250、255、320。该步骤可以借助标准求解程序来执行。整数线性规划也还能考虑附加的限制。例如，确定的元器件155可以仅在预先确定的台140、145上被准备好，例如由于其大小或性质的原因。此外，可以给出用元件155对装配线110的最大填充度。此外，印制电路板120的子集可以始终与同样的装备群组250、255、320关联。这例如在装配同一印制电路板120的上侧和下侧时是有意义的。最后，可以识别出必须与不同装备群组250、255、320关联的印制电路板120。

步骤450：然后检查：是否能找到印制电路板120向装备群组250、255、320的分配，在分配中之前所选择出的装备群组250、255、320是空的。

步骤455：如果不是这样的情况，则方法400在步骤455中终止。

在一种变型方案中，所述解的确定可以借助整数线性规划在步骤445中同样迭代地进行。在此，在当前解中，一些印制电路板120在其与装备群组250、255、320的关联中是固定的，而其他的印制电路板在其关联中可变化。然后，基于该解执行整数线性规划，由此确定一个或多个新的解。对于每个确定的解形成一个指示该解质量的标准。然后，其标准指示质量不够的解被丢弃。其余的解可以在整数线性规划的一个或者多个另外的过程中进一步被改善。当找到具有预先确定质量的解或经过了预先确定的确定时间时，该迭代可以发生中断。

步骤460：如果在步骤455中，能够将至少一个装备群组250、255、320的印制电路板120分配到其他装备群组250、255、320，则从存在的解中确定和移除所有空的装备群组250、255、320。这在所选择出的装备群组250、255、320成功分配的情况下能够为至少一个，但也可以为多个。接着方法400回到步骤440，以便重新进行。

按照此设定，另外的印制电路板120可以迭代地被固定关联给其当前的装备群组250、255、320，以便进一步减小整数线性规划的问题。当所得到的问题小到足以能够通过标准求解程序实现有意义的处理时，可以进行该迭代的中断。在设定足够多的印制电路板120之后，可以执行上述445。

数学背景

通过使用准确的数学方法，能获得比迄今在实际中使用的启发法明显更好的解。在与此的进一步区别中，用本方法也可以实现良好的生产时间。

索引

R 印制电路板120的集合

C 元器件类型155的集合

Cl 装备群组250、255、320的集合

R_c 具有元器件类型c的印制电路板的集合

参数

Time_r,l 在线l上的印制电路板r的总生产时间

TimeLimit_l线l上的生产时间极限

二元变量

Assign_r,cl 印制电路板r与装备群组cl的关联性

Setup_c,cl在装备群组cl中元器件c的使用

IP公式

其中cl'是待分配到其他装备群组的装备群组。

s.t.:

尽管本发明通过优选实施例被进一步详细地说明和描述，但是本发明却不限于公开的例子，并且其他变型可以由技术人员由此推导出，而不离开本发明的保护范围。

Claims

1.用于为装配线（110）确定装备群组（250, 255, 320）的方法（300），所述装配线（110）用于用电子元件（155）装配印制电路板（120），其中所述方法包括以下步骤：初始形成（405, 435）一定数目的分别带有关联的印制电路板（120）的装备群组（250, 255, 320）；选择(440)所述装备群组（250, 255, 320）之一；借助整数线性规划将所选择的装备群组（250, 255, 320）的印制电路板分配（445）到其他装备群组（250, 255, 320）。

2.根据权利要求1所述的方法（300），其中选择以下装备群组（250, 255, 320），与该装备群组关联的印制电路板（120）具有最小数目的元件类型。

3.根据权利要求1或2所述的方法（300），其中一直选择和分配装备群组（250, 255, 320），直至不再有装备群组（250, 255, 320）能够被分配到其他装备群组（250, 255, 320）。

4.根据上述权利要求之一所述的方法（300），其中所述分配包括以下步骤：

选择出（445）不同于待分配装备群组（250, 255, 320）的装备群组的至少一个印制电路板（120）；

阻止（445）所选择出的印制电路板与其他装备群组（250, 255, 320）的现有关联的改变，和

借助整数线性规划求解（445）剩余问题。

5.根据权利要求4所述的方法（300），其中所述印制电路板（120）被随机选择出。

6.根据上述权利要求之一所述的方法（300），其中装备群组（250, 255, 320）的初始形成包括以下步骤：

选择出（410）以下印制电路板（120），与该印制电路板关联的元件类型具有最大路径消耗；

将所选择出的印制电路板（120）关联（415）至新的装备群组（250, 255, 320）；

选择出（420）剩余印制电路板（120）中的一个，对于该剩余印制电路板来说该剩余印制电路板的元件类型与新的装备群组（250, 255, 320）的元件类型集合的交集的路径消耗最大，和

如果所选择出的印制电路板（120）还适合（425）所述新的装备群组（250, 255, 320），则将该印制电路板（120）关联（430）至所述装备群组（250, 255, 320）。

7.根据权利要求6所述的方法（300），其中一直选择并且关联另外的印制电路板（120），直至再没有另外的印制电路板（120）适合所述装备群组（250, 255, 320）。

8.根据权利要求6或7所述的方法（300），其中一直形成新的装备群组（250, 255, 320）并且将印制电路板（120）一直与所述新的装备群组关联，直至所有待装配的印制电路板（120）都与装备群组（250, 255, 320）关联。

9.带有程序代码装置的计算机程序产品，用于当该计算机程序产品在实施装置（115）上运行或者在计算机可读介质上存储时，执行根据上述权利要求之一所述的方法（300）。

10.用于为装配线（110）确定装备群组（250, 255, 320）的控制装置（115），所述装配线用于用电子元件（155）装配印制电路板（120），其中所述控制装置（115）被设立用于初始形成一定数目的、分别带有关联的印制电路板（120）的装备群组（250, 255, 320），选择出所述装备群组（250, 255, 320）之一，并且借助整数线性规划将所选择的装备群组（250, 255, 320）的印制电路板（120）分配到其他装备群组（250, 255, 320）。