CN108781530A - 用于将组件分配给装配线路的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明要求保护一种用于将组件（LP1‑LP6）分配给装配线路（BL1‑BL2）以便用零部件（B1‑B6）来装配组件（LP1‑LP6）的方法，其中对于待装配组件（LP1‑LP6）的每种组件类型和每条装配线路（BL1‑BL2）在考虑到装配线路（BL1‑BL2）上的组件类型的相应的周期时间和针对每种组件类型预期的要生产的件数的情况下确定预期的生产时间，其中实际的要生产的件数根据事先能确定的概率分布发生，其中组件（BL1‑BL6）到装配线路（BL1‑BL6）的可能分配通过现有的基础结构和/或通过用户定义的预先规格来限制，并且借助于优化方法来计算组件（LP1‑LP6）到装配线路（BL1‑BL6）的分配，其中分配的计算如此进行，使得对于从针对件数的所述概率分布中得出的、与每条装配线路（BL1；BL2）的预期生产时间的总和有关的概率分布，与得出的概率分布的相应预期值的偏差被最小化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于将组件分配给装配线路以便用零部件装配组件的方法。另外，本发明涉及一种用于用零部件装配组件的制造或组装线路的设备。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
特别是在电子生产领域中，通过表面安装（surface mounted technology（表面安装技术），SMT）在SMT装配线路上制造要制造的印刷电路板或组件。例如，具有产品名称SIPLACE的SMT装配自动机和系统的制造商是ASM公司（http://www.siplace.com/en/Home）。
然而，由于技术限制，并非每个组件都能在每条装配线路上制造。组件在这些装配线路上大多也具有不同的生产时间。而且，不能超过装配线路的最大生产时间容量。
组件到装配系统的装配线路的分配通常基于经验值或试探法（Heuritik）手动或半自动地进行。
在可能使用数学优化方法的情况下，线性优化方法是可能的。线性优化涉及在受到线性方程和不等式限制的集合上的线性目标函数的优化。所述线性优化是（混合）整数线性优化的求解方法的基础。所谓的Solver（求解器）是特定数学计算机程序的总称，所述特定数学计算机程序可以用数字方式求解数学问题。关于MIP（mixed integer linearprogramming（混合整数线性编程）），可以针对小型IP程序（整数优化模型）使用诸如CPLEX、Gurobi、Ilog、Xpress的标准求解器。作为小型IP程序例如可设想具有2条线路、181个组件和839个零部件类型的实例（Instanz）。在更大的实例的情况下，利用诸如CPLEX的标准求解器可能会遇到求解该更复杂的问题设定（Problemstellung）的问题。
由于制造中的计划范围大多是中期的，因此在不同组件类型的未来件数方面存在不确定性。这可能导致装配线路的负荷/生产时间的不期望地大的波动。因此，在实践中希望避免组件-线路分配，在组件-线路分配的情况下对于各条线路可能出现特别高的生产时间波动。这可能导致相应的线路常常过载或者欠载。
由于在次要条件下应当一并考虑上述方法中的生产时间，因此在试探方法的情况下通常对于诸如生产时间限制的值导出或推导出虚构假设。这通常以“Trial and Error（试错）”的方式进行，并且最终可能是极为计算非常密集的。
发明内容
本发明的任务是提供一种改进的优化方法或技术以用于将组件分配到装配线路。
该任务通过独立权利要求来解决。有利的扩展方案是从属权利要求的主题。
本发明要求保护一种用于将组件分配给装配线路以便用零部件来装配组件的方法，其中对于待装配组件的每种组件类型和每条装配线路在考虑到装配线路上的组件类型的相应的周期时间和针对每种组件类型预期的要生产的件数的情况下确定预期的生产时间，其中实际的要生产的件数根据事先能确定的概率分布发生，其中组件到装配线路的可能分配通过现有的基础结构和/或通过用户定义的预先规格来限制，并且借助于优化方法来计算组件到装配线路的分配，其中分配的计算如此进行，使得对于从针对件数的所述概率分布中得出的、与每条装配线路的预期生产时间的总和有关的概率分布，与得出的概率分布的相应预期值的偏差被最小化。
本发明的一个实施例是最小化与相应预期值的偏差的总和。
根据本发明的做法的优点在于，现在还可以计算密集程度低于开头所述地解决具有更大实例的问题设定。
作为优化方法可以应用所谓的整数线性编程。由此可以使用商业标准求解器。
与得出的概率分布的预期值的所述偏差可以采用相似或相同的值。在这种情况下，“相似”可以意味着，允许向上或向下的最大偏差。在这种情况下，“相同”可以意味着一致。然而，在（几乎）相同的值的情况下，向上或向下的微小偏差形式的轻微不准确性也是可能的，其中与“相似”相比，这种微小偏差几乎不可规划并且因此几乎不能预先确定。
对于分配给其中一条装配线路的组件的集合，预期生产时间的总和不应超过相应装配线路的最大时间负荷。
如果将每种组件类型恰好分配给一条装配线路，则可能是有意义的。与装配线路的预期生产时间的总和的偏差可以表示为其方差。
每条装配线路的方差可以由在一时间段内与一组件类型的预期件数的平方偏差和得出的概率分布的相关值的乘积并且乘以平方周期时间、通过在分配给装配线路的所有组件类型上求和来确定。
所述的方差可限制到可预先规定的最大阈值，并且必要时可以通过预先规定最大阈值（在下面描述的实施例中称为VarMax l ）被最小化。在此，可以以向上和/或向下有限的间隔的形式预先给定最大阈值。
所述间隔的宽度可以被规定为按百分比地与限制所述间隔的值之一相关。
作为整数线性编程的输入数据可以使用以下描述基础结构的数据：
- 装配线路的数量，
- 组件的数量，
- 组件类型的数量，
- 每条装配线路的装配类型的预期件数，
- 每条相应的装配线路的生产时限，
- 组件类型在装配线路上的周期时间和针对组件类型的预期件数的概率分布。
装备族（Rüstfamilie）被确定为组件的集合，所述组件可以在装配线路上被装配，而不改变在装配线路上为装配准备好的零部件类型的集合。在装配线路上准备好的零部件类型的集合也称为装备。通常，为一条装配线路分配比装备族可以包括的更多的组件，因为在装配线路上不能准备好任意多的零部件类型。因此，装配线路偶尔经历装备更换，其中第一装备族的装备相对于第二装备族的装备被更换。装备更换越少并且装备更换时必须更换的零部件类型越少，运行装配系统的时间就可以越少。在装配系统中总共使用的装备族的数量可以是比例如装配线路的零部件方差更实际的质量指标。装配线路的零部件方差在此由不同零部件类型的数量给出，这些零部件类型的零部件要装配到被分配给装配线路的组件之一上。因此，该方法可以确定组件到装配线路的分配，所述分配允许整个装配系统的改进的负荷。
虽然所要求保护的方法定义了优化方法的第一目标函数，该第一目标函数应该朝向与相应期望值的偏差有关的尽可能最佳的结果收敛，但是所要求保护的方法可以附加地利用第二目标函数来补充。该第二目标函数可以基于上面阐述的分配来确定用于每条装配线路的装备族的数量，其中该数量应该在装配线路上尽可能地小，以便减少改装时间成本。为了限制和/或最小化每条装配线路的装备族的数量，必要时可以预先给定或预先确定每条装配线路的不同阈值。
利用其他约束——诸如第二目标函数中的零部件方差和/或装备族的数量，可以获得更加精确的结果，这有助于不超过装配线路的最大负荷。
用户可以手动地预先给定：在具有两个目标函数的整体优化的情况下是否应该将更多权重放到第一目标函数上还是将更多权重放到第二目标函数上。
本发明的另一方面提供了一种用于将组件分配给装配线路以便用零部件来装配组件的设备，具有：
- 用于对于待装配组件的每种组件类型和对于每条装配线路在考虑到装配线路上的组件类型的相应的周期时间和针对每种组件类型预期的要生产的件数的情况下确定预期的生产时间的单元，其中实际的要生产的件数能够根据事先能确定的概率分布发生，其中组件到装配线路的可能分配能够通过现有的基础结构和/或通过用户定义的预先规格来限制，和
- 用于借助于优化方法来计算组件到装配线路的分配的单元，其中分配的计算如此进行，使得对于从针对件数的所述概率分布中得出的、与每条装配线路的预期生产时间的总和有关的概率分布，与得出的概率分布的相应预期值的偏差能最小化。
该设备可以提供用于执行上述方法的装置和/或单元或装置和/或模块，它们可以分别以硬件形式和/或以固件形式和/或以软件形式或作为计算机程序或计算机程序产品来构造。
该设备可以如上述方法那样被相应地扩展。
本发明的另一方面提供了一种用于用零部件装配组件的制造或组装线路装置，其中根据前述方法能确定组件到制造或组装线路的分配。
该制造或组装线路装置可以是设施的一部分。
该设施尤其是可以通过以下设施类型之一来表征。对此的示例是：
- 自动化设施，
- 制造或生产设施，
- 清洁设施，
- 水处理设施，
- 仪器或机器，
- 涡轮机，
- 发电设施，
- 电网，
- 通讯网络，
- 医疗技术装置或仪器，
- 医院信息系统。
本发明的另一方面是一种计算机程序产品或计算机程序，其具有用于在上述设备或设备的装置中实施计算机程序（产品）时用于执行上述方法的装置。所述计算机程序或计算机程序产品可以存储在计算机可读介质上。计算机程序或计算机程序产品可以用通用编程语言（例如C ++，Java）创建。处理装置可以包括具有相应的输入、输出和存储装置的商用计算机或服务器。该处理装置可以集成在设备中或其装置中。
附图说明
本发明的其他优点、细节和扩展方案从以下结合附图对实施例的描述中得出。
图1示出了具有用于组件制造的装配线路的第一示例性组装工厂，
图2示出了针对组件-线路分配在线路1和2的件数/生产时间方面的概率分布的图标，以及
图3示出了针对组件-线路分配根据本发明的优化方案的所述概率分布的图表。
具体实施方式
图1示出了具有用于组件制造的装配线路BL1-BL2的第一示例性组装工厂或组装设施。装配线路BL1-BL2通常由装配自动机BA1-BA6组成，所述装配自动机BA1-BA6分别通过传送系统FB1-FB2（例如传送带）彼此连接，所述传送系统FB1-FB2用于传送要装配的组件LP1-LP6。要装配到组件LP1-LP6上的零部件或构件B1-B6通常通过传送器F1-F11被提供给装配自动机BA1-BA6。在此，可以给一条装配线路BL1、BL2分配组件类型集合R中的一个特定组件类型r的多个组件LP1-LP6（r∈R）。
在例如用于用零部件B1-B6装配衬底的装配自动机BA1-BA6中，在用于衬底的传送段的侧面布置用于零部件B1-B6的供给装置F1-F11。装配自动机BA1-BA6的可通过定位系统移动的装配头从供给装置F1-F11取走零部件B1-B6，将这些零部件移动到装配自动机的装配区域，在所述装配区域中提供了要装配的衬底，并且将零部件B1-B6放在衬底上。为了提供零部件B1-B6，例如使用所谓的带式送料器，其适用于传送和供应放置在带中的构件。这些带式送料器将存放在口袋状凹陷中的构件传送到取料位置，在该取料位置，构件被装配头从带口袋（Gurttasche）中取走。空带在合适的位置离开供应设备F1-F11。
在下文中，作为数学优化方法描述了针对该问题设定的IP模型（IP代表整数编程或整数程序或整数优化模型）。与迄今为止使用的试探法或优化方法相比，通过使用精确的数学方法可以实现明显更好的解决方案。IP解决方案具有以下优点：
•全局优化方案
•可易于扩展
•非常好的商业标准求解器（例如Ilog，Xpress），它们在实践中被广泛传播和证明
•标准求解器不断得到改进，从而可以预期的是实例在未来还可以更快地求解。
利用这些方法可以实现良好的生产时间。
在规划期间，应该在多条SMT线路上装配如下组件集合，这些组件具有不同零部件类型的零部件。针对每个组件r，估计将有多少工作，以及这些工作总共在规划期间必须完成的频率。利用不同（装配）线路上的周期时间、所估计的改装时间和线路利用率，可以确定每个组件和线路的所估计的总生产时间，所述总生产时间可以用作输入。对于每条线路，在规划期间还规定了最长生产时间。每个组件类型的预期生产时间可以利用未在图中示出的单元来确定。这种单元可以集成到装配自动机中，例如装配线路BL1的BA1中。未示出的用于计算组件到装配线路的分配的单元也可以集成到这种装配自动机中。
这些单元也可以实现或集成到与装配自动机分开的计算机中，所述计算机控制装配自动机。
所描绘的IP模型仅应当被视为一种可能的示例性的表达，而不是对所述方法的限制。
目的是限制单个线路的生产时间波动或尽可能使所述生产时间波动最小化。
在实施例中，在IP模型中使用以下参数：
设L是所有（装配）线路的集合，并且R是所有组件类型的集合，并且R l 是在线路l上可装配的组件类型的集合。
其他参数是：
n r 用于在特定时间段内组件类型r的要生产的件数n的独立随机变量
c r 在生产任意件数的组件类型r时的固定生产时间
t r,l 在线路l处生产组件类型r的组件的周期时间
VarMax l 装配线路l上的最大生产时间方差
TimeLimit l 装配线路l上的生产时限
Assign r,l 组件类型r到装配线路l的分配。
假设组件在线路上的生产时间为t r,l n r + c r 。在此，c r 是常数分量，其中例如包含改装时间。组件在线路上的生产时间也是独立的随机变量。
对于分派给线路l的组件类型的集合，生产时间因此也是随机变量，对于其方差有下式成立：
在IP模型中，通常使用约束。IP模型的以下约束限制了线路上的预期生产时间并确保了求解的允许性：
。
约束
保证了组件只能分派给如下的装配线路，在这些装配线路上所述组件也可以装配。
通过约束
将每个组件类型恰好分配给一条装配线路。
在IP模型中，装配线路的生产时间方差还可以如下表达：
。
用于限制线路上的最大生产时间方差的以下变型是可能的：
（1）通过固定地预先给定的参数使所有线路l的生产时间方差受到如下附加约束的限制
（2）如果选择作为变量，则可以利用辅助变量和如下附加约束
通过最小化来实现尽可能最小化线路的最大生产时间方差。 在此，可以包括在IP模型的目标函数中，具有权重因子w。
（3）另一种可能性是，针对预先给定的百分比值p，限制线路的最大和最小方差的偏差。
为此，设为另一辅助变量。附加的约束是
和
。
利用以上对变型（1）和（3）描述的约束还可以分别扩展来自DE 10 2011 076 565B4、WO2014 / 005741A1、WO2014 / 005743A1、WO2014 / 005744A1的IP模型。从所述文献中已知的方法是借助于MIP用于将组件分配给装配线路的优化方法的示例。
在具有与本专利申请相同优先权的专利申请“Verfahren und Vorrichtung zurZuordnung von Baugruppen auf Berückungslinien（用于将组件分配到装配线路的方法和设备）”中公开了上面所述的扩展。
因此，在这些IP模型中也可以限制生产时间波动。利用变型（2）同样可以扩展这些IP模型，所通过的方式是除了新的约束之外，还将具有所选权重的Vmax一并包括到目标函数中。
整数线性编程可以通过以下步骤解决：
a）确定起始解决方案或第一当前解决方案，
b）基于当前解决方案，将组件LP1-L6的选定集合分配到装配线路BL1-BL2，
c）借助于优化程序或基于整数线性编程的标准求解器计算新分配。
可以迭代地执行这些步骤，并且如果达到事先规定的时间限制或结果质量，则发生程序中断。
在下文中阐述一个简化的示例，该示例旨在以简化的方式阐述上面复杂地表示的优化过程，以便于理解，而不限于该简化的示例。如果将下面描述的具有少量实例的简单示例转移到更大的实例或更复杂的问题，则对IP模型中的参数的良好或精确选择以及要应用的约束或用户定义的预设是重要的，以便尤其是能够用所提到的标准求解器解决复杂问题。
在下面的示例中假设，对于在预测的件数为n情况下的组件类型，实际要制造或要装配的件数根据以下概率分布而波动：
•以0.8的概率假设预测值n
•以分别0.1的概率假设值n向上或向下的10%的偏差。
应有六种不同的组件类型被分配给两条线路BL1和BL2。预测的件数n为：
分配应该如此进行，使得两条线路具有相同的负荷，即相同的预期生产时间。对于所有组件类型，周期时间为1分钟，因此例如在件数为1000时生产时间为1000分钟。
作为可能的起始解决方案，可以将r1和r2分配到线路BL1上，并且将组件r3至r6分配到线路BL2上。由此得出两条线路BL1和BL2上的件数/生产时间的以下概率分布W1和W2，如在下表中或在图2中所示。
| BL1的概率分布 | BL2的概率分布 | |
| 3600 | 0.01 | 0.0001 |
| 3700 | 0.0032 | |
| 3800 | 0.16 | 0.0388 |
| 3900 | 0.2144 | |
| 4000 | 0.64 | 0.487 |
| 4100 | 0.2144 | |
| 4200 | 0.16 | 0.0388 |
| 4300 | 0.0032 | |
| 4400 | 0.01 | 0.0001 |
在线路BL1上，通过具有大件数的两种组件类型得出件数/生产时间的大的波动范围。
相反，如果将两种组件类型r1和r2划分给线路BL1和BL2，则得出两条线路BL1和BL2上的件数/生产时间的以下概率分布W1和W2， 如在下表中和在图3中所示。
| BL1的概率分布 | BL2的概率分布 | |
| 3600 | 0.001 | 0.001 |
| 3700 | 0.016 | 0.016 |
| 3800 | 0.074 | 0.074 |
| 3900 | 0.144 | 0.144 |
| 4000 | 0.53 | 0.53 |
| 4100 | 0.144 | 0.144 |
| 4200 | 0.074 | 0.074 |
| 4300 | 0.016 | 0.016 |
| 4400 | 0.001 | 0.001 |
在第一次分配时，最大方差为
并且
在第二次分配时减少25％到
。
在中间和在边缘处，在第二种组件线路分配情况下，针对线路BL1和线路BL2的分布的值远低于在第一次组件线路分配情况下的针对线路BL1的分布的值。在边缘处，概率甚至只有十分之一。
在适当的参数选择的情况下，可以有针对性地确定上面阐述的第二种组件线路分配。可以迭代地执行优化的步骤，并且如果达到事先规定的时间限制或可预给定的结果质量，则可以发生程序中断。
尽管已经详细地通过优选的实施例进一步说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中导出其他变型。
Claims (23)
1.用于将组件（LP1-LP6）分配给装配线路（BL1-BL2）以便用零部件（B1-B6）来装配组件（LP1-LP6）的方法，其中对于待装配组件（ LP1-LP6）的每种组件类型和每条装配线路（BL1-BL2）在考虑到装配线路（BL1-BL2）上的组件类型的相应的周期时间和针对每种组件类型预期的要生产的件数的情况下确定预期的生产时间，其中实际的要生产的件数根据事先能确定的概率分布发生，其中组件（BL1-BL6）到装配线路（BL1-BL6）的可能分配通过现有的基础结构和/或通过用户定义的预先规格来限制，并且借助于优化方法来计算组件（LP1-LP6）到装配线路（BL1-BL6）的分配，其中分配的计算如此进行，使得对于从针对件数的所述概率分布中得出的、与每条装配线路（BL1；BL2）的预期生产时间的总和有关的概率分布，与得出的概率分布的相应预期值的偏差被最小化。
2.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述与得出的概率分布的预期值的偏差采用相似或相同的值。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于分配给其中一条装配线路（BL1-BL2）的组件（LP1-LP6）的集合，预期生产时间的总和不允许超过相应装配线路（BL1-BL2）的最大时间负荷。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与装配线路的预期生产时间的总和的偏差表示为其方差。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，应用所谓的整数线性编程作为优化方法。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与装配线路的预期生产时间的总和的偏差被限制到能预先给定的最大阈值。
7.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述的最大阈值被最小化。
8.根据前述权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述最大阈值以向上和/或向下有限的间隔的形式被预先给定。
9.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述间隔的宽度被规定为按百分比地与限制所述间隔的值之一相关。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，每种组件类型恰好被分配给一条装配线路（BL1，BL2）。
11.用于将组件（LP1-LP6）分配给装配线路（BL1-BL2）以便用零部件（B1-B6）来装配组件（LP1-LP6）的设备，具有：
- 用于对于待装配组件（ LP1-LP6）的每种组件类型和对于每条装配线路（BL1-BL2）在考虑到装配线路（BL1-BL2）上的组件类型的相应的周期时间和针对每种组件类型预期的要生产的件数的情况下确定预期的生产时间的单元，其中实际的要生产的件数能够根据事先能确定的概率分布发生，其中组件（BL1-BL6）到装配线路（BL1-BL6）的可能分配能够通过现有的基础结构和/或通过用户定义的预先规格来限制，和
- 用于借助于优化方法来计算组件（LP1-LP6）到装配线路（BL1-BL6）的分配的单元，其中分配的计算如此进行，使得对于从针对件数的所述概率分布中得出的、与每条装配线路（BL1；BL2）的预期生产时间的总和有关的概率分布，与得出的概率分布的相应预期值的偏差能最小化。
12.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述与得出的概率分布的预期值的偏差采用相似或相同的值。
13.根据前述设备权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，对于分配给其中一条装配线路（BL1-BL2）的组件（LP1-LP6）的集合，预期生产时间的总和不允许超过相应装配线路（BL1-BL2）的最大时间负荷。
14.根据前述设备权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，与装配线路的预期生产时间的总和的偏差表示为其方差。
15.根据前述设备权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，应用所谓的整数线性编程作为优化方法。
16.根据前述设备权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，与装配线路的预期生产时间的总和的偏差能限制到能预先给定的最大阈值。
17.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述的最大阈值能最小化。
18.根据前述权利要求16或17所述的设备，其特征在于，所述最大阈值是以向上和/或向下有限的间隔的形式预先给定的。
19.根据前一权利要求所述的设备，其特征在于，所述间隔的宽度规定为按百分比地与限制所述间隔的值之一相关。
20.根据前述设备权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，每种组件类型恰好分配给一条装配线路（BL1，BL2）。
21.用于用零部件（B1-B6）装配组件（LP1- LP6）的制造或组装线路装置（BL1-BL2），其中根据按照前述方法权利要求中任一项所述的方法能确定组件（LP1- LP6）到制造或组装线路的分配。
22.计算机程序，具有当使所述计算机程序在根据前述设备权利要求中任一项所述的设备上或者在所述设备的装置中实施时用于执行根据前述方法权利要求中任一项所述的方法的装置。
23.计算机可读介质，包括指令，当所述指令在合适的处理装置或设备上或在根据前述设备权利要求中任一项所述的设备的一个或多个装置中实施时，所述指令使得计算机或设备或装置执行根据前述方法权利要求中任一项所述的方法。
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