SMT優(yōu)化系統的設計與實(shí)現

新技術(shù)應用電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPESMT優(yōu)化系統的設計與實(shí)現鮮飛(華中數控股份有限公司,湖北武漢430223)摘要:基于SMT 系統優(yōu)化的旅行商問(wèn)題(TSP)進(jìn)行了分析和研究,對SMT系統優(yōu)化進(jìn)行了系統分析設計,介紹了如何減少X-Y工作臺運動(dòng),提出兩種針對環(huán)球HSP貼片機最優(yōu)路徑的優(yōu)化算法,并基于一種方法編程實(shí)現了基本方案。最后在HSP貼片系統上使用本解決方案,大幅度提高了生產(chǎn)效率,證明了本解決方案的優(yōu)越性和高效性,同時(shí)也為用其它算法解決SMT系統優(yōu)化問(wèn)題提供了一種可參考的思路。關(guān)鍵詞:表面組裝技術(shù);數據準備;計算機輔助設計;旅行商問(wèn)題中圖分類(lèi)號: TP271*.2文獻標識碼: A文章編號: 1004-4507(2011)12-0026-09Design and Implementation of SMT Optimization SystemXIAN Fei(Huazhong Numerical Control Co., Ltd, Wuhan 430223,China)Abstract: Analyze and research is given about TSP base on SMT optimization. System analysis anddesign scheme is provided. How to decrease X-Y table' movement is also discussed. Two optimizationalgorithm for HSP are put forward and realized by programming. Finally, this solve scheme is appliedto HSP, it has greatly improved the produce efficiency, and proved superiority and efficiency ofscheme. At the same time, it may provide a referable way of design of off-line programming softwarefor other SMT equipment.Keywords: Surface Mount Technology (SMT) ; Data preparation; Computer assistant design (CAD);travelling salesman problem (TSP)在SMT產(chǎn)品組裝工藝過(guò)程中,貼裝工序是其安裝，兩臺貼片機各司其責利于整條生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)揮關(guān)鍵工序,貼片機是其關(guān)鍵設備,貼裝生產(chǎn)效率直最大產(chǎn)出。接決定SMT生產(chǎn)線(xiàn)乃至SMT組裝系統的生產(chǎn)效由上面介紹可以看出只有當兩臺貼片機生產(chǎn)率。通常一條SMT生產(chǎn)線(xiàn)由一臺高速貼片機和一-時(shí)間相等 且最小時(shí)，則整條生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)揮出最大產(chǎn)臺高精度貼片機組成，高速機主要負責片式阻容能。這就VT J中國煤化工(1)SMT生產(chǎn)線(xiàn)元元件的安裝，高精度貼片機負責大型芯片元件的件分配:YHCN M H a裝時(shí)間盡可能接近收稿8期:2011-10-23②⑥(總第203期) e 200EPE |電子工業(yè)專(zhuān)用設備新技術(shù)應用在允許范圍內:(2)單臺貼片機的控制程序優(yōu)化到種分配方案也不是絕對的，例如有些小型三極管最佳狀態(tài),縮短其單塊PCB的貼裝時(shí)間,提高生的位號也可能是IC,但該元件卻需要放到HSP上產(chǎn)效率1.2。本文圍繞上述兩個(gè)方面進(jìn)行研究,并貼裝,這就需要在實(shí)際使用過(guò)程中不斷總結,完善基于研究成果開(kāi)發(fā)了一個(gè)SMT優(yōu)化系統軟件來(lái)其分配原則， 最后自動(dòng)根據分配結果生成RC和解決工程中碰到的實(shí)際問(wèn)題。IC兩個(gè)坐標文本文件,根據測算,采用該分配方案,分配的正確率一般能控制在98%以上，手工調1SMT生產(chǎn)線(xiàn)元件分配平衡設計整部分不足2%,基本滿(mǎn)足需求。1.1研究對象1.3元件分配平衡本文研究的一條SMT生產(chǎn)線(xiàn)由美國環(huán)球公根據元件初始分配結果和每種類(lèi)型元件的貼司的一臺HSP4796L高速貼片機(以下簡(jiǎn)稱(chēng)HSP)裝速度，分別計算兩臺貼片機的運行時(shí)間,若運行和一臺GSM1高精度機組成，由于后面敘述的生時(shí)間差異大于目標值(例如5s)， 則重新分配元產(chǎn)線(xiàn)平衡內容是關(guān)于這兩類(lèi)貼片機的，因此需要件,主要考慮的是兩臺貼片機都能貼裝元件(我們加以介紹。.稱(chēng)之為可分配元件)在兩臺貼片機間的調整,直到HSP以貼裝片式元件為主,采用16個(gè)一組的兩臺貼片機運行時(shí)間差距在允許誤差范圍內，則旋轉貼片頭，每個(gè)貼片頭上可安裝大小不一的5平衡結束。當然，還有一種情況出現，若出現時(shí)間種吸嘴,雙料站平臺,每個(gè)料站平臺上可安裝最多差距大于誤差范圍,但已無(wú)可分配元件,則無(wú)法分80種元件(8mm編帶),貼裝速度0.1s/片,可貼裝配，分配也結束,分配流程圖見(jiàn)圖1。0201~鉭電容、小型SOP等。GSM1采用單頭七吸嘴并列式結構，頭部及開(kāi)始機器前后側都安裝有元件識別像機，自檢索式料架,并安裝有托盤(pán)供料單元PTF,對應從微小片狀初次分配元件元件(選件)至QFP、BGA、CSP以及長(cháng)度最大達到100 mm的連接器等各類(lèi)異形元件,能實(shí)現10 000是否有可分配元件否片/h(阻容)的快速貼裝?！荊SM1可使用卷帶(Tape)、條式(Stick)、華夫重新分配元件盤(pán)(Tray)各種類(lèi)型的元件包裝,而HSP只能使用卷帶。是否小于5s?1.2元件初始化分配原則是編制貼片機程序時(shí)，由于兩臺貼片機是獨立結束運行,各司其責,所以需要初步將CAD坐標文本圖1分配流程圖數據分成兩部分分別用于高速貼片機和高精度貼片機的程序轉換(3,4]。- -般芯片等大型元件貼片數2單臺貼片機程序優(yōu)化設計據分配給高精度貼片機GSM1貼裝，阻容等小型元件貼片數據分配給高速貼片機HSP貼裝。在這2.1機器工作原理里提出一種簡(jiǎn)單而可行的分配方案，判斷芯片主以前面介紹的HSP高速貼片機為例，其貼片要從元件位號、型號關(guān)鍵字上出發(fā),凡是位號中含的工作原理中國煤化工有“IC”、“U”、“TR"字樣的判斷為芯片，例如設備的YH 1. CNMHG“IC1"、“U2”等,其它元件則視為阻容元件。但這(1)PCB (印制電路板)由進(jìn)口傳送帶裝載到Drea 2010 (總第203期)⑦新技術(shù)應用電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE的分析,可以歸納影響其運動(dòng)速度的主要因素有:,轉塔(1)供料器的運動(dòng)。由于當供料器從一個(gè)位置運動(dòng)的供料器切換到相鄰的位置時(shí)，供料臺仍然可以保持其最s5、大速度運動(dòng),但當供料器的位置切換超過(guò)一個(gè)時(shí)，.文供料臺的速度將減少20%~50%，所以當進(jìn)行程序PCB傳送軌道父優(yōu)化時(shí)，應盡量減少供料臺在相距較遠的兩個(gè)供料槽之間多次往返運動(dòng)，在排列元件貼裝次序時(shí)運動(dòng)的PCB應將相同元件放置在一起以盡量減少供料器平臺圖2環(huán)球HSP4796L貼片機工作原理的運動(dòng)。(2)轉塔的旋轉速度。每種元件的吸取、旋轉、X-Y工作臺上。貼片速度、X-Y工作臺移動(dòng)速度是由編程者在元(2)視覺(jué)系統讀取PCB基準點(diǎn)，并將PCB件數據庫中設定的，它決定了轉塔在拾取此元件定位。之后能以多快的速度運動(dòng)，一般應將吸取、旋轉、(3)供料器平臺可左右移動(dòng)到吸取元件所在的貼片速度設為一致，以避免轉塔不停加減速對生料槽位置_上。產(chǎn)效率造成不良影響。速度取決于元件的大小和(4)旋轉貼片頭順時(shí)針旋轉吸取元件。質(zhì)量,元件越大越重,速度就越低,這是為了避免(5)X-Y工作臺可上下左右移動(dòng)到貼裝元件元件在吸嘴上移位而造成放置位置的不精確,或所在位置.上。是真空吸嘴吸附力不足導致元件飛出，所以速度(6)旋轉貼片頭將所吸取元件放置到PCB指的設定是有一定限制的。在轉塔吸取一個(gè)速度較定貼裝位置上。慢的元件之后，則在此轉塔上被吸附的所有元件(7)重復(1)~(6)步驟，直至PCB上所有元件都會(huì )以此速度運動(dòng),而不管在數據庫的設定如何。全部貼完。轉塔速度總是由所吸取元件中速度最慢的決定。(8)PCB由出口傳送帶卸載。很顯然對于貼裝程序而言最好不要把不同速度的元件放在一起拾放，--方面可以避免因為元件的2.2影響HSP運動(dòng)速度的因素分析貼片速度不同而影響生產(chǎn)效率。另-方面,對于轉環(huán)球公司提供一個(gè)理論速度用以綜合反映塔而言，不斷地加速或減速也會(huì )造成生產(chǎn)周期的X-Y工作臺移動(dòng)速度和供料器切換速度，是貼片延長(cháng),同時(shí),還會(huì )對設備的穩定性造成- -定影響。.機從供料器_上吸取元件并將其放置于PCB上所因此,對于速度被設置較慢的元件,最好將其安排需的最短時(shí)間。值得注意的是,機器理論速度的得于程序的后面放置，以避免元件設置的相互影響到是有嚴格條件的。以HSP為例,其條件是:當機而導致機器生產(chǎn)周期的變長(cháng)[7.8]。器連續貼裝貼片速度均為0.10 s/片的元件,X-Y工(3)X-Y工作臺的運動(dòng)距離。這是一個(gè)影響機作臺的移動(dòng)距離小于25mm，供料器的切換不超器運動(dòng)的重要因素，也是眾多優(yōu)化軟件所側重考過(guò)1個(gè)槽的位置。此時(shí)HSP才可以達到其理論速慮的方面。在排列元件貼裝次序時(shí)應考慮相臨兩度0.10 s/片15.6。個(gè)元件距離盡可能近，以盡量減少X-Y工作臺的對于轉塔式片式元件貼片機HSP而言,拾取運動(dòng)9。.運動(dòng)與貼裝運動(dòng)的同時(shí)性和相對獨立性決定了當以上詳細介紹了影響HSP貼裝速度的主要.號慮減少機器生產(chǎn)周期時(shí)，不能單純地將問(wèn)題歸因素，在生產(chǎn)實(shí)際中可以通過(guò)調整供料器的排列結為尋求加工路線(xiàn)最短或加工時(shí)間最少的問(wèn)題。順序、中國煤化工生行程序優(yōu)化以減而機器各動(dòng)作在時(shí)間上的配合是影響機器生產(chǎn)周少機器HHCNMHG慮了以上因素,確期的重要原因。通過(guò)對HSP4796L的結構和運送定本系統程序將側重于通過(guò)調整供料器順序和元2⑧(總第203期) De 200EPE電子工業(yè)專(zhuān)用設備新技術(shù)應用件貼裝順序,以?xún)?yōu)化貼裝程序從而提高生產(chǎn)效率。2.4.1料器位置的確定供料器的排放位置是影響貼片機貼裝時(shí)間的2.3 貼裝路徑優(yōu)化的數學(xué)模型一個(gè)重要因素。對于一個(gè)給定的元件放置順序,不假設X-Y工作臺的移動(dòng)速度恒定,問(wèn)題就轉化合理的供料器安排會(huì )出現真空吸嘴一直停留在吸為距離優(yōu)化，其目的是為了簡(jiǎn)化優(yōu)化算法設計10。取位置等待下一個(gè)供料器的到來(lái)，嚴重影響貼片而且,根據前面的分析,這種簡(jiǎn)化與實(shí)際狀況是基機生產(chǎn)效率，因此需要關(guān)注供料器的排放，下面提本相符合的，不會(huì )影響優(yōu)化目的和效果。在這樣的供了兩種可行的解決方法。情況下，設完成X-Y工作臺所運動(dòng)的總距離為d,(1)方法一:元件按貼片速度的快慢將供料器則單臺HSP高速貼片機距離優(yōu)化目標函數為:在供料器平臺上按降序排列，然后再對那些具有相同貼片速度的元件，按其在線(xiàn)路板上出現頻率dmn=(di,j,j+1 )min(1)的高低進(jìn)行降序排列，這樣就得到了初始化的供如圖3所示,X-Y工作臺的運行方式為平面料器排列方法。移動(dòng)。設X-Y工作臺從點(diǎn)(X.Y)運動(dòng)到(Xz,Y2)，(2)方法二:按照離坐標原點(diǎn)最近以及速度最這時(shí)工作臺受其X軸和Y軸兩個(gè)方向的伺服電快的原則，確定放置于供料器平臺第一位置的元機控制,沿著(zhù)曲線(xiàn)移動(dòng),而不是沿著(zhù)直線(xiàn)段移動(dòng)，件，然后對該種元件運用最短路徑方法來(lái)尋找放從點(diǎn)(X,Y)運動(dòng)到(X,Y2)的距離為:置的路徑，在第一個(gè)供料器中的元件被放置完畢d=| X-X21+1 Y-Y2|(2)之后，在剩余元件中尋找與第一位置供料器中 最后放置的元件距離相臨最近的，并將該種元件設Y↑定放置于供料器平臺的第二位置上，并按之前介(XzY)紹的最短路徑方法安排該種元件的貼裝順序,依實(shí)際運行路線(xiàn)次執行直至所有元件被放置完畢。理論運行路線(xiàn)方法二是對方法一的改進(jìn)，在后面介紹的優(yōu)化算法中兩種供料器位置確定的方法都被采用。2.4.2貼裝路徑問(wèn)題(X,Y)在供料器的位置確定后，假設忽略供料器切換與進(jìn)給時(shí)間對貼裝時(shí)間的影響，要考慮的主要圖3 X-Y 工作臺運動(dòng)方式.因素就成了如何盡量減少X-Y工作臺運動(dòng)時(shí)間的設第i類(lèi)元器件中第j個(gè)元器件的坐標為問(wèn)題，即尋求最優(yōu)路徑的問(wèn)題。假設總共有n個(gè)元(X, Y),第j+1個(gè)元器件的坐標為(X;I, Yyn),由件被放置在線(xiàn)路板上,從一個(gè)特定的起始點(diǎn)出發(fā)，式(1)和(2),單臺貼片機距離優(yōu)化目標函數為:如何才能尋找一條最優(yōu)的路徑，使得其能遍歷所(3)有的元件而運動(dòng)的總距離最短”。我們稱(chēng)這個(gè)問(wèn)題是電路板問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)典型式中n-元器件種類(lèi)個(gè)數的旅行商問(wèn)題(Traveling Salesman Problem, 簡(jiǎn)稱(chēng)第i類(lèi)元器件的個(gè)數TSP)。TSP是-一個(gè)圖論的經(jīng)典問(wèn)題，就是說(shuō)有約束條件為:(1)每種類(lèi)型元件只占一個(gè)槽個(gè)旅行售貨商要從他所在的村子出發(fā)，到周?chē)奈? (2)貼裝順序按貼裝速度降序排序。幾個(gè)村子售貨,每個(gè)村子去- -次,最后回到出發(fā)點(diǎn),求他的一條最短路徑。作為圖論的經(jīng)典問(wèn)題,TSP2.4HSP運動(dòng)的優(yōu)化算法問(wèn)題一-直中國煤化工言息系統、軍事在HSP運動(dòng)的優(yōu)化算法中,需要考慮供料器.等領(lǐng)域應用YHCNMHG問(wèn)題的研究有位置的確定以及貼裝路徑問(wèn)題，下面逐- -介紹。著(zhù)重要的理論和應用價(jià)值12.13]。數學(xué)描述如下:Dree 2010 (總第203期)⑨新技術(shù)應用電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE I假設{,2,..,n}為一系列要遍歷的開(kāi)始點(diǎn),其坐標位置分別為{(XI,Y), (X2,Y),., (X,Y})，., (X,Y)},我們的目標是尋求一個(gè)序列初始化上料器位置{(i,..,in)}使得:①每個(gè)點(diǎn)在序列中僅出現一初始化起始位置次;②滿(mǎn)足inin(1≤k≤n)兩點(diǎn)間距離最小。下面介紹-種算法:選擇相應上料器↑①確定初始出發(fā)位置;②在所有還沒(méi)有放置到PCB.上的元件中,尋元件分配結束否廠(chǎng)決定元件放置位置找一個(gè)距離上一個(gè)放置元件最近的元件，以此作I是為下一個(gè)要放置的元件，同時(shí)將此元件從未放置上料器分配結束元件序列中除去;，是③重復步驟②直至所有元件都被放置完畢。算法結束2.4.3優(yōu)化算法圖4單供料器最短路徑法以上給出的僅僅是理論方法，而且其研究對象僅限于X_Y工作臺的運動(dòng)，沒(méi)有考慮貼片速度(2)優(yōu)化算法二:綜合最短路徑法以及供料器切換對于貼裝時(shí)間的影響。根據機器為克服算法--的缺點(diǎn)，又在算法-基礎上設計了.運動(dòng)狀態(tài),對該理論模型進(jìn)行補充,并給出兩種在優(yōu)化算法二,步驟如下:實(shí)踐上具有一定可行性的優(yōu)化方法。①放置元件的順序首先按元件拾取速度來(lái)決(1)優(yōu)化算法--:單供料器最短路徑法定，即最先放置元件拾取速度為0.1 s/ 片的元件,然在這種方法中，僅考慮對一個(gè)供料器中的元件來(lái)后按降序依次放置;尋求最短的路徑,步驟如下:②按照離坐標原點(diǎn)最近的原則，確定放置于①供料器的位置按供料器位置確定的方法一供料器平臺第--位置的元件;排列完畢之后，首先從第-一個(gè)供料器中尋找與坐③然后對該種元件運用最短路徑方法來(lái)尋找標原點(diǎn)距離最近的元件作為第一個(gè)要貼放的元放置的路徑;件;④在第-一個(gè)供料器中的元件被放置完畢之②然后從第一個(gè)供料器開(kāi)始,依次對每一個(gè)后， 在剩余元件中尋找與第-位置供料器中最后.供料器運用前述的最短路徑方法來(lái)尋找放置的放置 的元件相臨最近的，并將該種元件設定放置路徑;于供料器平臺的第二位置上，按步驟①方法安排③在第-一個(gè)供料器中的元件被放置完畢之該種元件的貼裝順序;.后，下一個(gè)元件將從第二個(gè)供料器中拾取,并且此⑤依次執行直至元件拾取速度為0.1 s/片的所元件應該是與第一個(gè)供料器中最后放置的元件距有元件被放置完畢;離最短的，依次執行直至第二供料器中所有元件⑥從元件拾取速度為0.11 s/片的所有元件中被放置完畢;尋找一個(gè)與上一個(gè)貼裝元件距離最短的作為下一④重復①.②、③直至所有供料器上元件的被個(gè) 將要貼裝的元件，并將該種元件供料器的位置放置完畢。放在上一元件之后;其算法流程如圖4，圖中決定元件放置位置⑦重復③、④、⑤、⑥直至所有元件的被放置是按最短路徑?jīng)Q定,以下同。完畢。按算法--編寫(xiě)優(yōu)化程序比較容易實(shí)現，但缺中國煤化工進(jìn)，它充分考慮點(diǎn)是未充分考患到供料器切換和X-Y工作臺對貼到了供MHCNMHG對貼裝速度的影裝速度的影響。響。其算法流程如圖5.30(總第203期)密200中國煤化工YHCNMHG中國煤化工YHCNMHG中國煤化工YHCNMHG新技術(shù)應用電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE |Bqpipmentorm3結論動(dòng)速度的關(guān)系、吹氣流量與加速度的關(guān)系等。根據實(shí)驗數據得來(lái)的回歸函數與擬合曲線(xiàn)，參考文獻:建立了xy平臺y向直線(xiàn)電機工作時(shí)間與動(dòng)子線(xiàn)[1] 馬林,六西格瑪管理[M],北京:人民大學(xué)出版社圈溫度之間的函數關(guān)系，可以預測y電機開(kāi)始運2005.08行后某時(shí)間點(diǎn)時(shí)動(dòng)子線(xiàn)圈的溫度范圍，也可以估[2]朱學(xué)軍、王安麟、黃洪鐘.基于健壯性的機械設計方法計線(xiàn)圈在某-溫度范圍時(shí)y向電機的大致運行時(shí)[] .機械科學(xué)與技術(shù), 2000(3):230-233.間,溫升的快慢,多長(cháng)時(shí)間達到熱平衡等。3]桑桔. Minitab在統計分析中的應用[J]..上海統計, 2003本文研究了在一定的運動(dòng)特性條件下xy[4] 倪加勛.應用統計學(xué)[M] .北京:中國人民大學(xué)出版社, .(12):41-43.平臺的y向電機從開(kāi)始工作的時(shí)候的溫升過(guò)程，進(jìn)而為電機以及電機冷卻系統設計提供參考。從實(shí)驗數據來(lái)看,xy平臺的冷卻系統是非作者簡(jiǎn)介:常有效的。李朝軍(1974--),男,畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué),碩士，目當然回歸分析的應用不止可用在建立時(shí)間與前從事半導體設備的研發(fā)工作:溫度的關(guān)系函數,也可以設計更多的實(shí)驗,用回歸牛偉光(1980--),男，畢業(yè)于大連理工大學(xué),碩士,目方法研究其它變量之間的關(guān)系,如:吹氣流量與運前從事半導體設備的研發(fā)工作。業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)址業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)址業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)以業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)(上接第33頁(yè))藝技術(shù)，2008, 29(5): 269-271.分析使用。[7Jeffer L. Cawley. Improving Yields with Statistical Process(4)僅研究了高速轉塔機的優(yōu)化,對其它架構Control. Circuits Assembly, 1999.3: 62-66.的貼片機研究還不夠，例如本文中提到的GSM1[8]鮮飛.高速貼片機優(yōu)化軟件的設計與開(kāi)發(fā)[J].印制電高精度貼片機,它采用了一種完全不同的結構，稱(chēng)路信息，2003,11: 56-58.為X-Y拱架式結構，雖然也考慮移動(dòng)路徑的問(wèn)[9]王君.如何提高SMT設備運行效率[J].電子工藝技術(shù)，題，但更多關(guān)注的是一個(gè)貼裝循環(huán)中如何吸取更2001 , 22(3): 96-98.多元件、如何減少換吸嘴次數以及多個(gè)吸嘴同時(shí)[10] 馮志剛. SMT生產(chǎn)線(xiàn)的優(yōu)化[].電子工藝技術(shù)，2000,21(1): 24-26.取料等等,這與高速轉塔機的優(yōu)化思想完全不同,.[11] S. lin, B. W Kemighan. An Effective Heuristic Algorithm影響的因素也更多，如何實(shí)現對高精度貼片機程For The Traveling Salesman Problem . Operational序的自動(dòng)優(yōu)化,也是我們下一步工作的重點(diǎn)。Research， 1973(21) 18-19.[12] D S Johnson, L A Mcgeoch. The traveling salesmanproblem: A case study in local optimization, In: EHLArts,[1] 吳懿平,鮮飛.電子組裝技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)J K Lenstra eds. Local Search in Optimization. New York:出版社，2006.John Wiley and Sons, 1997. 215-310.2] 吳兆華，周德儉.表面組裝技術(shù)基礎[M].北京:國防工 [13] G Reinelt. TSPLB - A traveling salesman problem library業(yè)出版社，2006.[J]. 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