SMT优化系统的设计与实现

新技术应用电子工业专用设备EPESMT优化系统的设计与实现鲜飞(华中数控股份有限公司,湖北武汉430223)摘要:基于SMT 系统优化的旅行商问题(TSP)进行了分析和研究,对SMT系统优化进行了系统分析设计,介绍了如何减少X-Y工作台运动,提出两种针对环球HSP贴片机最优路径的优化算法,并基于一种方法编程实现了基本方案。最后在HSP贴片系统上使用本解决方案,大幅度提高了生产效率,证明了本解决方案的优越性和高效性,同时也为用其它算法解决SMT系统优化问题提供了一种可参考的思路。关键词:表面组装技术;数据准备;计算机辅助设计;旅行商问题中图分类号: TP271*.2文献标识码: A文章编号: 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产品组装工艺过程中,贴装工序是其安装，两台贴片机各司其责利于整条生产线发挥关键工序,贴片机是其关键设备,贴装生产效率直最大产出。接决定SMT生产线乃至SMT组装系统的生产效由上面介绍可以看出只有当两台贴片机生产率。通常一条SMT生产线由一台高速贴片机和一-时间相等 且最小时，则整条生产线发挥出最大产台高精度贴片机组成，高速机主要负责片式阻容能。这就VT J中国煤化工(1)SMT生产线元元件的安装，高精度贴片机负责大型芯片元件的件分配:YHCN M H a装时间尽可能接近收稿8期:2011-10-23②⑥(总第203期) e 200EPE |电子工业专用设备新技术应用在允许范围内:(2)单台贴片机的控制程序优化到种分配方案也不是绝对的，例如有些小型三极管最佳状态,缩短其单块PCB的贴装时间,提高生的位号也可能是IC,但该元件却需要放到HSP上产效率1.2。本文围绕上述两个方面进行研究,并贴装,这就需要在实际使用过程中不断总结,完善基于研究成果开发了一个SMT优化系统软件来其分配原则， 最后自动根据分配结果生成RC和解决工程中碰到的实际问题。IC两个坐标文本文件,根据测算,采用该分配方案,分配的正确率一般能控制在98%以上，手工调1SMT生产线元件分配平衡设计整部分不足2%,基本满足需求。1.1研究对象1.3元件分配平衡本文研究的一条SMT生产线由美国环球公根据元件初始分配结果和每种类型元件的贴司的一台HSP4796L高速贴片机(以下简称HSP)装速度，分别计算两台贴片机的运行时间,若运行和一台GSM1高精度机组成，由于后面叙述的生时间差异大于目标值(例如5s)， 则重新分配元产线平衡内容是关于这两类贴片机的，因此需要件,主要考虑的是两台贴片机都能贴装元件(我们加以介绍。.称之为可分配元件)在两台贴片机间的调整,直到HSP以贴装片式元件为主,采用16个一组的两台贴片机运行时间差距在允许误差范围内，则旋转贴片头，每个贴片头上可安装大小不一的5平衡结束。当然，还有一种情况出现，若出现时间种吸嘴,双料站平台,每个料站平台上可安装最多差距大于误差范围,但已无可分配元件,则无法分80种元件(8mm编带),贴装速度0.1s/片,可贴装配，分配也结束,分配流程图见图1。0201~钽电容、小型SOP等。GSM1采用单头七吸嘴并列式结构，头部及开始机器前后侧都安装有元件识别像机，自检索式料架,并安装有托盘供料单元PTF,对应从微小片状初次分配元件元件(选件)至QFP、BGA、CSP以及长度最大达到100 mm的连接器等各类异形元件,能实现10 000是否有可分配元件否片/h(阻容)的快速贴装。↓是GSM1可使用卷带(Tape)、条式(Stick)、华夫重新分配元件盘(Tray)各种类型的元件包装,而HSP只能使用卷带。是否小于5s?1.2元件初始化分配原则是编制贴片机程序时，由于两台贴片机是独立结束运行,各司其责,所以需要初步将CAD坐标文本图1分配流程图数据分成两部分分别用于高速贴片机和高精度贴片机的程序转换(3,4]。- -般芯片等大型元件贴片数2单台贴片机程序优化设计据分配给高精度贴片机GSM1贴装，阻容等小型元件贴片数据分配给高速贴片机HSP贴装。在这2.1机器工作原理里提出一种简单而可行的分配方案，判断芯片主以前面介绍的HSP高速贴片机为例，其贴片要从元件位号、型号关键字上出发,凡是位号中含的工作原理中国煤化工有“IC”、“U”、“TR"字样的判断为芯片，例如设备的YH 1. CNMHG“IC1"、“U2”等,其它元件则视为阻容元件。但这(1)PCB (印制电路板)由进口传送带装载到Drea 2010 (总第203期)⑦新技术应用电子工业专用设备EPE的分析,可以归纳影响其运动速度的主要因素有:,转塔(1)供料器的运动。由于当供料器从一个位置运动的供料器切换到相邻的位置时，供料台仍然可以保持其最s5、大速度运动,但当供料器的位置切换超过一个时，.文供料台的速度将减少20%~50%，所以当进行程序PCB传送轨道父优化时，应尽量减少供料台在相距较远的两个供料槽之间多次往返运动，在排列元件贴装次序时运动的PCB应将相同元件放置在一起以尽量减少供料器平台图2环球HSP4796L贴片机工作原理的运动。(2)转塔的旋转速度。每种元件的吸取、旋转、X-Y工作台上。贴片速度、X-Y工作台移动速度是由编程者在元(2)视觉系统读取PCB基准点，并将PCB件数据库中设定的，它决定了转塔在拾取此元件定位。之后能以多快的速度运动，一般应将吸取、旋转、(3)供料器平台可左右移动到吸取元件所在的贴片速度设为一致，以避免转塔不停加减速对生料槽位置_上。产效率造成不良影响。速度取决于元件的大小和(4)旋转贴片头顺时针旋转吸取元件。质量,元件越大越重,速度就越低,这是为了避免(5)X-Y工作台可上下左右移动到贴装元件元件在吸嘴上移位而造成放置位置的不精确,或所在位置.上。是真空吸嘴吸附力不足导致元件飞出，所以速度(6)旋转贴片头将所吸取元件放置到PCB指的设定是有一定限制的。在转塔吸取一个速度较定贴装位置上。慢的元件之后，则在此转塔上被吸附的所有元件(7)重复(1)~(6)步骤，直至PCB上所有元件都会以此速度运动,而不管在数据库的设定如何。全部贴完。转塔速度总是由所吸取元件中速度最慢的决定。(8)PCB由出口传送带卸载。很显然对于贴装程序而言最好不要把不同速度的元件放在一起拾放，--方面可以避免因为元件的2.2影响HSP运动速度的因素分析贴片速度不同而影响生产效率。另-方面,对于转环球公司提供一个理论速度用以综合反映塔而言，不断地加速或减速也会造成生产周期的X-Y工作台移动速度和供料器切换速度，是贴片延长,同时,还会对设备的稳定性造成- -定影响。.机从供料器_上吸取元件并将其放置于PCB上所因此,对于速度被设置较慢的元件,最好将其安排需的最短时间。值得注意的是,机器理论速度的得于程序的后面放置，以避免元件设置的相互影响到是有严格条件的。以HSP为例,其条件是:当机而导致机器生产周期的变长[7.8]。器连续贴装贴片速度均为0.10 s/片的元件,X-Y工(3)X-Y工作台的运动距离。这是一个影响机作台的移动距离小于25mm，供料器的切换不超器运动的重要因素，也是众多优化软件所侧重考过1个槽的位置。此时HSP才可以达到其理论速虑的方面。在排列元件贴装次序时应考虑相临两度0.10 s/片15.6。个元件距离尽可能近，以尽量减少X-Y工作台的对于转塔式片式元件贴片机HSP而言,拾取运动9。.运动与贴装运动的同时性和相对独立性决定了当以上详细介绍了影响HSP贴装速度的主要.号虑减少机器生产周期时，不能单纯地将问题归因素，在生产实际中可以通过调整供料器的排列结为寻求加工路线最短或加工时间最少的问题。顺序、中国煤化工生行程序优化以减而机器各动作在时间上的配合是影响机器生产周少机器HHCNMHG虑了以上因素,确期的重要原因。通过对HSP4796L的结构和运送定本系统程序将侧重于通过调整供料器顺序和元2⑧(总第203期) De 200EPE电子工业专用设备新技术应用件贴装顺序,以优化贴装程序从而提高生产效率。2.4.1料器位置的确定供料器的排放位置是影响贴片机贴装时间的2.3 贴装路径优化的数学模型一个重要因素。对于一个给定的元件放置顺序,不假设X-Y工作台的移动速度恒定,问题就转化合理的供料器安排会出现真空吸嘴一直停留在吸为距离优化，其目的是为了简化优化算法设计10。取位置等待下一个供料器的到来，严重影响贴片而且,根据前面的分析,这种简化与实际状况是基机生产效率，因此需要关注供料器的排放，下面提本相符合的，不会影响优化目的和效果。在这样的供了两种可行的解决方法。情况下，设完成X-Y工作台所运动的总距离为d,(1)方法一:元件按贴片速度的快慢将供料器则单台HSP高速贴片机距离优化目标函数为:在供料器平台上按降序排列，然后再对那些具有相同贴片速度的元件，按其在线路板上出现频率dmn=(di,j,j+1 )min(1)的高低进行降序排列，这样就得到了初始化的供如图3所示,X-Y工作台的运行方式为平面料器排列方法。移动。设X-Y工作台从点(X.Y)运动到(Xz,Y2)，(2)方法二:按照离坐标原点最近以及速度最这时工作台受其X轴和Y轴两个方向的伺服电快的原则，确定放置于供料器平台第一位置的元机控制,沿着曲线移动,而不是沿着直线段移动，件，然后对该种元件运用最短路径方法来寻找放从点(X,Y)运动到(X,Y2)的距离为:置的路径，在第一个供料器中的元件被放置完毕d=| X-X21+1 Y-Y2|(2)之后，在剩余元件中寻找与第一位置供料器中 最后放置的元件距离相临最近的，并将该种元件设Y↑定放置于供料器平台的第二位置上，并按之前介(XzY)绍的最短路径方法安排该种元件的贴装顺序,依实际运行路线次执行直至所有元件被放置完毕。理论运行路线方法二是对方法一的改进，在后面介绍的优化算法中两种供料器位置确定的方法都被采用。2.4.2贴装路径问题(X,Y)在供料器的位置确定后，假设忽略供料器切换与进给时间对贴装时间的影响，要考虑的主要图3 X-Y 工作台运动方式.因素就成了如何尽量减少X-Y工作台运动时间的设第i类元器件中第j个元器件的坐标为问题，即寻求最优路径的问题。假设总共有n个元(X, Y),第j+1个元器件的坐标为(X;I, Yyn),由件被放置在线路板上,从一个特定的起始点出发，式(1)和(2),单台贴片机距离优化目标函数为:如何才能寻找一条最优的路径，使得其能遍历所(3)有的元件而运动的总距离最短”。我们称这个问题是电路板问题，这个问题实质上就是一个典型式中n-元器件种类个数的旅行商问题(Traveling Salesman Problem, 简称第i类元器件的个数TSP)。TSP是-一个图论的经典问题，就是说有约束条件为:(1)每种类型元件只占一个槽个旅行售货商要从他所在的村子出发，到周围的位; (2)贴装顺序按贴装速度降序排序。几个村子售货,每个村子去- -次,最后回到出发点,求他的一条最短路径。作为图论的经典问题,TSP2.4HSP运动的优化算法问题一-直中国煤化工言息系统、军事在HSP运动的优化算法中,需要考虑供料器.等领域应用YHCNMHG问题的研究有位置的确定以及贴装路径问题，下面逐- -介绍。着重要的理论和应用价值12.13]。数学描述如下:Dree 2010 (总第203期)⑨新技术应用电子工业专用设备EPE I假设{,2,..,n}为一系列要遍历的开始点,其坐标位置分别为{(XI,Y), (X2,Y),., (X,Y})，., (X,Y)},我们的目标是寻求一个序列初始化上料器位置{(i,..,in)}使得:①每个点在序列中仅出现一初始化起始位置次;②满足inin(1≤k≤n)两点间距离最小。下面介绍-种算法:选择相应上料器↑①确定初始出发位置;②在所有还没有放置到PCB.上的元件中,寻元件分配结束否厂决定元件放置位置找一个距离上一个放置元件最近的元件，以此作I是为下一个要放置的元件，同时将此元件从未放置上料器分配结束元件序列中除去;，是③重复步骤②直至所有元件都被放置完毕。算法结束2.4.3优化算法图4单供料器最短路径法以上给出的仅仅是理论方法，而且其研究对象仅限于X_Y工作台的运动，没有考虑贴片速度(2)优化算法二:综合最短路径法以及供料器切换对于贴装时间的影响。根据机器为克服算法--的缺点，又在算法-基础上设计了.运动状态,对该理论模型进行补充,并给出两种在优化算法二,步骤如下:实践上具有一定可行性的优化方法。①放置元件的顺序首先按元件拾取速度来决(1)优化算法--:单供料器最短路径法定，即最先放置元件拾取速度为0.1 s/ 片的元件,然在这种方法中，仅考虑对一个供料器中的元件来后按降序依次放置;寻求最短的路径,步骤如下:②按照离坐标原点最近的原则，确定放置于①供料器的位置按供料器位置确定的方法一供料器平台第--位置的元件;排列完毕之后，首先从第-一个供料器中寻找与坐③然后对该种元件运用最短路径方法来寻找标原点距离最近的元件作为第一个要贴放的元放置的路径;件;④在第-一个供料器中的元件被放置完毕之②然后从第一个供料器开始,依次对每一个后， 在剩余元件中寻找与第-位置供料器中最后.供料器运用前述的最短路径方法来寻找放置的放置 的元件相临最近的，并将该种元件设定放置路径;于供料器平台的第二位置上，按步骤①方法安排③在第-一个供料器中的元件被放置完毕之该种元件的贴装顺序;.后，下一个元件将从第二个供料器中拾取,并且此⑤依次执行直至元件拾取速度为0.1 s/片的所元件应该是与第一个供料器中最后放置的元件距有元件被放置完毕;离最短的，依次执行直至第二供料器中所有元件⑥从元件拾取速度为0.11 s/片的所有元件中被放置完毕;寻找一个与上一个贴装元件距离最短的作为下一④重复①.②、③直至所有供料器上元件的被个 将要贴装的元件，并将该种元件供料器的位置放置完毕。放在上一元件之后;其算法流程如图4，图中决定元件放置位置⑦重复③、④、⑤、⑥直至所有元件的被放置是按最短路径决定,以下同。完毕。按算法--编写优化程序比较容易实现，但缺中国煤化工进，它充分考虑点是未充分考患到供料器切换和X-Y工作台对贴到了供MHCNMHG对贴装速度的影装速度的影响。响。其算法流程如图5.30(总第203期)密200中国煤化工YHCNMHG中国煤化工YHCNMHG中国煤化工YHCNMHG新技术应用电子工业专用设备EPE |Bqpipmentorm3结论动速度的关系、吹气流量与加速度的关系等。根据实验数据得来的回归函数与拟合曲线，参考文献:建立了xy平台y向直线电机工作时间与动子线[1] 马林,六西格玛管理[M],北京:人民大学出版社圈温度之间的函数关系，可以预测y电机开始运2005.08行后某时间点时动子线圈的温度范围，也可以估[2]朱学军、王安麟、黄洪钟.基于健壮性的机械设计方法计线圈在某-温度范围时y向电机的大致运行时[] .机械科学与技术, 2000(3):230-233.间,温升的快慢,多长时间达到热平衡等。3]桑桔. Minitab在统计分析中的应用[J]..上海统计, 2003本文研究了在一定的运动特性条件下xy[4] 倪加勋.应用统计学[M] .北京:中国人民大学出版社, .(12):41-43.平台的y向电机从开始工作的时候的温升过程，进而为电机以及电机冷却系统设计提供参考。从实验数据来看,xy平台的冷却系统是非作者简介:常有效的。李朝军(1974--),男,毕业于西北工业大学,硕士，目当然回归分析的应用不止可用在建立时间与前从事半导体设备的研发工作:温度的关系函数,也可以设计更多的实验,用回归牛伟光(1980--),男，毕业于大连理工大学,硕士,目方法研究其它变量之间的关系,如:吹气流量与运前从事半导体设备的研发工作。业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业址业业业业业业业业业业业址业业业业业以业业业业(上接第33页)艺技术，2008, 29(5): 269-271.分析使用。[7Jeffer L. Cawley. Improving Yields with Statistical Process(4)仅研究了高速转塔机的优化,对其它架构Control. Circuits Assembly, 1999.3: 62-66.的贴片机研究还不够，例如本文中提到的GSM1[8]鲜飞.高速贴片机优化软件的设计与开发[J].印制电高精度贴片机,它采用了一种完全不同的结构，称路信息，2003,11: 56-58.为X-Y拱架式结构，虽然也考虑移动路径的问[9]王君.如何提高SMT设备运行效率[J].电子工艺技术，题，但更多关注的是一个贴装循环中如何吸取更2001 , 22(3): 96-98.多元件、如何减少换吸嘴次数以及多个吸嘴同时[10] 冯志刚. SMT生产线的优化[].电子工艺技术，2000,21(1): 24-26.取料等等,这与高速转塔机的优化思想完全不同,.[11] S. lin, B. W Kemighan. An Effective Heuristic Algorithm影响的因素也更多，如何实现对高精度贴片机程For The Traveling Salesman Problem . Operational序的自动优化,也是我们下一步工作的重点。Research， 1973(21) 18-19.[12] D S Johnson, L A Mcgeoch. 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