实际生产过程中,在典型的smt贴片生产线中,贴片机贴装工序所用的时间一般会占到整条smt生产线总时间的60%~70%,所以贴片机是提高smt生产线效率的关键设备。因此,优化贴片机的贴装过程,最小化贴片机的贴装时间是提高smt贴片生产线效率的有效途径。众焱电子小编通过总结研究文献发现,贴片机的贴装时间优化问题是由送料器分配问题和元件贴装顺序(路径)问题构成,它们都是NP-hard问题,很难在一个合理的、可接受的时间范围内找到问题的全局最优解,再加上两者的关联度很高,因此同时求解这两个优化问题具有相当大的难度,所以本文仅研究送料器分配问题的优化。
一、贴片机结构
主要针对高速贴片机的贴装时间优化问题,贴片机的贴装头为垂直旋转式结构,贴装头上均匀分布着12个真空吸嘴,因此每个贴装头一次最多可拾取和贴装12个元件。另外,在贴片机的两侧各安装有一组送料架,每组送料架上配置有50个等间距分布的送料槽,送料槽的作用是放置装有元器件载带的送料器。
二、问题约束条件和数学描述
1、约束条件
本文在充分考虑关键影响因素的基础上将贴片机模型适当简化,对优化问题作出一些假设,约束条件如下:
1)每个送料器只能供随一种类型的元件,每个送料槽只能放置一个送料器。
2)根据所供应的元件尺寸的不同,-个送料器可以被放置在多个送料槽上。
3)送料架具有足够的送料槽容纳所有类型的元件送料器。
4)每个真空吸嘴可以拾取和贴装任意类型的元件。
5)前架贴装头贴片时,后架贴装头拾片(拾完片后,等待前架贴装头贴完片后,方可贴片);反之亦然。
2、数学描述
现假设贴片机完成一个PCB板的贴装任务需用M个拾贴循环,实质上是将一个PCB板上的待贴装元件分为M个元件组,假设贴装头完成第i个拾贴循环所用时间为Ti(1<=i<=M),则贴片机完成一个PCB板的元件贴装任务所用的总时间等于:
总时间等于式
其中,第一项为贴装头在第i个拾贴循环中拾取整组元件所用的时间,第二项为贴装头在第i个拾贴循环中从最后一个拾取元件的送料器位置运动到PCB板上第一个待贴装元件的贴装位置所用的时间,第三项为贴装头在第i个拾贴循环中贴装整组元件所用的时间,最后一项为贴装头在第i个拾贴循环中从最后一个贴装元件的贴装位置运动到第i+1个拾贴循环中第一待拾取个元件的送料器位置所用的时间。
三、送料器分配问题研究
1、最小生成树
Kruskal算法的基本思想是以边为主导地位,始终都是选择当前可用的最小权值的边,步骤如下:
1)设一个有n个顶点的连通网络为G(V,E),最初先构造一个只有n个顶点,没有边的非连通图T{V,Ø},每个顶点自成一个连通分量;
2)当在E中选择一条具有最小权值的边时,若该边的两个顶点落在不同的连通分量上,则将此边加入到T中;否则,即这条边的两个顶点落在同一个连通分量上,则将此边舍去(此后永不选用这条边),重新选择一条权值最小的边;
3)如此重复下去,直到所有顶点在同一个连通分量上为止。
在设计PCB板的过程中可以生成各种类型的EDA文件,例如Protel文件、Gerber文件、BOM(Billof Materials)文件等,从这些文件中可以获得PCB板和各个元件的详细信息,比如PCB板尺寸、Mark点坐标、元件封装类型和元件贴装坐标等。每一个PCB板都可以根据这些信息生成一个与之对应的完全图(Complete Graph),完全图是指每对顶点之间恰好有一条边的图。完全图中的每个端点代表各个元件的贴装坐标,而每对端点之间的连线则代表贴装头在PCB板上贴装元件时可能的运动路径。
2、送料器分配
为了清晰描述算法的内容,论文定义"相邻指数"的概念,相邻指数是指在最小权值生成树中连接两个不同元件类型的端点的距离。
在本例中,本文针对此提出了一种分配方法,具体步骤如下:
1)由PCB板的设计文件信息生成一个与之对应的完全图;
2)使用上述kruskal算法求解最小生成树;
3)计算最小生成树中每两个节点的距离,并将最远距离的两点(x1,x2)的送料器分配在送料器的中央,并将(x1,x2)加入集合X,剩下的节点加入集合Y中;
4)剩下的节点中,计算Y中每个节点x分别到X集合中各点的距离和,其中距离和最大的节点x加入集合X,集合Y删除该节点x,并将节点x所代表的送料器放置在之前的已放置好的送料器旁边(每次放置送料器时,既不要偏左也不要偏右,向中间对称);
5)当集合Y不为空,重复第4步,直至送料器全部分配完成。
四、总结
本文针对smt贴片打样加工过程中送料器分配问题提出了一种实际解法,实际应用中需要考虑的因素还有很多,也需要进一步的研究和分析。实际生产中,贴片机贴装时间成为提高生产率的重要因素,对如何缩减贴片机贴装时间的研究具有重要的现实意义。
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