一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法组成比例

一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，本发明专利技术涉及贴片机表面贴装技术的优化方法。本发明专利技术的目的是解决目前单动臂并列式贴片头贴片机吸杆任务分配方法尚缺少完整有效的研究框架，无法兼顾各优化目标，且优化过程耗时太长，最终的优化结果不稳定的问题。具体过程为：一、得到原始贴片机生产数据；二、得到便于处理的中间数据；三：确定吸杆任务分配的循环条件，即确定所有吸嘴分配情形；四：进行吸嘴分配：五：确定吸杆间吸嘴任务交换；六：判断是否满足元件分配的循环条件，若是则进行七，否则返回三；七：进行元件分配：八：将所有吸嘴分配情形中最优的吸杆任务分配结果作为最终分配结果输出。本发明专利技术用于电器技术及电气工程领域。

【技术实现步骤摘要】
一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法
本专利技术涉及贴片机表面贴装技术的优化方法，特别涉及一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，属于电器技术及电气工程领域。
技术介绍
在现代化的生产生活中，各类电子设备扮演着愈发重要的角色，这使得印制电路板的生产需要满足高密度、高复杂度、大规模及柔性化的生产需求。作为目前印制电路板生产的主流技术，表面贴装技术得到了快速发展。表面贴装生产线上最关键、最复杂的设备是全自动贴片机，它高速、高精度、全自动地将贴片元器件贴装到印制电路板上的对应焊盘处。贴片机的拾取与贴装过程在表面贴装生产线中的耗时最长，因此成为了贴装生产效率提高的瓶颈，随之而来的是贴片机的拾取与贴装过程优化问题，该问题的求解旨在通过合理地规划拾取与贴装过程，以使单台贴片机的生产效率最大化。拾取与贴装过程优化可被分为吸杆任务分配与拾贴路径规划两部分，本专利技术提供了一种吸杆任务分配方法，特指单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法。所述“印制电路板”，英文表达为Printedcircuitboard，缩写为PCB，后文即简称为“PCB”。PCB是电子元器件进行电气连接的载体，印制电路板表面有设计好的电子元器件的放置位置，放置之后的电子元器件的引脚可以借助焊锡与PCB上的焊盘焊接在一起，焊盘之间又通过PCB中的导线实现所需的电气连接。所述“贴片元器件”，是指通过表面贴装与焊盘连接的电子元器件，与通过引脚穿过过孔与焊盘连接的直插元器件相区分，本专利中只涉及“贴片元器件”，后文简称为“元件”。贴片元器件在印制电路板表面的放置位置被称作贴装点。所述“拾取与贴装过程”，由“Pick-and-placeProcess”翻译而来，有的地方也译作“拾取与放置过程”，贴片机完成一块PCB上的元件贴装任务的过程被称作对该PCB的拾取与贴装过程，后文简称为“拾贴过程”。所述“拾贴过程优化方法”，通过编程实现后，得到拾贴过程优化软件，运行拾贴过程优化软件得到的输出结果即拾贴过程优化问题的求解结果。其中，吸杆任务分配是首先要完成的，通过吸杆任务分配，将得到拾贴过程中各个吸杆上所应安装的吸嘴以及所应拾贴的元件类型，完成供料器分组，实现“拾贴周期数最小化”、“吸嘴更换次数最小化”、“往返吸嘴站次数最小化”、“同时拾取数量最大化”的目标。1、单动臂并列式贴片头贴片机机械结构单动臂并列式贴片头贴片机是动臂式贴片机(也称拱架式贴片机)的一种，由图1可见，贴片机的主体框架是一个三轴运动平台，其在结构上具有如下特征。(1)运动机构由三个直线导轨控制实现水平面内的运动，其中两个相互平行的直线导轨被称作“定臂”，与定臂垂直安装的直线导轨被称作“动臂”，直线导轨由电机驱动，两个定臂对应的电机为Y轴电机，带动动臂沿Y轴方向运动，动臂对应的电机为X轴电机，带动贴片头实现X轴方向运动。所述“单动臂”即是指仅使用一个动臂，这区别于多动臂贴片机。如图1与图2所示，并列式贴片头即指贴片头中的所有吸杆并排地排成一列，这区别于所有吸杆环绕排列的转盘式贴片头贴片机及转塔式贴片头贴片机。吸杆在Z轴电机的驱动下实现Z轴方向运动，另外，还有电机带动吸杆绕其轴转动，这被称作R轴运动，对应的电机被称作R轴电机；(2)关于元件拾取与供应的机构吸杆内部中空，并与真空泵连通，真空泵抽气则在吸杆内部建立真空环境，吸杆底部有安装孔，安装孔用于安装吸嘴，如图2所示，吸杆1未安装吸嘴，吸杆3～吸杆6则安装有不同类型的吸嘴，各类型吸嘴的末端形制不同，末端越大的吸嘴对应的内径越大，从而产生的吸力越大，可以用于拾取的元件尺寸越大且重量越重，反之亦然。值得一提的是，吸嘴类型多达二十余种。元件由供料器供应，供料器可以插入标准化机械接口(被称作供料器槽)，从而被固定在供料器架上，动臂式贴片机的供料器架是固定的，区别于供料器架可以运动的贴片机机型。操作人员站在供料器架一侧，面向贴片机站立，此时操作人员的左右被称作贴片机的左右，操作人员的前后被称作贴片机的前后。按照由左到右增大的顺序对吸杆和供料器槽位进行编号。后文用S表示吸杆总数，用j∈{1,2,...,S}表示吸杆的索引号，本专利提供的例子中，S＝6，即贴片头中有六个吸杆，对应编号为吸杆1～吸杆6。后文用F表示供料器架上的供料器槽位总数，用f∈{1,2,...,F}表示供料器槽位的索引号，本专利提供的例子中，F＝60，即供料器架上有60个供料器槽位，对应编号为供料器槽1～供料器槽60。注意，本专利提供的方法不限于所提供的例子中的吸杆个数及供料器槽位个数。供料器包括三种，带式供料器、盘式供料器以及杆式供料器。其中盘式供料器以及杆式供料器被分配的供料器槽位由操作人员人工安排，贴片机的拾贴过程优化问题中的供料器槽位分配问题，特指对带式供料器进行的自动槽位分配，后文所述供料器亦特指带式供料器。带式供料器的结构如图3所示，其末端装有带式料盘，带式料盘是市面上最常见的针对元件的一类包装，带式供料器上方的前端开有元件拾取窗口(后简称拾取窗口)，拾取窗口中的元件被拾取之后，新的元件将由带式供料器自动补充，出现在拾取窗口的中心。将元件拾取动作描述如下：吸杆移动到装有所要拾取的元件的供料器的拾取窗口正上方，吸杆下降直到吸嘴末端轻触元件的上表面，吸杆对应的真空泵建立真空环境，将元件吸附在吸嘴上，吸杆上升回到初始高度。图2中的吸杆2即正在从拾取窗口中拾取元件。不同类型的元件尺寸跨度很大，不同尺寸范围内的元件对应的带式供料器类型不同，图3和图4给出四种类型的带式供料器，由图可见，越大的元件对应的料盘越大，相应地，其对应的带式供料器也越宽越大，占据的供料器槽位个数也越多。约定如下，带式供料器所分配的槽位号为其占据的最左侧供料器槽位号，如图4所示，四个带式供料器的槽位号依次为：供料器槽1、供料器槽3、供料器槽6、供料器槽9。此外，不同类型带式供料器的拾取窗口位置也不同。值得一提的是，带式供料器类型多达二十余种。为了定位供料器的拾取窗口，定义供料器X方向拾取偏移、Y方向拾取偏移。以供料器所在槽位的左侧边线为参考，供料器的拾取窗口的中心相对左侧边线的偏移距离记作X方向拾取偏移。以供料器所在槽位的前端边线为参考，供料器的拾取窗口的中心相对前端边线的偏移距离记作Y方向拾取偏移。(3)关于元件贴装的机构图5所示为贴片机贴装动作示意图，在拾贴过程开始前，一块待贴装的PCB由传送带传入，直到PCB被止挡捎阻挡停止传送，此时PCB到达贴装位置，即PCB的贴装位置是固定的。将元件贴装动作描述如下：拾取有元件的吸杆移动到所要贴装的贴装点正上方，吸杆下降直到元件轻触PCB的上表面，吸杆对应的真空泵由吸气变为吹气，从而对元件产生下压力，由于PCB表面预先涂覆有粘结剂，所以元件将被粘附在PCB表面的贴装点，吸杆上升回到初始高度。图5下图所示为对PCB处的局部放大图，如图中所示，PCB上已经完成部分元件的贴装，吸杆3正在进行元件的贴装。(4)吸嘴站图1中有一个被称作“吸嘴站”的装置，如图所示，吸嘴站上有若干开孔，这些孔被称作吸嘴洞，吸嘴洞用于放置吸嘴。对吸嘴更换过程描述如下，当吸杆需要更换吸嘴时，控制该吸杆随贴片头移动到空闲吸嘴洞正上方(所述空闲是指该吸嘴洞内部无吸嘴)，吸杆下降将吸嘴插本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、得到原始贴片机生产数据；步骤二、对原始贴片机生产数据进行预处理，得到中间数据；步骤三：确定“吸杆任务分配”的循环条件，即确定所有吸嘴分配情形，过程为：以中间数据中的“小组内吸嘴数上限”为循环变量，判断是否满足“吸杆任务分配”的循环条件，若满足循环条件，则还有吸嘴分配情形尚待搜索，执行步骤四到步骤七，否则，完成了对所有吸嘴分配情形的搜索，进行步骤八；步骤四：进行“吸嘴分配”：根据中间数据中的“原始的吸嘴号”、“原始的贴装数”、“小组内吸嘴数上限”，得到吸嘴分配结果，即得出各拾贴周期中各吸杆上的吸嘴号；步骤五：确定吸杆间吸嘴任务交换，即确定吸嘴分配结果的所有交换方式；步骤六：判断是否满足“元件分配”的循环条件，即是否有交换方式尚未被遍历到，若是则进行步骤七，否则返回步骤三；步骤七：进行元件分配：按照步骤六中遍历到的交换方式，对吸嘴分配结果进行交换，并基于交换后的吸嘴分配结果得到元件分配结果，即各拾贴周期中各吸杆上的元件号，同时还得到供料器组；使用代价函数对当前分配结果进行评价，若当前代价函数更优，则将最优元件分配结果更新为当前的元件分配结果，将最优吸嘴分配结果更新为当前的吸嘴分配结果，将最优供料器组更新为当前的供料器组；步骤八：将所有吸嘴分配情形中最优的吸杆任务分配结果作为最终分配结果输出。...

【技术特征摘要】
1.一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、得到原始贴片机生产数据；步骤二、对原始贴片机生产数据进行预处理，得到中间数据；步骤三：确定“吸杆任务分配”的循环条件，即确定所有吸嘴分配情形，过程为：以中间数据中的“小组内吸嘴数上限”为循环变量，判断是否满足“吸杆任务分配”的循环条件，若满足循环条件，则还有吸嘴分配情形尚待搜索，执行步骤四到步骤七，否则，完成了对所有吸嘴分配情形的搜索，进行步骤八；步骤四：进行“吸嘴分配”：根据中间数据中的“原始的吸嘴号”、“原始的贴装数”、“小组内吸嘴数上限”，得到吸嘴分配结果，即得出各拾贴周期中各吸杆上的吸嘴号；步骤五：确定吸杆间吸嘴任务交换，即确定吸嘴分配结果的所有交换方式；步骤六：判断是否满足“元件分配”的循环条件，即是否有交换方式尚未被遍历到，若是则进行步骤七，否则返回步骤三；步骤七：进行元件分配：按照步骤六中遍历到的交换方式，对吸嘴分配结果进行交换，并基于交换后的吸嘴分配结果得到元件分配结果，即各拾贴周期中各吸杆上的元件号，同时还得到供料器组；使用代价函数对当前分配结果进行评价，若当前代价函数更优，则将最优元件分配结果更新为当前的元件分配结果，将最优吸嘴分配结果更新为当前的吸嘴分配结果，将最优供料器组更新为当前的供料器组；步骤八：将所有吸嘴分配情形中最优的吸杆任务分配结果作为最终分配结果输出。2.根据权利要求1所述一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述步骤一中得到原始贴片机生产数据；具体过程为：步骤一一、进行贴片机生产数据初始化：具体过程为：贴片机生产数据包括贴片机生产参数、供料器信息文件和元件信息文件；步骤一一一、初始化贴片机生产参数；所述贴片机生产参数包括吸杆总数、供料器槽总数、吸杆间隔、供料器槽位间隔；步骤一一二、自动读取供料器信息文件、元件信息文件；所述供料器信息文件包括“供料器类型名”、“X方向拾取偏移”、“Y方向拾取偏移”、“供料器占据槽位个数”；所述元件信息文件包括“元件类型名”、各类型元件对应的“供料器类型名”、各类型元件对应的“吸嘴类型名”；步骤一二、确定待贴PCB数据文件；所述PCB数据文件包括元件号、元件类型、贴装位置；步骤一三、进行自定义设置；步骤一三一、吸杆的禁用：将故障吸杆设置为不可用，更新可用吸杆数量S；步骤一三二、供料器槽位的禁用：首先分配盘式供料器以及杆式供料器，被盘式与杆式供料器占据的槽位自动识别为不可用；将故障供料器槽设置为不可用；步骤一三三、设置“各类型元件可用的供料器个数”以及“各类型吸嘴的可用吸嘴数”。3.根据权利要求2所述一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述步骤二中对原始贴片机生产数据进行预处理，得到中间数据；具体过程为：步骤二一、处理PCB数据文件中的PCB数据，得到数据间的索引关系；过程为：统计待贴PCB数据文件中的元件类型，得到元件类型总数为C，按照PCB数据文件中出现的先后顺序，将各元件类型编号为c∈{1,2,...,C}，该编号被称作元件号，元件类型的贴装数也被称作元件号的贴装数；所述元件类型的贴装数是指该类型元件在PCB上的所有贴装点的数量；所述PCB数据文件包括元件号、元件类型、贴装位置；根据PCB数据文件与元件信息文件，得到当前生产中的PCB用到的吸嘴类型、元件c与吸嘴的索引关系β(c)；按照各吸嘴类型的贴装数降序排序，并以此对吸嘴类型编号为n∈{1,2,...,N}，N为吸嘴类型总数，该编号被称作吸嘴号，则有β(c)∈{1,2,...,N}；吸嘴类型的贴装数也被称作吸嘴号的贴装数；一类吸嘴能被用于多类元件的拾贴，将一类吸嘴对应的所有待贴元件类型的贴装数求和，得到该吸嘴类型的贴装数；所述元件信息文件包括“元件类型名”、各类型元件对应的“供料器类型名”、各类型元件对应的“吸嘴类型名”；根据PCB数据文件与元件信息文件，得到所用到的供料器类型，得到元件c与供料器的索引关系γ(c)；用f∈{1,2,...,F}表示供料器类型的索引号，F为供料器类型总数，则有γ(c)∈{1,2,...,F}；步骤二二、定义两个N列行向量，其中一个行向量存储“吸嘴号”，称为“原始的吸嘴号”；另一个行向量存储与“原始的吸嘴号”中各吸嘴号对应的贴装数，称为“原始的贴装数”；“原始的吸嘴号”中的吸嘴号按照由小到大的顺序存储，因而“原始的贴装数”中各贴装数是降序排序的；步骤二三、统计各吸嘴号对应的同时拾取类：一类吸嘴对应多类元件，继而对应不同的同时拾取类型；吸嘴n对应Mn个同时拾取类型，按照各同时拾取类型的贴装数降序存储，得到同时拾取类，并编号为SPTn_m∈{SPTn_1,SPTn_2,...,SPTn_Mn}；同时拾取类型的贴装数是指，同时拾取类型中各元件贴装数之和；步骤二四、计算最小拾贴周期数K；过程为：对PCB上所有元件号的贴装数求和，得到PCB贴装总数，PCB贴装总数除以可用吸杆数量S并向上取整得到K；步骤二五、确定“小组内吸嘴数上限”cntK的变化范围：最小拾贴周期数K减去一个正整数a1得到cntK的最小取值minK，最小拾贴周期数K加上一个正整数a2得到cntK的最大取值maxK，即有minK＝K-a1与maxK＝K+a2；初始化“小组内吸嘴数上限”cntK为minK，即有cntK＝minK；所述a1＝6、a2＝10。4.根据权利要求3所述一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述步骤三中确定“吸杆任务分配”的循环条件，即确定所有吸嘴分配情形，过程为：判断cntK是否小于maxK，若是，则执行步骤四到步骤七，否则，执行步骤八。5.根据权利要求4所述一种单动臂并列式贴片头贴片机的吸杆任务分配方法，其特征在于：所述步骤四中进行“吸嘴分配”：使用中间数据中的“原始的吸嘴号”、“原始的贴装数”、“小组内吸嘴数上限”，得到吸嘴分配结果，即得出各拾贴周期中各吸杆上的吸嘴号；具体过程为：步骤四一、对应每个吸嘴号，定义两个行向量，分别称作“分组的吸嘴号”、“分组的贴装数”；两者分别由“原始的吸嘴号”、“原始的贴装数”在“小组内吸嘴数上限”cntK的指导下得到；过程为：对应“原始的吸嘴号”中的吸嘴n，取出“原始的贴装数”中吸嘴n的贴装数Pn，Pn除以cntK，分别得到商d1和余数d2，对商向上取整得到则吸嘴n的分组数为即“分组的吸嘴号”、“分组的贴装数”皆为列行向量；“分组的吸嘴号”存储的全都是吸嘴号，即n；若d2等于0，“分组的贴装数”的各列存储的都是cntK；若d2≠0，“分组的贴装数”的前列中各列存储cntK，第列存储d2，称前列为吸嘴n的“主列”，称第列为吸嘴n的“尾列”；若吸嘴n有“尾列”，定义尾列标识变量ELn，初始化ELn为0，n∈{1,2,...,N}；初始化“吸杆任务分配”的全局最优代价函数值GbestE为无穷大inf；步骤四二、确定“吸嘴分配”的循环条件；判断ELn是否全为1，若否，初始化吸嘴更换次数变量V为0，初始化往返吸嘴站次数变量W为0，然后执行步骤四三；若是，cntK＝cntK+1，返回步骤三；n∈{1,2,...,N}为吸嘴类型编号；步骤四三、对应每个吸嘴号，定义两个行向量，分别称作“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”；两者分别由“分组的吸嘴号”、“分组的贴装数”在尾列标识变量ELn的指导下得到；过程为：首先依吸嘴号从小到大的顺序将各“分组的吸嘴号”、“分组的贴装数”中的“主列”存储入“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”中；之后，由尾列标识变量ELn的取值决定各“尾列”在“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”中的存储顺序；若尾列标识变量ELn等于0，吸嘴n的“尾列”应紧跟着其“主列”存储；若尾列标识变量ELn等于1，在“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”中，吸嘴n的“尾列”应存储在所有“主列”之后，尾列标识变量为1的各“尾列”间按照贴装数降序顺序存储；步骤四四、定义两个S列行向量，分别称作“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”，先初始化两个行向量为全零向量；S列即对应着S个可用吸杆；步骤四五、确定“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”；步骤四五一、确定“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”的第一行；过程为：若“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”列数不大于S，那么将各列依次存入“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”中，直接执行步骤四六；若“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”列数大于S，将“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”前S列依次存入“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”第一行的S列中；执行步骤四五二；步骤四五二、确定“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”的后续各行；过程为：以“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”中最后一行为“当前行”，进行分配，取当前行中贴装数最少的那一列，称为被分配列，记录最小贴装数为Pk，其中k代表当前行的行号；“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”中即将被分配的列称作“待分配列”，若“重组的吸嘴号”的“待分配列”与“分配的吸嘴号”第k行的“被分配列”这两者吸嘴号相同，则将“分配的吸嘴号”第k行“被分配列”中贴装数更新为当前贴装数加上“重组的贴装数”的“待分配列”中的贴装数；若“重组的吸嘴号”的“待分配列”与“分配的吸嘴号”第k行的“被分配列”这两者吸嘴号不同，则“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”中新建第k+1行；“分配的吸嘴号”第k+1行中的各非被分配列的吸嘴号与第k行相同，被分配列被赋值为“重组的吸嘴号”待分配列的吸嘴号；“分配的贴装数”中的各非被分配列的贴装数为第k行中的贴装数减去Pk，“分配的贴装数”中的被分配列的贴装数被赋值为“重组的贴装数”待分配列的贴装数；吸嘴更换次数变量自加V＝V+1；若Pk等于0，往返吸嘴站次数变量W不变，若Pk＞0，往返吸嘴站次数变量自加W＝W+1；重复执行步骤四五二，直到“重组的吸嘴号”、“重组的贴装数”中所有列分配完毕；步骤四六、改进“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”的最后一行:“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”的最后一行中，使用相同吸嘴号的各列平分贴装数；步骤四七、进行最后一行中没有贴装任务的吸杆上吸嘴的再分配:“分配的贴装数”的最后一行中，若出现某一列的贴装数为0，视其为被分配列，最后一行中贴装数最多的列，视为待分配列，其他列称为非被分配列；“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”都新建一行，其中的各非被分配列与上一行相同，“分配的吸嘴号”的被分配列与待分配列中的吸嘴号相同，“分配的贴装数”被分配列中存0；“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”的最后一行中，使用相同吸嘴号的各列平分贴装数，从而减少拾贴周期数；判断由此带来的拾贴周期数的减少是否大于e1，若是，则维持新建的最后一行，并更新V＝V+1及W＝W+1；否则，删去新建的最后一行；其中，e1为单个吸嘴更换耗时与拾贴周期平均耗时的比值；步骤四八、得到最终的“分配的吸嘴号”、“分配的贴装数”；“分配的贴装数”的最后一行中的各列，若出现贴装数非零的两...

【专利技术属性】
技术研发人员：高会军，李政锴，刘新鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23