一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法技术

一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法，本发明专利技术涉及贴片机表面拾贴技术的优化方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有方法导致搜索用时较长且优化结果不理想，LED贴片生产工作效率低的问题。过程为：一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；二：用聚类的方法从距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；三：根据各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。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】
一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法
本专利技术涉及贴片机表面拾贴技术的优化方法，特别涉及一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法。
技术介绍
印制电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)被广泛地应用于现如今人们日常生活中所用到的电子产品中。PCB上的电子元件可以被分为直插式和贴片式两大类，在日益追求印制电路板小型化、精密化的今天，贴片式元件取代直插式元件逐渐占据主流。表面贴装技术指将各种电子元件安装在印制电路板表面上的电路装连技术，安装点也被称为贴装点。随着近几年LED(LightEmittingDiode)的迅速普及，LED印制电路板组装技术也日益被重视起来。聚类是指按照某个特定标准(如距离准则)将物理或抽象对象的集合分成由类似的对象组成的多个类的过程，使得同一个类内的数据对象的相似性尽可能大，不同类中的数据对象的差异性也尽可能地大，完成数据分类的功能。聚类方法被广泛地应用于数据分析、数据挖掘等领域。LED贴片机通常为单动臂并列式贴片头贴片机，由两条定臂和一条动臂组成，定臂带动动臂实现并列式贴片头在加工平面X轴和Y轴方向上的移动。并列式贴片头，区别于旋转式贴片头，其由并排排列的吸杆组成。贴片头上的每个吸杆可以在电机的驱动下垂直运动完成对元件的拾取和贴装。吸杆内部中空且与真空泵相连，真空泵用于在吸杆内部抽取和释放气体形成吸杆内外压差。飞行相机是贴片机中重要的光学检测元件，其安装在各个吸杆上方，用于检测元件位置偏移值与角度偏转值。飞行相机能够节约识别时间，提高效率，其检测速度比固定相机快。可识别范围较小、识别精度较低的飞行相机可以在保证生产效率的基础上满足LED贴片机要求的生产精度。贴片机开始工作时，印制电路板经由传送带传送到指定位置，该位置由止档捎确定。LED由可插入标准机械接口(图1所示供料器架)的供料器提供。贴片头在供料器与印制电路板之间往复运动完成贴装任务。整个工作流程包含以下几步：步骤一：传送带导入PCB，安装供料器，由于贴片机的吸杆间距是飞达槽位间距的2倍，供料器应间隔1个槽位进行安装保证贴片头同时吸取元件。所有供料器构成供料器组，供料器组的中心位置应接近PCB上所有贴装元件的中心位置。步骤二：贴片头移动至供料器上方，所有吸杆下降、真空泵抽取气体从供料器中同时拾取多个元件；拾取后，吸杆复位并通过飞行相机对元件的位置和角度偏移进行补偿，该步骤通常被称为拾取过程；步骤三：贴片头逐个移动至指定贴装点，对应的吸杆下降、真空泵释放吸杆内部气体形成向下的压力贴装元件在预先涂油粘接剂的PCB上、随后吸杆复位，该步骤通常被称为贴装过程；步骤四：贴片头返回供料器，执行步骤一、直至所有待贴装点完成贴装。拾取过程和贴装过程共同构成了拾贴过程，完成一次完整的拾贴过程用时被称为一个拾贴周期。规定操作人员面向机器的方向为Y轴方向，水平面内与之相垂直的方向为X轴方向，垂直于水平面的方向为Z轴方向，印制电路板的左下角为参考原点。对吸杆和供料槽位沿X轴进行编号。生产效率是对贴片机整个加工过程中各个环节的综合考量。印制电路板经传送带导入、贴片头移动至吸嘴库安装/更换吸嘴、安装供料器、吸杆沿Z轴方向运动拾贴元件以及飞行相机对元件进行检测等环节的用时相对固定，决定贴片机生产用时主要因素是拾贴路径长度。提升贴片机生产效率的关键在于缩短拾贴路径的长度。此外，贴装点的安放顺序和吸杆贴装元件序号、供料器的安装位置都会影响到贴片头的移动距离。目前主要的商业软件在对LED拾取路径进行优化时，通常采取固定的优化策略与随机搜索相结合的方式，搜索用时较长且优化结果不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有商业软件在对LED拾取路径进行优化时，通常采取固定的优化策略与随机搜索相结合的方式，，导致搜索用时较长且优化结果不理想，LED贴片生产工作效率低的问题，而提出一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径的快速优化方法。一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法具体过程为：步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。本专利技术的有益效果为：本专利技术阐述了一种基于聚类的LED拾贴路径快速优化方案，其具体思路是：结合LED贴片机的生产特性，构造距离矩阵，距离矩阵中存储有吸杆s1拾取元件c1时贴片头的位置和吸杆s2拾取元件c2时贴片头的位置之间的Chebyshev距离，其中s1、s2为吸杆索引，c1、c2为元件索引。聚类以拾贴时贴片头接近为原则进行分组，将贴片头拾贴元件时相近的拾贴点划分到同一个拾贴周期，将拾贴问题拆分为各拾贴周期的子问题，实现拾贴路径最优。在确定拾贴周期各吸杆贴装元件后，而后用动态规划确定拾贴周期内安装各个贴装点的先后顺序。动态规划算法通常用于求解具有最优性质的问题，其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解，在求解多阶段决策问题最优解具有优势。实验结果表明，本专利技术提供的方法可以大幅提升贴片机的生产效率，对拾贴路径的缩减达12.98％，能在较短的时间内使搜索结果逼近全局最优解。本专利技术的主要创新点在于(1)综合考虑了各拾贴周期内的吸杆的贴装点分配结果和贴装顺序结果，将贴片机加工效率问题拆分到各个拾贴周期进行考虑；(2)基于聚类的搜索策略，能快速逼近全局最优解。附图说明图1所示为本专利技术流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法具体过程为：步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；具体过程为：步骤一一：定义S·numCp行S·numCp列的距离矩阵Dist，初始化行索引r＝1，记列索引为c；其中，numCp为元件总数，S为吸杆总数；对于距离矩阵中元素Dist(r,c)，Dist(r,c)表示元件r％numCp由吸杆拾取时，贴片头位置相较元件c％numCp由吸杆拾取之间的Chebyshev距离；定义两个元件拾贴时贴片头的距离为拾贴距离，距离矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法，其特征在于：所述方法具体过程为：/n步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；/n步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；/n步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；
步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；
步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。


2.根据权利要求1所述一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法，其特征在于：所述步骤一中将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；具体过程为：
步骤一一：定义S·numCp行S·numCp列的距离矩阵Dist，初始化行索引r＝1，记列索引为c；
其中，numCp为元件总数，S为吸杆总数；
对于距离矩阵中元素Dist(r,c)，Dist(r,c)表示元件r％numCp由吸杆拾取时，贴片头位置相较元件c％numCp由吸杆拾取之间的Chebyshev距离；
定义两个元件拾贴时贴片头的距离为拾贴距离，距离矩阵存储的元素值也是拾贴距离；
其中，“％”表示除法中的取余操作；
步骤一二：初始化列索引c＝1，确定距离矩阵中各行、列对应的吸杆分别为和计算方法如下：
rowRod＝＝colRod时，有Dist(r,c)＝inf；
rowRod≠colRod时，行、列所代表的元件分别为rowCp＝r％numCp和colCp＝c％numCp；
rowCp＝＝colCp时，Dist(r,c)＝inf；
rowCp≠colCp时，Dist(r,c)＝max{|Cpx(colCp)-Cpx(rowCp)+(rowRod-colRod)·rod_interval|,|Cpy(colCp)-Cpy(rowCp)}|，
式中，Cpx(colCp)为元件colCp的X轴坐标，Cpx(rowCp)为元件rowCp的X轴坐标，Cpy(colCp)为元件colCp的Y轴坐标，Cpy(rowCp)为元件rowCp的Y轴坐标，rod_interval为吸杆间隔；
“inf”表示无穷大的数，“＝＝”表示元素的值相等；
步骤一三：列索引c递增1，跳转至步骤一二，直至c＞S·numCp，执行步骤一四；
步骤一四：行索引r递增1，令列索引c＝1，跳转至步骤一二，直至r＞S·numCp，至此完成距离矩阵Dist的生成；
生成矩阵按numCp行numCp列进行分块，位于矩阵主对角线上的分块矩阵为元素全为inf的矩阵，各分块矩阵主对角线元素值为inf。


3.根据权利要求1或2所述一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法，其特征在于：所述步骤二中用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；具体过程为：
步骤二一：初始化拾贴周期计数量cntCycle＝1，拾贴周期总数
步骤二二：确定当前拾贴周期cntCycle所用吸杆数usedS，cntCycle＜numCycle时，usedS＝S，否则usedS＝numCp-(numCycle-1)·S，初始化元件计数量cntCp＝1；
步骤二三：定义RD为包含有usedS个初值全为0元素的数组，RD(s)表示吸杆s吸取元件cntCp为前提一个拾贴周期内贴片头移动最小的距离；
步骤二四：cntS为吸杆索引，从1～usedS依次取值，提取元件cntCp使用吸杆cntS在矩阵Dist中对应的行rolDist＝Dist(cntS,:)，从rolDist逐个提取usedS-1个最小的元素，将对应位置元素值赋为inf，若提取的第m个最小元素的索引为n，则有
cs(cntS,m+1)＝n％numCp
hs(cntS,1)＝cntS



RD(cntS)＝RD(cntS)+Dist(cntS,n)
式中，“:”表示全部行或列元素；cs和hs为usedS行usedS列矩阵，分别存储搜索到的贴装点序号和吸杆序号，cs首列元素的值均为cntCp；
步骤二五：记RDtemp为RD中值最小的元素，对应索引为d，定义RDbest为RDtemp的历史最优解，其初值为inf；
若RDtemp＜RDbest，有
RDbest＝RDtemp，
SuckRod(cntCycle,hs(i))＝cs(d,i)，i＝1,2…,usedS；
i＝1,2,…,usedS对应各个吸杆贴装拾贴点时贴片头的位置；
若RDtemp≥RDbest，RDbest的值不变；
式中SuckRod为拾贴周期内元件吸取矩阵，SuckRod中的第k行SuckRod(k,:)代表了拾贴周期k中拾贴的元件序号，Su...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱剑彬，卢光宇，李政锴，于兴虎，高会军，
申请(专利权)人：宁波智能装备研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33