基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法技术

基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，涉及PCB组装过程优化领域。解决了现有的直排式贴片机对PCB贴装优化技术中，存在应用场景局限性强、最优路径求解速度慢、以及对影响组装效率的因素考虑不全面，导致的组装效率低的问题。本发明专利技术首先给每种元件类型分配给相应的槽位，且分配相应槽位过程中考虑各槽位的状态信息，以及在给位于直列式贴装头机构首端的贴装头分配最优槽位的约束条件下分配槽位；其次、再给各贴装头分配相应的元件类型，最后再按最近邻集束搜索策略，根据每个拾取周期内给直列式贴装头机构上各贴装头的元件类型分配结果的约束条件下，获得当前分配结果下的最优贴装路径。本发明专利技术主要用于PCB组装过程的优化。装过程的优化。装过程的优化。

【技术实现步骤摘要】
基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法


[0001]本专利技术涉及PCB组装过程优化领域。

技术介绍

[0002]现如今，随着电子产品在现代生活中的广泛应用，电子制造业得到了迅速的发展。电子产品的制造过程由一系列复杂的生产过程构成，PCB组装是其中最重要也最耗时的工序之一。PCB组装是指将元器件安装在电路板预先指定位置的一系列工艺流程，其通常由贴片机完成。贴片机是一种复杂的计算机控制的PCB组装设备，其中集成了包括机械、电气、光学、运筹学在内的多项技术。
[0003]贴片机按组装过程和机械结构分为多种类型，其直列式单悬臂贴片机组成结构示意图如图1所示。直列式贴片机与其它类型贴片机最主要的区别在于，多个贴装头呈线性排布能同时完成元件拾取动作，提升组装效率。此类贴片机通常包括一个固定的PCB平台，两个固定的供料器基座，以及一个带贴装头的移动悬臂。装有元件的供料器安装在前部和后部的供料器基座上。悬臂可以在PCB和供料器之间往复运动，其中，供料器基座上每个供料器内用于存放一种类型的元件。装配有Z轴吸杆和带有吸嘴的贴装头通过真空阀的开关在供料器中拾取元件，并在PCB预定位置放置元器件。装备在贴装头上的飞行相机用于检测芯片的拾取偏移量，对于一些尺寸较大的芯片，贴装头则需要移动到固定相机进行检测。此外，ANC(Auto Nozzle Changer，自动吸嘴更换器)中储存有不同类型的吸嘴，贴装头在ANC中完成吸嘴更换动作，用以满足贴装头对不同元件形状的装配要求。
[0004]现有技术中表面贴装过程的工艺流程如图2所示。贴片机完成电路板的组装的具体过程为：操作员首先需要根据BOM(Bill of Material，物料清单)表确定组装元件的类型，将元件安装在供料器中，并通过人为指定或自动优化的结果将供料器安插于基座槽位中。电路板由传送带传入到组装位置，随后，贴装头检查即将贴装的元件类型和吸嘴类型的一致性，并在必要时前往ANC更换吸嘴。在一个拾贴周期内，贴装头前往供料器基座拾取元件，通过视觉系统检测元件拾取偏移量，并将其贴装到电路板上的指定位置。PCB组装过程中，拾贴周期是其中的基本单位，其指一组贴装头完成元件拾取、识别、贴装(废料)的过程。本专利技术不讨论废料过程对组装效率的影响，即假定不存在拾取失败、识别失败的情形。对于不同类型的电路板，其贴装的元件类型和贴装点位置也不尽相同，不同的供料器安装位置、元器件的贴装顺序都将影响贴片机的组装效率。
[0005]表面贴装过程优化问题关系逻辑图如图3所示，现有研究将表面贴装优化任务拆解为供料器槽位分配问题和贴装头任务分配问题，前者解决了供料器的安装槽问题，而后者则决定了贴装头的装配顺序问题。PCB组装过程的子问题存在着紧密的耦合关系，供料器的安装槽位影响到元件分配过程，进而影响了同时拾取的数量最大化。各个贴装头的拾取元件的吸嘴类型与吸嘴更换的次数直接有关，表面贴装过程的取料槽位和贴装顺序共同决定了悬臂的整体移动距离。为了保证吸嘴类型、元件类型、贴装点和供料器槽位的一致性，贴装头在PCB组装过程可能会产生冗余的拾取和吸嘴更换运动。
[0006]表面贴装过程的目标是最小化组装时间，该指标取决于悬臂的移动距离长短、同时拾取数和吸嘴更换次数，这些是表面贴装任务优化的子目标。子目标的耦合性体现在提高同时取件的数量可能会带来额外的吸嘴更换，减少吸嘴更换次数可能会导致拾取路径和拾取次数的增加。优化算法必须在拾取效率和吸嘴更换效率之间进行权衡。悬臂的移动距离与组装过程的路径规划直接相关，同时，提升同时拾取数量也有助于减少移动距离，过多的吸嘴更换则需要悬臂频繁往返于ANC增加了移动路径长度。对于直排式贴装头贴片机，拾取效率和吸嘴更换次数是影响整体贴装效率的重要因素，优化这两项子目标也将有助于减少悬臂的移动距离。在实际优化过程中，表面贴装过程优化方法通常被视为多目标优化问题，即多个优化子目标均会影响整体贴装效率，且彼此之间的性能指标又相互冲突。具体体现为，在处理同时拾取时，为了保证多个贴装头从预定槽位同时完成拾取动作，其需要根据实际情况调整吸嘴类型以满足拾取要求；为了减少拾贴周期数，贴装头需要保证各拾贴周期悬臂尽可能多的拾取元件，将会间接导致移动路径增加，同时拾取降低。
[0007]贴装过程优化算法要处理的不仅是不同PCB数据所对应的各类型的元件和贴装点，同时要考虑实际应用过程中的约束条件，表面贴装优化问题的约束可以分为四个部分：工作完整性约束、机械限制约束、工具约束和人为约束。工作完整性约束是表面贴装任务的基本要求，每个元件必须准确地装配在相应的PCB焊盘上；机械限制约束指的是贴片机的结构特点带来的约束，如每个贴装头都有无法到达供料器槽，由供料器宽度不同带来的安插槽位位置干涉等；工具约束包括数量约束和一致性约束，数量约束指用于抓起元件的吸嘴和提供元件供料器数量通常是有限，一致性约束指吸嘴类型需要和元件匹配以保证拾取过程的顺利进行，吸嘴类型不合适将导致抓取失败、较高的废料率等，会进一步降低组装效率；此外，人为约束是指现场操作人员根据实际情况额外增加的限制，如设置部分供料器槽位，禁用贴装头或槽位，更改供料器可用数目，指定贴装头所用吸嘴类型等，人为约束通常是根据现场机器状况所进行的适当调整，是保证生产过程顺利进行的必要条件。
[0008]现有的直排式贴片机对PCB贴装过程优化技术中，主要存在的问题如下：
[0009](1)贴装效率的优化解不理想的问题，具体为：直列式贴片机PCB贴装过程中，贴装头组的同时拾取次数、贴装头的吸嘴更换次数、悬臂的移动路径长度的因素均会影响组装效率，相关研究仅围绕其中一个或两个指标进行研究，导致贴装效率低；
[0010](2)实际应用场景存在局限性的问题，相关研究在解决供料器分配问题时，在当前供料器基座上的状态下，供料器基座上部分槽位为空置状态，剩余部分槽位中存在预先存在的元件时，使用之前需将所有槽位清空后，对所有的槽位上的供料器内重新进行元件类型分配，该种分配方式存在局限性，不适用于小批量固定供料器配置的应用场景，以及频繁需要调整数据重新优化的场景，会增加人力成本。
[0011](3)优化路径获取过程中求解最优解速度慢的问题，以数学规划和进化算法为代表的PCB贴装过程优化方法，存在最优路径求解速度慢、收敛性差的问题。
[0012]综上所述，本专利技术旨在深入研究与进一步丰富相关研究细节，优化直排式贴片机对PCB的表面贴装过程，提升最优路径求解过程，从而提升直排式贴片机的贴装率，使其更贴合应用背景，具有重要的理论价值和应用价值。

技术实现思路

[0013]本专利技术目的是为了解决现有的直排式贴片机对PCB贴装优化技术中，存在应用场景局限性强、最优路径求解速度慢、以及对影响组装效率的因素考虑不全面，导致的组装效率的问题，本专利技术提供了一种基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法。其中，组装过程由供料器槽位内元件类型分配过程、拾取过程和贴装过程共三个过程构成。
[0014]基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1、将待分配的每种元件类型、及该元件类型所对应的全部元件分配至供料器基座上的相应的一个槽位内，具体为：步骤1
‑
1、设置M的初始值为1，M为扫描周期的轮次；步骤1
‑
2、在第M轮扫描周期内，通过直列式贴装头组从左至右依次扫描供料器基座上的槽位，给位于直列式贴装头组首端的贴装头分配最优槽位，使位于首端的贴装头与最优槽位对齐后，给与直列式贴装头组上各贴装头相对应的空状态槽位内分配相应的元件类型和元件数量；其中，供料器基座上各槽位的状态为非空状态或空状态；步骤1
‑
3、取与直列式贴装头组的各贴装头所对应的各槽位内元件数量最小值δ，将与直列式贴装头组的各贴装头所对应的各槽位内的元件数量减去δ，实现更新各槽位内元件数量；判断对于是否均有ψ
i
′
＝0，结果为是，此时，I中所有元件类型均已分配至供料器基座上的相应槽位内，执行步骤2，结果为否，令M＝M+1，执行步骤1
‑
2；其中，i
′
为元件类型索引，I为元件类型索引的集合，ψ
i
′
为元件类型i
′
的元件数量；步骤2、在第N个拾取周期内，根据直列式贴装头组上各贴装头上的吸嘴类型，给各贴装头分配相应的待拾取元件类型；其中，N为整数，N的初始值为1；步骤3、判定供料器基座上的槽位中，是否存在尚未分配相应贴装头的待拾取的元件类型，结果为是，令N＝N+1，执行步骤2，否则，执行步骤4；步骤4、根据每个拾取周期内给直列式贴装头组上各贴装头的元件类型分配结果，按最近邻集束搜索策略，获得当前分配结果下的最优贴装路径，从而完成了贴装过程的优化。2.根据权利要求1所述的基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，其特征在于，步骤1
‑
2、通过直列式贴装头组从左至右依次扫描供料器基座上的槽位，在每个扫描周期内给位于直列式贴装头组首端的贴装头分配最优槽位的实现方式包括：步骤1
‑2‑
11、确定供料器基座上各非空状态槽位上预先安装的元件类型以及每个非空状态槽位上预先安装的元件类型所对应的元件数；步骤1
‑2‑
12：将位于直列式贴装头组首端的贴装头从左至右依次扫描供料器基座上所有槽位，并记录位于首端的贴装头与每个槽位对齐时，直列式贴装头组的各贴装头所对应的非空状态槽位内元件数之和，此时，取非空状态槽位内元件数之和的取值最大时，与位于首端的贴装头对齐的槽位作为最优槽位。3.根据权利要求1所述的基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，其特征在于，步骤1
‑
2中、使位于首端的贴装头与最优槽位对齐后，给与直列式贴装头组上各贴装头相对应的空状态槽位内分配相应的元件类型和元件数量实现方式包括如下步骤：步骤1
‑2‑
21、使位于首端的贴装头与最优槽位对齐；步骤1
‑2‑
22、判断与直列式贴装头组相对的每个空状态槽位所对应的贴装头上是否存在吸嘴，结果为是，执行步骤1
‑2‑
23，结果为否，执行步骤1
‑2‑
24；步骤1
‑2‑
23、从左至右依次历遍所有空状态槽位所对应的贴装头的吸嘴类型，并根据每个空状态槽位所对应的贴装头上的吸嘴类型，给该贴装头所对应的空状态槽位分配相应的元件类型和元件数量，结束；步骤1
‑2‑
24、
取argmax
i
′
∈I
{ψ
i
′
|∑
j
′
∈J
j
′
·
ξ
i
′
j
′
·
γ
j
′
}，将argmax
i
′
∈I
{ψ
i
′
|∑
j
′
∈J
j
′
·
ξ
i
′
j
′
·
γ
j
′
}时所对应的元件类型i
′
和元件数量ψ
i
′
，分配给当前空状态槽位，结束；其中，ξ
i
′
j
′
＝1表示元件类型i
′
与吸嘴类型j
′
匹配，ξ
i
′
j
′
＝0表示元件类型i
′
与吸嘴类型j
′
不匹配；j
′
为吸嘴类型索引，J为吸嘴类型索引的集合，i
′
为元件类型索引，I为元件类型索引的集合，ψ
i
′
为元件类型i
′
的元件数量，γ
j
′
表示吸嘴类型j
′
的可用数量。4.根据权利要求3所述的基于分层启发式的直排式贴片机表面贴装过程优化方法，其特征在于，步骤1
‑2‑
23中，从左至右依次历遍所有空状态槽位所对应的贴装头的吸嘴类型，并根据每个空状态槽位所对应的贴装头上的吸嘴类型，给该贴装头所对应的空状态槽位分配相应的元件类型和元件数量的实现方式包括如下步骤：步骤1
‑2‑
23
‑
1、根据每个空状态槽位所对应的贴装头的吸嘴类型，判定与该吸嘴类型匹配成功的元件类型的种类数是否大于0，结果为是，执行步骤1
‑2‑
23
‑
2，结果为否，执行步骤1
‑2‑
23
‑
3；步骤1
‑2‑
23
‑
2、确定与当前贴装头所对应的吸嘴类型匹配成功的元件类型所对应的元件数量最大时，所对应的元件类型、以及该种元件类型所对应的所有元件数量，并将所述所对应的元件类型、以及该种元件类型所对应的所有元件数量，分配给与当前贴装头所对应的空状态槽位，结束；步骤1
‑2‑
23
‑
3、对于取argmax
i
′
∈I
{ψ
i
′
}时，所对应的元件类型i
′
、以及元件数量ψ
i
′
压入堆栈并统计所有未被分配的空状态槽位，将堆栈中的各元件类型依次从堆栈中弹出，并将其各元件类型所对应的所有元件数量分配给相应的一个未被分配的空状态槽位，其中，各元件类型依次从堆栈中弹出的顺序，按各元件类型的元件数量由大至小的顺序弹出，结束；其中，ξ
i
′
j
′
＝1表示元件类型i
′
...

【专利技术属性】
技术研发人员：于兴虎，卢光宇，陈兆楠，孙昊，
申请(专利权)人：宁波亦唐智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：