高速转塔机优化软件的开发

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摘  要: SMT生产线要达到最大的产量，必须要考虑生产线的效率。贴片机是SMT生产线中的关键设备，因此提高贴片机的生产效率具有十分重要的意义。本文以松下贴片机为例，介绍了贴片机程序优化软件的设计与开发中的思想、方法和经验，希望对从事CAM软件研究的工程人员有一定帮助。 sMx\WTyz  
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关键词: 优化；贴片机；印制电路板；表面贴装技术 Z6p>R;9n  
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Design and Development of Optimization Software for High Speed Chip Mounter RUEUn  
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Xian Fei Z&%61jGK  
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Abstact: To achieve maximum output from SMT line, line efficiency should be take into account. Mounter is a key equipment in SMT line, so it is important to improve the mounters’s efficience. Take panasert mounters for example, this paper introduces thought, method, experience of designing and developing optimization software for mounters, it is expected that there will be some reference value to the engineers who are studying on CAM. [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] eXYR/j<
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Keywords: optimization; Mounter; PCB; SMT 8P .! q  
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对于印制板组装厂商来讲，要想在激烈的竞争中取胜，最重要的是使生产线发挥最大的效率，提高合格产品的产量。然而，要达到这一目标，必然会受到诸多因素的影响。所以必须要提高SMT设备的生产效率，才可以实现高效生产。本文的目的就是寻找一种系统的方法来解决SMT工程中碰到的具体问题。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] vq{:=:5'P  
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1 设备介绍 =X`/.:%|[  
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贴片机是SMT生产线中最关键的设备，其生产效率的高低会制约到整条生产线的生产能力发挥，因此提高贴片机的生产效率具有十分现实的意义。本文研究的是Panasert的MSHG3亚高速贴片机，由于后面叙述的程序优化内容是关于这类贴片机的，因此需要加以介绍。 Po2YDj`  
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MSHG3以贴装片式元件为主，采用十个一组的旋转贴片头,同轴双吸嘴结构,上料器平台上可安装最多60种元件（8mm），贴装速度0.14s/片，可贴装1005∽钽电容、小型SOP等，其工作过程如图1所示。 {DpZg",H-  
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其工作过程包括以下几步： k8h$#@^  
1．        PCB（印制电路板）由进口传送带被装载到X-Y工作台上。 "^u|vCqw  
2．        视觉系统读取PCB基准点，并将PCB定位。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] U $+rlw}  
3．        上料器平台可左右移动到吸取元件所在的料槽位置上。 6rRPqO j  
4．        旋转贴片头顺时针旋转吸取元件。 W2n%D& PE  
5．        X-Y工作台可上下左右移动到贴装元件所在位置上。 u~G,=n  
6．        旋转贴片头将所吸取元件放置到PCB指定贴装位置上。 d/;oNC+  
7．        重复1~6步骤，直至PCB上所有元件全部贴完。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] L%<1cE))  
8．        PCB由出口传送带卸载。 /P,J);Y  
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2 影响MSHG3运动速度的因素分析 o\2#o5#  
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松下公司提供一个理论速度用以综合反映X-Y工作台移动速度和上料器切换速度，是机器从上料器上拾取元件并将其放置于PCB上所需的最短时间。值得注意的是，机器理论速度的得到是有严格条件的。以MSHG3为例，其条件是：当机器连续贴装转塔速度均为0.14s/片的元件，X-Y工作台的移动距离小于25mm,上料器的切换不超过1个槽的位置。此时MSHG3才可以达到其理论速度——0.14s/片。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] C,K
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对于转塔式片式元件贴片机——MSHG3，拾取运动与贴装运动的同时性和相对独立性决定了当考虑减少机器生产周期时，不能单纯地将问题归结为寻求加工路线最短或加工时间最少的问题。而机器各动作在时间上的配合是影响机器生产周期的重要原因。通过对MSHG3的结构和运送的分析，可以归纳影响其运动速度的主要因素如下： `57ffQR9  
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（1）每种元件在PCB上的数目及上料器台上的排列位置。这是相互影响的两个因素，对于那些放置数目较多的元件，显然应该将其放置在一起以尽量减少上料器台上的运动。 E_-CsL%  
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（2）上料器的运动。由于当上料器从一个位置切换到相邻的位置时，上料台仍然可以保持其最大速度运动，但当上料器的位置切换超过一个时，上料台的速度将减少30%~50%，当进行程序优化时，应尽量减少上料台在相距较远的两个供料槽之间多次往返运动。 ~g)gXPjke  
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（3）转塔的旋转速度。转塔速度（Head Speed）是由编程者在元件部品库中设定的，它决定了转塔在拾取此元件之后能以多快的速度运动。Head Speed取决于元件的大小，元件越大，Head Speed就越低，这是为了避免真空吸嘴吸附不足导致元件飞出，或是导致元件在吸嘴上移位而造成放置位置的不精确，所以Head Speed的设定是有一定限制的。MSHG3的贴装速度可分为8级，如表1所示。在转塔拾取一个Head Speed较大的元件之后，则在此转塔上被吸附的所有元件都会以此速度运动，而不管在Part Library的设定如何。转塔速度总是由所拾取元件中最大的Head Speed决定的。很显然对于贴装程序而言最好不要把不同Head Speed的元件放在一起，一方面可以避免因为元件的Head Speed的不同而影响Head Speed的充分利用。另一方面，对于转塔而言，不断的加速或减速也会造成生产周期的延长和运动的不稳定性。 iYBs )  
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（4）X-Y工作台的加减速形式。当X-Y工作台从上一个元件的位置运动到下一个元件位置时，即使这个时间是非常短暂的，也可以将它分为静止—加速—最大速度—减速—静止的过程。X-Y工作台的加速形式取决于Part Library的Head Speed的设定。对于MSHG3而言，在其Head Speed被设置较低的时候，X-Y工作台的加速状态就会一直保持下去而不管其后放置的元件在Part Library的设定如何。因为对于较大的或引脚很细密的IC来说，很高的加速方式会造成焊膏无法固定元件而导致元件位置的偏移。因此，对于Head Speed被设置较低的元件，最好将其安排于程序的后面放置，以避免元件设置的相互影响而导致机器生产周期的变长。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] )9J&M6
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（5）X-Y工作台的运动距离。这是一个影响机器运动的重要因素，也是众多优化软件所侧重考虑的方面。 ;L++H5Kz6  
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以上详细介绍了影响MSHG3贴装速度的主要因素，在生产实际中可以通过调整上料器的排列顺序、元件的贴装顺序等方法进行程序优化以减少机器生产周期。作者正是考虑了以上因素，确定本系统程序将侧重于通过调整上料器顺序和元件贴装顺序，以优化贴装程序从而提高生产效率。 4
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3 MSHG3运动的优化算法 vEOoG>'Zq  
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   （1）上料器位置的确定  上料器的排放位置是影响贴装时间的一个重要因素。对于一个给定的元件放置顺序，不合理的上料器安排会出现真空吸嘴一直停留在吸取位置等待下一个上料器的到来。本文提供了两种解决方法： Z@=#ry  
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方法一：元件按Head Speed的大小将上料器在上料器平台上按降序排列，然后在对那些具有相同Head Speed的元件，按其在板上出现频率的高低进行降序排列，这样就得到了初始化的上料器排列方法。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] =4 36/O`K  
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方法二： JFIUD{>fp  
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①按照离坐标原点最近以及Head Speed最大的原则，确定放置于上料器平台第一位置的元件。 " +'E  
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②然后对该种元件运用最短路径方法来寻找放置的路径； %XMwjBM  
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③在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，在剩余元件中寻找与第一位置上料器中最后放置的元件相临最近的，并将该种元件设定放置于上料器平台的第二位置上，按步骤①方法安排该种元件的贴装顺序； /pt%*;H  
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④依次执行直至所有元件被放置完毕。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] . T6fPEb  
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（2）最短路径问题  在上料器的位置确定后，假设忽略上料器切换与进给时间对贴装时间的影响，我们要考虑的主要因素就成了如何尽量减少X-Y工作台运动时间的问题，即寻求最短路径的问题。假设总共有n个元件被放置在PCB板上，从一个特定的起始点出发，如何才能寻找一条最优的路径，使得其能遍历所有的元件而运动的总距离最短。数学描述如下： .H {  
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假设{1，2，3，…，i…，n}为一系列要遍历的点，其坐标位置分别为{（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xi，Yi），…，（Xn，Yn）}，我们的目标是寻求一个序列{（i1，i2，…，in）}使得： S\RjP*H*  
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1）        每个点在序列中仅出现一次； ^|M\vO  
  P#m/b<  
2）        满足ikik+1（1≤k≤n）两点间距离最小。 0hnTHlk  
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这个问题实质上就是一个旅行商问题，只是不需要再回到起始位置。下面介绍一种算法： [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] zY6{ OP!#  
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1）        确定初始出发位置； g"gh2#!D  
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2）        在所有还没有放置到PCB上的元件中，寻找一个距离上一个放置元件最近的元件，以此作为下一个要放置的元件，同时将此元件从未放置元件序列中除去； 02OL-bv}HS  
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3）        重复步骤2）直至所有元件都被放置完毕。 yDh(4w-~gk  
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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Head Speed以及上料器切换对于贴装时间的影响。根据机器运动状态，作者对该理论模型进行补充，并给出2种在实践上具有一定可行性的优化方法。 3NRxf8  
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(3)优化算法介绍 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] %%
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优化算法一：单上料器最短路径法 + <AD  
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在这种方法中，仅考虑对一个上料器中的元件来寻求最短的路径。基本思路是上料器的位置按上料器位置确定的方法一排列完毕之后，首先从第一个上料器中寻找与坐标原点距离最近的元件作为第一个要贴放的元件，然后从第一个上料器开始，依次对每一个上料器运用前述的最短路径方法来寻找防置的路径。在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，下一个元件将从第二个上料器中拾取，并且此元件应该是与第一个上料器中最后放置的元件距离最短的，依次执行直至所有元件被放置完毕。其算法流程如图2所示。 hm#S4/=#  
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按方法一编写优化程序比较容易实现，软件维护也比较简单，但缺点是未充分考虑到上料器切换和X-Y工作台对贴装速度的影响，为此，笔者在其基础上又设计了优化算法二，其内容如下： 3exv k  
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优化算法二：综合法  #sl_ BC9  
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1）放置元件的顺序首先按Head Speed来决定，即最先放置Head Speed为0.14s/片的元件，然后按降序依次放置； [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] 566vjE  
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2）按照离坐标原点最近的原则，确定放置于上料器平台第一位置的元件。 aq-`Bar  
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3）然后对该种元件运用最短路径方法来寻找放置的路径； HQi57QB  
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4）在第一个上料器中的元件被放置完毕之后，在剩余元件中寻找与第一位置上料器中最后放置的元件相临最近的，并将该种元件设定放置于上料器平台的第二位置上，按步骤①方法安排该种元件的贴装顺序； ^X2U A{  
  +<p?i]3CHe  
5）依次执行直至Head Speed为0.14s/片的所有元件被放置完毕； }s
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6）从Head Speed为0.18s/片的所有元件中寻找一个与上一个贴装元件距离最短的作为下一个将要贴装的元件，并将该种元件上料器的位置放在上一元件之后； [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] EJqzh
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7）重复3）、4）、5）、6）直至所有元件的被放置完毕。 -VK6Fq  
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方法二是对方法一的全面改进，它充分考虑到了供料器切换和X-Y工作台对贴装速度的影响，笔者分别按方法一和方法二设计了两种优化程序，经测试比较按方法二设计的优化程序其优化效率比方法一要高出5%-10%。其算法流程如图3所示。 Zf~[4Eeb  
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4 工程实际应用 Y.$InQ gL  
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应用本文中介绍的方法于实际，产生出了良好的效果。依据上述介绍的优化算法编写的MSHG3优化软件，已经运用于实际生产过程中，该软件的程序界面如图4所示。 j7;v'eA`;7  
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该软件采用典型windows风格界面，操作简单。具有对每一元件项进行修改、增加、删除、替换、浏览等功能，并且该软件所处理文件数据格式与MSH-G3一致,其优化处理后的贴装程序可直接拿到MSH-G3上运行,从而可以实现离线编程,极大提高程序编制效率及可靠性，减轻编程人员负担。目前我们还在对该软件功能进行进一步完善，如加入转换CAD数据的功能，并增加与其他一些型号转塔式贴片机的软件接口（如环球HSP4796L），这样也可以对其他设备的贴装程序进行优化，将会大大增强该软件的适用性。 [ 转自SMT之家论坛 http://bbs.smthome.net ] B`Q.<Lqu  
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5 结束语 7e&R6j  
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通过对贴装程序的优化，可以在一定程度上减少机器的生产周期时间，但对于生产效率的提高来说，这仅仅是其中的一部分，更多的时候要依靠科学的管理，优秀的操作工，良好的设备维护与保养来实现，这些更是应该引起我们注意的地方。