【文章內(nèi)容簡介】 搭接標準，CPK= ( 8550 )/(3X5)=。幾種類型的貼片機及其優(yōu)化算法研究：（1）單吸嘴單貼裝頭的順序貼片機：①特點描述： 這類貼片機只有一個貼裝頭安裝在機架上。機架只能在Y軸方向上運動，同時貼裝頭可以在機架上作X軸方向的運動。貼裝頭上的吸嘴可以在Z軸方向上運動，以執(zhí)行拾取和貼裝操作。貼片機貼裝操作開始時，貼裝頭先到吸嘴站裝上一個合適的吸嘴，然后到喂料器上拾取一個元件，再移動到對應的元件貼裝位置貼裝元件。此后，如果當前吸嘴還可以處理下一個要拾取和貼裝的元件，貼裝頭就直接移動到元件喂料器拾取元件，然后再進行貼裝操作。否則，貼裝頭先到吸嘴站更換吸嘴，然后才去拾取、貼裝元件。貼裝頭從喂料器移到貼裝位置再返回到喂料器的這個過程(包括換嘴操作、元件拾取和貼裝操作)，被稱為拾取貼裝循環(huán)。顯然，順序貼片機總是按順序完成一個元件的拾取和貼裝操作后，才進行下一個元件的拾取和貼裝操作。而不像其它類型的貼片機，貼裝頭可以在執(zhí)行某個元件的拾取操作的同時還執(zhí)行另一個元件的貼裝操作，或者可以同時拾取多個元件再依次貼裝多個元件(具有這種特點的貼片機也被稱為并行貼片機，如轉(zhuǎn)盤式貼片機、多貼裝頭貼片機等)。此類貼片機是結(jié)構和原理最為簡單的貼片機，但其貼裝效率也較低。Quad IIIC貼片機就屬于這類貼片機。②優(yōu)化問題分析和相關算法研究： 單吸嘴單貼裝頭的順序貼片機因為其結(jié)構、原理簡單，分析和建模也較為容易，其貼裝時間優(yōu)化問題被研究的最多，同時也是研究其它復雜貼片機優(yōu)化問題的基礎。在每個拾取貼裝循環(huán)中，貼裝頭要從上一個元件的貼裝位置移動到下一個元件的喂料器位置(稱為拾取行程)、再從元件喂料器位置移動到PCB上該元件對應的貼裝位置上(稱為貼裝行程)，還可能包括移到吸嘴站更換吸嘴的動作(稱為換嘴行程)。因此，拾取貼裝循環(huán)時間等于貼裝頭的拾取行程時間、貼裝行程時間和換嘴行程時間之和(實際上還應該包括貼裝頭拾取、貼裝元件的動作時間和吸嘴更換的動作時間，但由于這些動作時間均為常數(shù)，對優(yōu)化問題沒有本質(zhì)影響，因而在優(yōu)化問題中忽略不計)。由于貼裝頭在每個拾取貼裝循環(huán)中只能拾取和貼裝一個元件，因此整個貼裝時間等于所有元件的拾取貼裝循環(huán)時間之和。很顯然，總的貼裝時間取決于兩個因素:各個元件喂料器所分配的喂料槽位置和PCB上各個元件的拾取貼裝順序。前者常被稱為喂料器分配(feeder setup)問題，后者常被稱為貼裝排序(placement sequencing)問題。這兩個優(yōu)化Ip題高度關聯(lián)、互相影響，使得求解問題最優(yōu)解相當困難。許多文獻都通過簡化問題或通過近似處理的方法將問題分解為兩個獨立的優(yōu)化問題，從而應用算法求解。也有文獻將其作為一個完整的優(yōu)化問題來求解。 Kumar和Li將順序貼片機的貼裝時間優(yōu)化問題建模為一個線性整數(shù)規(guī)劃問題。他們根據(jù)各類元件使用吸嘴的不同，將整個貼裝過程按吸嘴的不同分成多個貼裝子過程，每個子過程只涉及一種吸嘴的元件拾取和貼裝操作。然后，他們通過數(shù)學方法建立優(yōu)化問題的兩種數(shù)學模型，然后對第一種模型采用近似處理的方法將問題分解為喂料器分配和元件貼裝排序兩個優(yōu)化子問題，并求解得到最優(yōu)貼裝時間的上限值。他們對第二種模型應用線性規(guī)劃松弛方法得到最優(yōu)貼裝時間的下限值，并利用貼裝時間上限值和下限值之間的差值作為判斷它們與最優(yōu)值接近程度的標準。在他們設計的軟件方法中，最近鄰法、最近插入法、最遠插入法和隨機生成方法等啟發(fā)性算法被用于構造初始的元件貼裝序列，2opt, 3opt等啟發(fā)性方法被用于對初始的元件貼裝序列進行改良。優(yōu)化結(jié)果顯示，在實際生產(chǎn)中，他們的算法平均可以節(jié)省25%的生產(chǎn)時間。（2）多貼裝頭直列式貼片機：①特點描述： 這類貼片機的貼裝頭機構上裝配有多個貼裝頭，每個貼裝頭裝配一個或多個吸嘴。由于貼裝頭之間位置相對固定且排成一條直線，而且吸嘴的間距是喂料槽間距的整數(shù)倍，因此貼裝頭機構一次可以同時從喂料器上拾取多個元件。拾取元件后，貼裝頭機構在XY方向上同時運動，并讓各個貼裝頭的吸嘴依次對準PCB板上的元件貼裝位置，然后通過貼裝頭的Z軸運動和吸嘴動作將元件貼裝在PCB上。貼裝過程中，PCB平臺可以是可移動的，也可以是固定不動的，取決于具體機型。對于前者，PCB平臺需在貼裝頭拾取元件和移向貼裝位置的時候在XY方向上運動，完成貼裝位置的定位。這類貼片機常常配有前后兩個喂料機構，而且是固定不動的。完成一組元件的拾取和貼裝操作后，貼裝頭又按照同樣的步驟開始下一組元件的拾取和貼裝操作。如果當前貼裝頭所用的吸嘴己經(jīng)無法拾取和貼裝新的元器件，貼裝頭還必須在拾取元件前到吸嘴站更換吸嘴。這種類型的貼片機有YAMAHA的YV88和YV 100系列貼片機等。②優(yōu)化問題分析和相關算法研究： 多貼裝頭直列式貼片機與順序貼片機在結(jié)構上的不同之處僅在于它的貼裝頭機構上配備了多個貼裝頭和吸嘴，可以在一個拾取貼裝循環(huán)內(nèi)拾取和貼裝多個元件。由于優(yōu)化問題的復雜度(plexity)隨著貼裝頭數(shù)目的增加而指數(shù)增長，單貼裝頭貼片機的優(yōu)化算法無法直接用于多貼裝頭的情況。此外，多貼裝頭貼片機的貼裝時間優(yōu)化問題已被證明是NP難度的組合優(yōu)化問題，單一采用經(jīng)典優(yōu)化算法(如線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃等)求解大規(guī)模的優(yōu)化問題已無法獲得較好的優(yōu)化效果。在實際研究中，研究者們常常將構造性啟發(fā)式算法(如最近鄰方法、kopt方法等)、領域搜索算法(如模擬退火算法、遺傳算法等)等新型算法與經(jīng)典算法結(jié)合使用，獲得了較好的優(yōu)化效果。 Lee等人研究了多貼裝頭直列式貼片機的貼裝時間優(yōu)化問題。他們采用由簡單到復雜的方法，先研究單貼裝頭貼片機的貼裝時間優(yōu)化問題。他們提出了一種分鏈遺傳算法，先用兩個分鏈分別表示喂料器分配方式和元件貼裝排序方式，然后通過合并兩個分鏈來構造出一個新的鏈，再利用分鏈運算和參數(shù)調(diào)整的方法不斷搜索具有良好適應度(fitness)的鏈，達到同時求解喂料器分配問題和元件貼裝排序問題的目的。在解決單貼裝頭情形的優(yōu)化問題后，他們將多貼裝頭情形的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單貼裝頭情形求解?？紤]到多貼裝頭可同時拾取一組元件的特點，他們將目標放在拾取時間的優(yōu)化上。如果能夠?qū)⒃沽掀鬟m當分組，使得元件可以同時拾取且拾取次數(shù)最少，拾取時間就能減到最少。他們通過三個步驟解決了這些問題:首先將各個喂料器按使用吸嘴不同分配給各個貼裝頭，并使所用吸嘴的數(shù)量最小(以減少換嘴次數(shù))和各貼裝頭的工作量相當。然后構造可同時拾取的元件喂料器組。最后構造元件拾取組，確定每組的元件組成和各元件組的拾取順序。他們將每個元件拾取組看作單個元件、貼裝頭組看作單個貼裝頭，則多貼裝頭貼裝時間優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為單貼裝頭貼裝時間優(yōu)化問題。最后，再次應用分鏈GA算法。此時有四個分鏈:①表示喂料器一貼裝頭分配方式的分鏈。②表示喂料器組構造方式的分鏈。③表示喂料器組分配方式的分鏈。④表示元件拾取組構造方式的分鏈。將這四個分鏈組合起來，就可以得到求解多貼裝頭貼片機優(yōu)化問題的GA鏈，從而可以應用分鏈運算和參數(shù)調(diào)整方法求解問題。仿真數(shù)據(jù)表明，%%。而且，隨著貼裝頭數(shù)量、元件種類和數(shù)量的增加，算法的優(yōu)化效果會更好。Bruke等人提出了一種三階段啟發(fā)性算法處理多種類型不同數(shù)量PCB的貼裝時間優(yōu)化問題，使得PCB類型變換時無需進行元件更換等生產(chǎn)準備工作。實驗結(jié)果顯示，他們的算法得到了較好的優(yōu)化效果。他們提出的問題和解決方法己經(jīng)突破了以往只研究一種類型PCB貼裝時間優(yōu)化的范疇，更加接近實際生產(chǎn)環(huán)境，具有很強的實際意義和建設性，這也是未來貼片機優(yōu)化問題研究的發(fā)展方向之一。三、貼裝技術實驗平臺結(jié)構分析貼裝平臺總體結(jié)構： 本項目搭建的貼裝平臺結(jié)構如圖7所示。貼裝平臺的基座由花崗巖制造而成，整體為U型結(jié)構，兩側(cè)立柱側(cè)面設有減重孔，也可兼作搬運用，立柱頂面有用于安裝線性模組和直線導軌的螺絲孔，基座中間的凹槽平面用于安裝送料裝置、上視相機送板裝置等。貼裝平臺上搭建有X、Y、Z三軸傳動機構，整體呈拱架式結(jié)構：Y軸作為三軸傳動機構的主要承載軸，采用“線性模組+直線導軌”方式進行傳動和支撐，其中線性模組為滾珠絲杠和U型軌的組合體，配有馬達座，可通過聯(lián)軸器與伺服電機相連，直線導軌無驅(qū)動器件，作為副軌起支撐傳導作用。X軸傳動機構也采用線性模組，橫跨在Y軸線性模組與直線導軌上，與Y軸組成貼裝平臺的主傳動機構。Z軸的線性模組長度較短，安裝在X軸滑塊上，用于調(diào)整工作組件高度?；A平臺三個軸上均安裝有拖鏈，這樣便于電源線、信號線、軟管等的走線，同時也有助于減輕線的拖拽和磨損。Z軸滑塊上安裝有貼裝頭和下視相機，貼裝頭由Z軸、θ軸以及真空模塊組成。Z軸用于控制吸嘴的上下運動，θ軸則控制吸嘴的旋轉(zhuǎn)運動，真空模塊則負責產(chǎn)生真空壓力，使元件能吸附于吸嘴之上。下視相機則用于觀察PCB電路板的基準點，進行電路板的定位。固定于基座上的上視相機用于識別元器件的姿態(tài)和位置，配合X軸、Y軸以及軸調(diào)整姿態(tài)，完成最后的貼裝。該平臺包含X、Y、Z以及θ四個方向的運動，因此能滿足元器件貼裝需求的自由度。圖7：貼裝平臺結(jié)構圖 XY 平面?zhèn)鲃咏Y(jié)構的運動范圍，以貼裝工藝的要求為主，兼顧其它功能的需要合理確定，原則上應保證整機尺寸合理、結(jié)構緊湊、便于安裝和維護，并具備一定的擴張空間。如圖8所示，貼裝頭和下視攝像機可以移動的最大范圍的交集，即為有效工作范圍，最大有效工作范圍為：S=XY=250 x 320mm2。圖8：貼裝有效工作范圍 貼裝平臺工作原理與流程： （1）貼裝平臺工作原理： 貼裝平臺融合了精密機械、視覺檢測、智能化控制、計算機數(shù)字控制等現(xiàn)代機光電一體化綜合技術，通過吸取、移位、定位、貼裝等功能，在不損傷元器件和印刷電路板的情況下，將元器件快速而準確地貼裝到印刷電路板所指定的焊盤位置上。吸取的前提條件是準確移動到器件所在的料位，貼裝則需要對元器件進行檢測并判定器件的預放置位置和角度。貼裝基本過程如圖9所示。 圖9：貼裝基本過程（2）貼裝平臺工作流程 為了較好的理解貼裝平臺的工作原理，了解該平臺的工作流程是必要的。雖然貼裝平臺有些部分還沒搭建，但本實驗平臺是依照標準貼片機的工作流程對其進行規(guī)劃的，所以在這里按一個完整貼裝平臺的工作流程進行介紹。總體上看，貼裝流程大體可分為：貼裝數(shù)據(jù)獲取階段、工藝優(yōu)化階段和自動貼裝階段。貼裝數(shù)據(jù)獲取階段主要是對所要加工的PCB板進行數(shù)據(jù)準備，如所要貼裝的點數(shù)，每個貼裝點在機器坐標系中的坐標，貼裝點上所要貼裝的元件的種類，元件的拾取位置等。在貼裝前還要進行工藝上的優(yōu)化，如貼裝順序的優(yōu)化等，以提高貼裝效率。這些準備好之后，就可以進行自動貼裝了。自動貼裝過程中的動作按先后順序依次為：利用上板機構將待貼裝的PCB板傳送定位后，通過下視相機獲取其基準點，再運動至取料點吸取元器件，通過上視相機檢測后運動至貼裝點進行貼片，PCB板貼裝完成后再由出板機構工作將其運送出貼裝平臺。 貼裝平臺的貼裝數(shù)據(jù)獲取、工藝優(yōu)化和自動貼裝整個工作流程如圖10所示。其中，初始化包括貼裝平臺各坐標軸回零、氣泵和真空泵啟動等，準備工作做完后開始進行自動貼裝。圖10：貼裝平臺流程圖 基礎平臺控制系統(tǒng)硬件組成：（1）貼裝平臺控制系統(tǒng)硬件組成： 貼裝平臺控制系統(tǒng)的硬件組成主要分為兩大部分：基礎平臺部分和貼裝頭部分，它們均有控制器及執(zhí)行部件，因此可獨立運行。基礎平臺部分由DVP20PMOOM控制的XYZ軸伺服運動機構、XYZ軸上的檢測裝置以及與DVP20PMOOM進行信息交互的觸摸屏組成；貼裝頭部分由控制器PMC20MT用于元器件位置調(diào)整的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)以及氣動控制模塊組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖11所示，下面對系統(tǒng)中的每部分進行介紹。 圖11：控制系統(tǒng)硬件組成圖（2）控制器DVP20PMOOM及模塊：圖12：臺達DVP20PMOOM 基礎平臺控制器選用臺達DVP20PMOOM型PLC，此款PLC專用于三軸運動控制。DVP20PMOOM是臺達公司開發(fā)的一款重要產(chǎn)品，與DVP20PMOOD同屬DVP20PM系列，是專用于工業(yè)自動化領域、具有數(shù)字運算操作功能的一種工業(yè)控制計算機，其硬件結(jié)構與微型計算機基本相同，如圖13所示。DVP20PMOOM交流電源輸入電壓為100V~240V，范圍寬廣。它即可