本文主要講解的是提高貼片機(jī)的生產(chǎn)率方法，主要針對貼片機(jī)程序進(jìn)行優(yōu)化，對象是轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)的松下貼片機(jī)MSHG3.

 

 目前,SMT行業(yè)競爭越發(fā)激烈，要想在激烈的競爭中取勝，*重要的是使SMT貼片機(jī)等生產(chǎn)線設(shè)備發(fā)揮*大的效率，提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)量。然而，要達(dá)到這一目標(biāo)，必然會(huì)受到諸多因素的影響。所以必須要提高SMT設(shè)備的生產(chǎn)效率，才可以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

 

 本文的目的就是尋找一種系統(tǒng)的方法來解決SMT實(shí)際生產(chǎn)中碰到的具體問題。 

  

 1 SMT貼片機(jī)設(shè)備介紹     

  貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)線中*關(guān)鍵的設(shè)備，其生產(chǎn)效率的高低會(huì)制約到整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力發(fā)揮，因此提高貼片機(jī)的生產(chǎn)效率具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。本文研究的是Panasert松下貼片機(jī)MSHG3，由于后面敘述的程序優(yōu)化內(nèi)容是關(guān)于這類貼片機(jī)的，因此需要加以介紹。 

 

  松下貼片機(jī)MSHG3以貼裝片式元件為主，采用十個(gè)一組的旋轉(zhuǎn)貼片頭,同軸雙吸嘴結(jié)構(gòu),上料器平臺(tái)上可安裝*多60種元件（8mm），貼裝速度0.14s/片，可貼裝1005∽鉭電容、小型SOP等，其工作過程如圖1所示。 

  其工作過程包括以下幾步： 

  （1）PCB（印制電路板）由進(jìn)口傳送帶被裝載到X-Y工作臺(tái)上。 

  （2）視覺系統(tǒng)讀取PCB基準(zhǔn)點(diǎn)，并將PCB定位。  

  （3）上料器平臺(tái)可左右移動(dòng)到吸取元件所在的料槽位置上。

  （4）旋轉(zhuǎn)貼片頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)吸取元件。

  （5）X-Y工作臺(tái)可上下左右移動(dòng)到貼裝元件所在位置上。

  （6）旋轉(zhuǎn)貼片頭將所吸取元件放置到PCB指定貼裝位置上。  

  （7）重復(fù)1~6步驟，直至PCB上所有元件全部貼完。   

  （8）PCB由出口傳送帶卸載。 

 

 2 影響MSHG3運(yùn)動(dòng)速度的因素分析   

 

  松下貼片機(jī)公司提供一個(gè)理論速度用以綜合反映X-Y工作臺(tái)移動(dòng)速度和上料器切換速度，是機(jī)器從上料器上拾取元件并將其放置于PCB上所需的*短時(shí)間。值得注意的是，機(jī)器理論速度的得到是有嚴(yán)格條件的。以松下貼片機(jī)MSHG3為例，其條件是：當(dāng)機(jī)器連續(xù)貼裝轉(zhuǎn)塔速度均為0.14s/片的元件，X-Y工作臺(tái)的移動(dòng)距離小于25mm,上料器的切換不超過1個(gè)槽的位置。此時(shí)松下貼片機(jī)MSHG3才可以達(dá)到其理論速度——0.14s/片。 

 

  對于轉(zhuǎn)塔式片式元件貼片機(jī)松下貼片機(jī)MSHG3，拾取運(yùn)動(dòng)與貼裝運(yùn)動(dòng)的同時(shí)性和相對獨(dú)立性決定了當(dāng)考慮減少機(jī)器生產(chǎn)周期時(shí)，不能單純地將問題歸結(jié)為尋求加工路線*短或加工時(shí)間*少的問題。而貼片機(jī)各作在時(shí)間上的配合是影響機(jī)器生產(chǎn)周期的重要原因。通過對MSHG3貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)送的分析，可以歸納影響其運(yùn)動(dòng)速度的主要因素如下： 
 

  （1）每種元件在PCB上的數(shù)目及上料器臺(tái)上的排列位置。這是相互影響的兩個(gè)因素，對于那些放置數(shù)目較多的元件，顯然應(yīng)該將其放置在一起以盡量減少上料器臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)。

  （2）上料器的運(yùn)動(dòng)。由于當(dāng)上料器從一個(gè)位置切換到相鄰的位置時(shí)，上料臺(tái)仍然可以保持其*大速度運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)上料器的位置切換超過一個(gè)時(shí)，上料臺(tái)的速度將減少30%~50%，當(dāng)進(jìn)行程序優(yōu)化時(shí)，應(yīng)盡量減少上料臺(tái)在相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)供料槽之間多次往返運(yùn)動(dòng)。

  （3）轉(zhuǎn)塔的旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)塔速度（Head Speed）是由編程者在元件部品庫中設(shè)定的，它決定了轉(zhuǎn)塔在拾取此元件之后能以多快的速度運(yùn)動(dòng)。Head Speed取決于元件的大小，元件越大，Head Speed就越低，這是為了避免真空吸嘴吸附不足導(dǎo)致元件飛出，或是導(dǎo)致元件在吸嘴上移位而造成放置位置的不**，所以Head Speed的設(shè)定是有一定限制的。MSHG3的貼裝速度可分為8級(jí)，如表1所示。在轉(zhuǎn)塔拾取一個(gè)Head Speed較大的元件之后，則在此轉(zhuǎn)塔上被吸附的所有元件都會(huì)以此速度運(yùn)動(dòng)，而不管在Part Library的設(shè)定如何。轉(zhuǎn)塔速度總是由所拾取元件中*大的Head Speed決定的。很顯然對于貼裝程序而言*好不要把不同Head Speed的元件放在一起，一方面可以避免因?yàn)樵腍ead Speed的不同而影響Head Speed的充分利用。另一方面，對于轉(zhuǎn)塔而言，不斷的加速或減速也會(huì)造成生產(chǎn)周期的延長和運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。 
表1 松下貼片機(jī)MSHG3轉(zhuǎn)塔速度

  （4）X-Y工作臺(tái)的加減速形式。當(dāng)X-Y工作臺(tái)從上一個(gè)元件的位置運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)元件位置時(shí)，即使這個(gè)時(shí)間是非常短暫的，也可以將它分為靜止—加速—*大速度—減速—靜止的過程。X-Y工作臺(tái)的加速形式取決于Part Library的Head Speed的設(shè)定。對于MSHG3而言，在其Head Speed被設(shè)置較低的時(shí)候，X-Y工作臺(tái)的加速狀態(tài)就會(huì)一直保持下去而不管其后放置的元件在Part Library的設(shè)定如何。因?yàn)閷τ谳^大的或引腳很細(xì)密的IC來說，很高的加速方式會(huì)造成焊膏無法固定元件而導(dǎo)致元件位置的偏移。因此，對于Head Speed被設(shè)置較低的元件，*好將其安排于程序的后面放置，以避免元件設(shè)置的相互影響而導(dǎo)致機(jī)器生產(chǎn)周期的變長。

  （5）X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)距離。這是一個(gè)影響機(jī)器運(yùn)動(dòng)的重要因素，也是眾多優(yōu)化軟件所側(cè)重考慮的方面。 

 

  以上詳細(xì)介紹了影響MSHG3貼裝速度的主要因素，在生產(chǎn)實(shí)際中可以通過調(diào)整上料器的排列順序、元件的貼裝順序等方法進(jìn)行程序優(yōu)化以減少機(jī)器生產(chǎn)周期。作者正是考慮了以上因素，確定本系統(tǒng)程序?qū)?cè)重于通過調(diào)整上料器順序和元件貼裝順序，以優(yōu)化貼裝程序從而提高生產(chǎn)效率。

 

 3 MSHG3運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化算法 

  （1）上料器位置的確定  上料器的排放位置是影響貼裝時(shí)間的一個(gè)重要因素。對于一個(gè)給定的元件放置順序，不合理的上料器安排會(huì)出現(xiàn)真空吸嘴一直停留在吸取位置等待下一個(gè)上料器的到來。本文提供了兩種解決方法：

  方法一：元件按Head Speed的大小將上料器在上料器平臺(tái)上按降序排列，然后在對那些具有相同Head Speed的元件，按其在板上出現(xiàn)頻率的高低進(jìn)行降序排列，這樣就得到了初始化的上料器列方法。

  方法二：  

  ①按照離坐標(biāo)原點(diǎn)*近以及Head Speed*大的原則，確定放置于上料器平臺(tái)**位置的元件。  

  ②然后對該種元件運(yùn)用*短路徑方法來尋找放置的路徑；

  ③在**個(gè)上料器中的元件被放置完畢之后，在剩余元件中尋找與**位置上料器中*后放置的元件相臨*近的，并將該種元件設(shè)定放置于上料器平臺(tái)的**位置上，按步驟①方法安排該種元件的貼裝順序；

  ④依次執(zhí)行直至所有元件被放置完畢。

 

  （2）*短路徑問題  在上料器的位置確定后，假設(shè)忽略上料器切換與進(jìn)給時(shí)間對貼裝時(shí)間的影響，我們要考慮的主要因素就成了如何盡量減少X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的問題，即尋求*短路徑的問題。假設(shè)總共有n個(gè)元件被放置在PCB板上，從一個(gè)特定的起始點(diǎn)出發(fā)，如何才能尋找一條*優(yōu)的路徑，使得其能遍歷所有的元件而運(yùn)動(dòng)的總距離*短。數(shù)學(xué)描述如下：

  假設(shè){1，2，3，…，i…，n}為一系列要遍歷的點(diǎn)，其坐標(biāo)位置分別為{（X1，Y1），（X2，Y2），…，（Xi，Yi），…，（Xn，Yn）}，我們的目標(biāo)是尋求一個(gè)序列{（i1，i2，…，in）}使得： 

  1）每個(gè)點(diǎn)在序列中僅出現(xiàn)一次

  2）滿足ikik+1（1≤k≤n）兩點(diǎn)間距離*小。 

 

  這個(gè)問題實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)旅行商問題，只是不需要再回到起始位置。下面介紹一種算法：

  1）確定初始出發(fā)位置；

  2）在所有還沒有放置到PCB上的元件中，尋找一個(gè)距離上一個(gè)放置元件*近的元件，以此作為下一個(gè)要放置的元件，同時(shí)將此元件從未放置元件序列中除去；

  3）重復(fù)步驟2）直至所有元件都被放置完畢。 

 

  以上給出的僅僅是理論方法，而且其研究對象**于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，沒有考慮Head Speed以及上料器切換對于貼裝時(shí)間的影響。根據(jù)機(jī)器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，作者對該理論模型進(jìn)行補(bǔ)充，并給出2種在實(shí)踐上具有一定可行性的優(yōu)化方法。

 

  (3)優(yōu)化算法介紹

 

  優(yōu)化算法一：單上料器*短路徑法

  在這種方法中，僅考慮對一個(gè)上料器中的元件來尋求*短的路徑?；舅悸肥巧狭掀鞯奈恢冒瓷狭掀魑恢么_定的方法一排列完畢之后，首先從**個(gè)上料器中尋找與坐標(biāo)原點(diǎn)距離*近的元件作為**個(gè)要貼放的元件，然后從**個(gè)上料器開始，依次對每一個(gè)上料器運(yùn)用前述的*短路徑方法來尋找防置的路徑。在**個(gè)上料器中的元件被放置完畢之后，下一個(gè)元件將從**個(gè)上料器中拾取，并且此元件應(yīng)該是與**個(gè)上料器中*后放置的元件距離*短的，依次執(zhí)行直至所有元件被放置完畢。其算法流程如圖2所示。

按方法一編寫優(yōu)化程序比較容易實(shí)現(xiàn)，軟件維護(hù)也比較簡單，但缺點(diǎn)是未充分考慮到上料器切換和X-Y工作臺(tái)對貼裝速度的影響，為此，筆者在其基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了優(yōu)化算法二，其內(nèi)容如下： 

 

  優(yōu)化算法二：綜合法  

  1）放置元件的順序首先按Head Speed來決定，即*先放置Head Speed為0.14s/片的元件，然后按降序依次放置；

  2）按照離坐標(biāo)原點(diǎn)*近的原則，確定放置于上料器平臺(tái)**位置的元件。 

  3）然后對該種元件運(yùn)用*短路徑方法來尋找放置的路徑； 

  4）在**個(gè)上料器中的元件被放置完畢之后，在剩余元件中尋找與**位置上料器中*后放置的元件相臨*近的，并將該種元件設(shè)定放置于上料器平臺(tái)的**位置上，按步驟①方法安排該種元件的貼裝順序；

  5）依次執(zhí)行直至Head Speed為0.14s/片的所有元件被放置完畢；

  6）從Head Speed為0.18s/片的所有元件中尋找一個(gè)與上一個(gè)貼裝元件距離*短的作為下一個(gè)將要貼裝的元件，并將該種元件上料器的位置放在上一元件之后；

  7）重復(fù)3）、4）、5）、6）直至所有元件的被放置完畢。

 

  方法二是對方法一的**改進(jìn)，它充分考慮到了供料器切換和X-Y工作臺(tái)對貼裝速度的影響，筆者分別按方法一和方法二設(shè)計(jì)了兩種優(yōu)化程序，經(jīng)測試比較按方法二設(shè)計(jì)的優(yōu)化程序其優(yōu)化效率比方法一要高出5%-10%。其算法流程如圖3所示。 

 

 4 工程實(shí)際應(yīng)用

  應(yīng)用本文中介紹的方法于實(shí)際，產(chǎn)生出了良好的效果。依據(jù)上述介紹的優(yōu)化算法編寫的MSHG3優(yōu)化軟件，已經(jīng)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中，該軟件的程序界面如圖4所示。
 

該軟件采用典型windows風(fēng)格界面，操作簡單。具有對每一元件項(xiàng)進(jìn)行修改、增加、刪除、替換、瀏覽等功能，并且該軟件所處理文件數(shù)據(jù)格式與MSH-G3一致,其優(yōu)化處理后的貼裝程序可直接拿到MSH-G3上運(yùn)行,從而可以實(shí)現(xiàn)離線編程,極大提高程序編制效率及可靠性，減輕編程人員負(fù)擔(dān)。目前我們還在對該軟件功能進(jìn)行進(jìn)一步完善，如加入轉(zhuǎn)換CAD數(shù)據(jù)的功能，并增加與其他一些型號(hào)轉(zhuǎn)塔式貼片機(jī)的軟件接口（如環(huán)球HSP4796L），這樣也可以對其他設(shè)備的貼裝程序進(jìn)行優(yōu)化，將會(huì)大大增強(qiáng)該軟件的適用性。

 

 5 結(jié)束語 

  通過對貼裝程序的優(yōu)化，可以在一定程度上減少機(jī)器的生產(chǎn)周期時(shí)間，但對于生產(chǎn)效率的提高來說，這僅僅是其中的一部分，更多的時(shí)候要依靠科學(xué)的管理，優(yōu)良的操作工，良好的設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)來實(shí)現(xiàn)，這些更是應(yīng)該引起我們注意的地方。