Описание.

Оптимизация установки питания и последовательности размещения компонентов очень важна для эффективности оборудования, которое осуществляет непосредственно размещение элементов на печатной плате.
Было проведена значительная работа для решения этой роблемы. Тем не менее, технологические характеристики машины(оборудования) размещения влияет на характер планирования решаемых задач и разработку соответствующей модели. В результате проектируемые модели, которые предназначены исключительно для данной машины, её характеристик и состава, предложенные различными авторами, как правило, трудно сравнивать. Таким образом, в этой статье будет проведен обзор отношений между модели, технологиями сборки машин и эвристическими методами.
Ключевые слова: моделирование, оптимизация, компоновка, печатные платы.

1. Вступление

Когда сотни электронных компонентов различных форм и размеров, должны быть расположены в определенных местах на печатной плате (PCB), найти оптимальные маршруты движения сборочного робота является задачаей сложной и трудоемкой. В итоге, на практике трудно добиться его оптимальной работы и в срок. На практике эвристическое решение весьма рекомендуется [1]. Эвристические алгоритмы могут генерировать эффективные решения с разумным временем вычисления. Khoo and Loh ,например, разработали прототип генетического алгоритма (ГА) для повышения системы планирования для размещения поверхностного монтажа (SMD компонентов) на Fuji FCP-IV. Соавтор Crama согласен, что технологические характеристики оборудования влияет на характер некоторых из планируемых решаемых задач и разработку соответствующей модели. Договоренность относительно того, что подходящая модель должна быть разработана для данного набора характеристик машины, а также способы, предложенные различными авторами, как правило, трудно сопоставить. Таким образом, в этой статье будут обсуждаться отношения между моделями, технологиями сборки машин и эвристические методы.
Оптимизация в печатной плате включает в себя список подпроблем, требующих решения, таких, как назначение типов печатных плат для семейства продуктов , распределение компонентов машин и расположение элементов в питательных слотах, размещение компонентов в последовательности [5]. В этой работе мы ориентируемся на установку питания и секвенирования размещения компонентов для различного типа размещения машины по технологии поверхностного монтажа (SMT). Более общее описание проблем при сборке печатной платы, можно найти в [5,6].

2. Оборудование размещения

Машины размещения иногда называют "чип-шутерами (стреляющие схемами)"[3]. Есть много типов машин SMT размещения, такие, как последовательное погрузо-место, поворотные башни, одновременное погрузо-место и т.д. [4,]. Различные типы машин SMT размещения имеют различные характеристики и ограничения [3]. Таким образом, планирование производства печатных плат во многом зависит от типа размещения оборудования, которое используется. Промышленные машины-роботы размещения уже классифицированы по механической структуре, как декартовы / гантри, цилиндрические, сферические, робот для сборки (SCARA). Однако механическая структура классификации не оказывает большое влияние на природу задачи оптимизации, так как большинство машин размещения, используемых в промышленности сборки печатных плат, являются декартовыми / портальными роботы. Таким образом, в этой работе мы предлагаем пять категорий машин на основе их описания и оперативные методы. Ранее машины размещения были разделены на две категории: параллельные и последовательные по МакГиннису. [6], или фиксированные погрузо-место точки (FPP) и динамические погрузо-место точки (DPP). Тем не менее, эти две категории носят слишком общий характер, поэтому, как правило, трудно сформулировать задачи оптимизации на основе этих категорий.
Как правило, каждая машина имеет устройство подачи питания, PCB стол, голову, сопло (или захват) и инструментальный магазин. Устройство подачи питания, PCB стол и головка могут быть фиксированными или подвижными в зависимости от технических характеристик машины. В некоторых случаях устройство подачи питания разделен на отдельные банки питания, каждый из которых состоит из слотов питателя [3]. Типичное устройство питания состоит либо из нескольких барабанов лентой или вибропитателей, или вместе. Барабаны питания или вибрационные питатели расположены в устройстве питания по слотам. Питание подается согласно программе. Сопло захватывает компонент из накопителя, и затем монтирует его на печатной плате. Рука размещения, которая оснащена головкой, несет ответственность за сбор и размещение компонентов. Каждая головка может иметь более одного сопла и каждая машина может иметь более одной головки. Существуют различные типы размещения головы, такие как голова вращающейся турели, или голова - позиционирующий кронштейн [3]. PCB стол (ы) обязателен (ны) для размещения печатных плат в ходе операции размещения. Стол (ы) может быть стационарным, в виде ленточного конвейера, или таблицы XY движения. Различные размеры поверхности требуют различных размеров погрузочного сопла. Таким образом, инструментарий обязан предоставить точные размеры сопла.

2.1. Машина размещения двойной доставки

Эта машина состоит из столика платы, которая может двигаться в обоих направлениях Х и Y. Она должна быть выровнена под головку, чтобы выполнить операцию размещения; Устройство-носитель компонента поставки в состоянии двигаться только в X-направлении [11, ]. Две головы «взять-поставить» установлены на двух концах фиксированной длины стрелы, могут перемещаться между двумя фиксированными положениями в Y-направлении. Рабочее место каждой такой головки чередуется между двумя сторонами, то есть в то время как одна голова выполняет операции выбора, другая размещает элементов на плате [13]. Для этой машины, все движения в таблице печатной платы и подачи носителя заморожены во время погрузочно-разгрузочных операций. Таким образом, максимальное время, за цикл работы «руки», PCB стола и движения носителей подачи элементов будет определять время цикла. Dynapert MPS 500 [13], MCF Panaset, который оснащен 10-соплами , Fuji NP-132, которая содержит двойную башню размещения с 16 соплами на каждую голову и Siemens Siplace 80S-20 являются примерами машины размещения двойной доставки.

2.2. Машины размещения с несколькими станциями размещения.

Эта машина имеет более одного модуля размещения (или станции), каждый из которых механически идентичен, следовательно, возможно собрать электронные компоненты одновременно. Станции соединены между собой в конвейерную систему для передачи досок между станциями. Каждая станция принимает все необходимые погрузо-координатные места данных для одного машинного цикла (интервал между двумя шагами конвейера) и завершает цикл размещения последовательности элементов автономно и параллельно с другими станциями. После окончания работы всех станций, конвейер перемещается, и процедура размещения продолжается. Fuji QP-122 [3], который имеет 16 станций, каждая из которых состоит из фиксированного мульти-блока подачи и одного сопла- головки размещения, является примером машины размещения с несколькими станциями.

3. Модели и эвристические методы.

Обычно приняты четыре основных правила размещения компонента PCB:

последовательное размещение в течение минимального времени выполнения разводки
упорядочивание катушки подающего лотка, чтобы минимизировать время, необходимое на подбор элемента
размещение идентичной SMDs в одном проходе
размещение последовательности согласно размеру компонента.

Некоторые исследовательские работы обратились к проблемам установки подающего лотка и последовательности размещения вручную черех выдвижение предположений об остальной части проблемы, а некоторые предпочитают разрешить обе проблемы как интегральные решения [2]. Вопрос того, где (т.е., в каких слотах) катушки каждой машины подающего лотка нужно прикрепить устройство размещения, называется вопросом об установке подающего лотка [15], проблемой назначения подающего лотка [18], соглашением подающего компонентного лотка [4], катушкой, позиционирующей проблему [13, 22], назначением подающего лотка [24, ], размещением подающего лотка [12], или магазинным назначением [10]. В этой статье используется термин «установка подающего лотка».

3.1 Модель и эвристический алгоритм для установок двойной доставки.

Адаптивный алгоритм моделирования прожига успешно применялся Тирпаком[15] для решения задач оптимизации подачи питания, движения сопла и последовательности размещения элементов для Fuji NP-132. Каждая итерация алгоритма требует два основных этапа: генерация вариантов решения и определения, будет ли решение принято. Каждый кандидат-решение включает в себя установку сопла, настройку питания и генерирование последовательности размещения для двух головок. Нерерурсоемкий эвристический алгоритм вставки и поиска ближайшего соседа по пути размещения используются для построения последовательности размещения. Удовлетворение ограничений при эвристическом обмене применяется для генерации алгоритма работы сопла. Результаты испытания на заводе Motorola показали 3% -12% улучшение по сравнению с оригинальной фазой сборки. С подачи Grotzinger [7] и Ахмади. [11, 13], стало возможным и дальше исследовать восможности для улучшения производительности этой машины. Они определили иерархическую структуру, состоящую из трех задач оптимизации: распределения компонентов и разметки, размещения последовательности и подачи установки.

3.3. Модель и эвристические методы для машин размещения с несколькими станциями.

Csaszar с соавторами[16] провели исследования для оптимизации машины c несколькими станциями размещения, которая имеет одну головку и одно сопло в каждой станции. Система была разработана для имитации человеческих экспертов. Они разделили задачу на две подзадачи, то есть на назначение компонентов для станций, а также назадачу расположения компонентов в пределах станции для достижения максимальной пропускной способности за счет минимизации движений головки. Экспертная система делится на четыре фазы: симулятор предварительной обработки, размещения, переработки и преобразования фаз. Результаты показывают, что экспертные системы используют в среднем на 16,14% меньше ресурсов, чем программное обеспечения поставщика и улучшают пропускную способность от 13,47% до 15,95%.

Они доказывают, что с помощью функции оценки количества мест для размещения вместе со временем подбора-размещения (В оригинальной статье - pick-and-place) получаются лучшие результаты, чем при использовании только времени подбора-размещения.

4. Заключение

Наше исследование показало, что на основе спецификаций и оперативных методов, машины размещения на печатной плате могут быть разбиты на пять категорий: машины двойной доставки, мульти-станций, башенного типа, с несколькими головками и последовательного подбора-размещения. Через классификацию машин в этих категориях, в зависимости от их общих характеристик и эксплуатационных методов, мы показали связь между моделями, технологии сборки машин и эвристическими методами. Большинство исследователей подчеркивают, что способы оптимизации хода движущихся частей размещения очень важны. [7, 19, 31]. В настоящее время существует несколько работ, которые рассматривают модели DPP в подборе-размещении. Интересные результаты были получены путем применения модели DPP к последовательному размещению, и подтвердилось, что DPP модель превосходит подбор-размещение по FPP модели. Таким образом, применение этой модели к другим типам машин размещения компонентов на печатной плате в будущем может дать хорошие результаты.