基于LabVIEW平台的SMT贴片机路径优化的说研究.pdf - 第27页
湖北工业大学硕士学位论文 首先，简要介绍一个基本的贴装工作循环，如图３．１： Ｙ Ｏ 图３．１贴装工作循环 Ｘ 一个基本的取贴循环包括取料、校正和贴放３个动作。第一，贴片头运动到 取料区点Ａ，吸嘴从Ａ点吸取元件。第二，运动到ＣＣＤ相机的位置Ｂ迸行视觉 校正以保证贴装度。第三，贴片头把元件运送到ＰＣＢ的某点Ｃ，吸嘴将相应元件 贴在电路板上，完成一次循环。之后贴片头再次运动到取料区处，进入下一轮循 环，不断往复就可最终完成整块板的贴装。 通…
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第３章贴片机路径优化的数学模型
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。所以必须对ＳＭＴ生产线进行优化，才可以实现高效生产。
一条ＳＭＴ生产线由多台设备组成，但实际上生产线的速度是由贴片机来决定
的，所以贴片机路径优化是ＳＭＴ系统优化的最主要方面。
由于贴片机贴装路径优化问题具有高维数、离散和非线性的特点ｎ引，用传统
的优化方法往往是计算量按指数方式急剧增大，例如使用穷举法在理论上可以求
出贴片机最优路径，但实际上随贴装元件数量的增加计算量呈几何级数增大ｎ¨，
或是容易陷入局部最优点，很难求得全局最优解。本章将在仔细分析贴片机贴装
工艺的基础上，归纳影响贴装效率的主要因素，对贴片机贴装路径优化问题建立
集成的数学模型，并指出合适的求解方法。
３．１贴片机贴装工艺流程
贴片机在进行元件装配时，最重要的性能参数是ＰＣＢ上元件的装配效率和装
配精度。元件的装配精度主要取决于贴片机控制系统、传动系统、视觉系统的精
度，而装配效率主要取决于贴片工艺流程的优化。即对特定的贴片机，其硬件机
构，如驱动电机、机械结构等保持不变，贴片机的工艺优化问题的目的就是在保
证ＰＣＢ上元件装配精度的条件下，尽量缩短装配时间，以提高装配效率。
贴片机从结构上主要分为拱架型、复合型、转塔型和大规模并行型。这几种
类型的贴片机在结构上差别很大，但路径的优化所采用的思想、算法等都是通用
的，本文针对拱架型贴片机路径优化的研究成果对其它类型的贴片机的贴装路径
优化也有一定的借鉴意义。如图３．１所示，拱架型贴片机的主要组成部分为：工
作台（用来固定和携带贴片头运动的拱架）、供料槽，以及用来固定装载元件的供
料器。装载元件的供料器固定在两边的供料槽上，每个供料器占据一个或多个供
料槽，每个供料器上只能装载同一种元件，小的元件装在带式供料器上，大的元
件由盘式供料器供应。贴片头固定安装在拱架上，贴片头的移动是通过拱架的移
动来实现的。元件的吸取、贴装等动作都是由装在贴片头上的吸嘴来完成。由于
本贴片机项目处于起步阶段，我们只考虑一个贴片头的情况，所以一次只可以吸
取一个元件。随着项目的深入，我们将会考虑多个贴片头的情况。
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首先，简要介绍一个基本的贴装工作循环，如图３．１：
Ｙ
Ｏ
图３．１贴装工作循环
Ｘ
一个基本的取贴循环包括取料、校正和贴放３个动作。第一，贴片头运动到
取料区点Ａ，吸嘴从Ａ点吸取元件。第二，运动到ＣＣＤ相机的位置Ｂ迸行视觉
校正以保证贴装度。第三，贴片头把元件运送到ＰＣＢ的某点Ｃ，吸嘴将相应元件
贴在电路板上，完成一次循环。之后贴片头再次运动到取料区处，进入下一轮循
环，不断往复就可最终完成整块板的贴装。
通过以上分析，可以归纳影响ＰＣＢ装配效率的主要因素有：
（１）贴片头的移动速度。贴片头的移动速度Ｖ是由编程者预先设定的，它
决定了贴片头在拾取此元件之后能以多快的速度运动。Ｖ取决于元件的大小，元
件越大，Ｖ就越低，这是为了避免真空吸嘴吸附不足导致元件飞出，或导致元件
在吸嘴上移位而造成放置位置的不精确，所以Ｖ的设定是有一定限制的。在吸嘴
拾取一个Ｖ较小的元件之后，则吸附的所有元件都会以此速度运动，即贴片头的
移动速度总是由所拾取元件中最小的Ｖ决定的。很显然对于包含多种元件的贴装
过程而言最好不要把不同Ｖ值的元件放在一起，一方面可以避免因为元件的Ｖ不
同而影响贴片头移动速度的充分利用；另一方面，对于贴片头而言，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。
（２）供料器的排放位置与数量。供料器的数量越多、排放的越分散，贴片头
在吸取元件时移动的距离也就越长，相应地贴装效率越低。因此，所有送料器要
尽可能地连续排列以减少贴片头的移动距离。供料器的排放位置与数量受ＰＣＢ上
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元件的数量、种类的影响。
（３）元件的吸取、贴装顺序。合理的吸取、贴放顺序将在很大程度上缩短贴
片头的移动距离。
（４）吸嘴成功吸取元件的概率。由于不同芯片的大小和重量不同、同一芯片
的摆放位置略有差异、取料气压发生变化、送料器上已经无料等多种复杂因素的
影响，实际吸嘴在取料时可能取不到芯片。
（５）抛料工艺。实际贴装过程除包含取料、校正和贴放工艺动作以外，还有
一个抛料工艺。在取料完成后，贴片头移动到取像点，取像点处的ＣＣＤ相机获取
实际的芯片图像进行分析。有两种可能的分析结果：一是经图像分析能够获得所
需的贴装偏移量，这表明该芯片完好，可以贴装；二是图像分析结果表明芯片有
缺陷，该芯片不能用于贴装，贴片头需要运动到指定抛料处将该芯片抛掉。
在所有影响因素中，最重要的为（１）、（２）、（３）。本文正是考虑了以上因素，
将侧重于通过调整供料器排放位置、取料顺序和贴放顺序，以优化贴装工艺流程
从而提高生产效率。
３．２问题简化
贴片机贴装工艺优化是一个极其复杂的问题，若精确考虑每一个因素的影响
将使求解非常困难，并且是没有必要的。为了简化集成优化模型，因此我们需要
做出如下假设：
（１）由于抛料率非常低（＜０．５％），所以在优化的数学模型中忽略抛料工艺。
（２）各种不同的元件没有元件等级差别。贴片机贴装的元件大多为ＣＨＩＰ元件
或ＩＣ芯片。对ＩＣ芯片（其封装形式如ＱＦＰ，ＢＧＡ等）首先要求的是贴片精度，
其次才是速度，而对ＣＨＩＰ元件的要求恰恰相反。同时在一般情况下，ＰＣＢ上ＣＨＩＰ
元件的数量要远远大于ＩＣ芯片的数量，因此在集成优化模型中可以只考虑ＣＨＩＰ
元件的贴装，而不考虑ＩＣ芯片。
（３）由于吸嘴在Ｚ轴的移动距离相对贴片头在Ｘ，Ｙ轴移动距离可以忽略不记，
所以在研究路径优化时只考虑贴片头在Ｘ，Ｙ轴的移动。
（４）贴片头的移动速度为一常数，忽略加减速对循环时间的影响。贴装循环具
有短时间、短行程、高加（减）速度及快速反复动作的特点，即在极短的时间
（Ｏ．卜０．０ｌｓ）和行程（０．卜１０ｍ）内需完成贴片头的加速起动、工作＋、减速停止
并快速反复动作，这其中还需要完成芯片的视觉校正工作。因此，可以假设在贴