（机械电子工程专业论文）动臂式贴片机的数据驱动与路径优化.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 贴片机作为表面贴装生产线上最核心的设备，其效率高低对整条生产线有决定性 影响。在p c b 板批量贴装前必须进行试贴，但由于试贴成本高，时间长，效率低，其 一直影响着贴片机生产效率的提高。随着计算机仿真技术的发展，贴片机贴装过程的 可视化仿真成为解决贴片机生产效率低的有效途径。 本文以y a m a h ay v1 0 0 型贴片机为蓝本，首先，对动臂式贴片机的机械结构和 贴装工艺流程进行研究分析，在此基础上运用a u t o c a d 软件建立了贴片机的3 d 仿真 模型，并将模型导入3 d m a x 软件进行渲染，生成包含模型几何、纹理、材质等信息的 3 d s 文件。其次，在v c + + 平台下编写应用程序，对o p e n g l 进行初始化，给出了v c + + 读入并输出3 d s 文件的具体方法，搭建了可视化仿真的窗口界面，完成了贴装路径仿 真的相关参数设置与贴片数据的导入。最后，运用o p e n g l 函数控制模型运动，并利 用双缓存技术生成实时的仿真动画，在计算机上建立了一台可以数据驱动的贴片机虚 拟机。 本文同时运用s q ls e r v e r2 0 0 0 软件建立了贴片元件数据库与贴装路径仿真数据 库，采用a d o 方式查询与读入数据，实现了对贴片机模型的数据驱动，提高了贴片机 可视化仿真的交互性。添加了w i n d o w s 鼠标响应函数，使用户能够全方位，多角度的 观察整个贴装过程。并结合蚁群算法思想，将贴装路径优化问题转化为t s p 问题，并 建立了贴片机贴装路径优化的数学模型，给出了蚂蚁算法的具体实现步骤。 本文对动臂式贴片机的可视化仿真做了一些有益的尝试，为解决贴片机试贴效率 低的问题提供了一种可行的方法，具有一定的理论与实践意义。 关键字：贴片机；o p e n g l ；数据驱动；路径优化；蚁群算法 a b s t r a c t t h es u r f a c em o u n t i n gm a c h i n ei st h em o s ti m p o r t a n tm a c h i n eo nap r o d u c t i o nl i n e ，i t 7 s e 硒c i e n c vh 硒ad e c i s i v ei m p a c to nt h ew h o l el i n e b e f o r et h ep r o d u c t i o no f ap c bb o a r d ，t h e t e s to fm o u n t i n gp a s t em u s tb ed o n e t h e s u r f a c em o u n t i n gm a c h i n ei si n e f f i c i e n c yb e c a u s e t h et e s to fm o u n t i n gp a s t el a s tl o n ga n dc o s th i g h w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ep l a c e m e n tp r o c e s sv i s u a l s i m u l a t i o no ft h es u r f a c em o u n t i n g m a c h i n eo f f e r sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m i n = h i sp a p e r ，t h ey a m a h ay v10 0 t y p es u r f a c em o u n t i n gm a c h i n e i sr e s e a r c h e d f i r s t t h em e c h 撕c a ls t r u c t u r ea n dp l a c e m e n tp r o c e s so ft h em a c h i n ei sa n a l y s e d ，a st h e b a s i s t h e nt h es o f t w a r eo fa u t o c a di su s e dt oc r e a t e3 ds i m u l a t i o n m o d e lo ft h es u r f a c e m o u n t i n gm a c h i n ea n di n p u t t h em o d e l si n t o3 d m a xs o f t w a r et og e n e r a t et h e3 d s f i l e s t h i r d w r i t ea p p l i c a t i o n sf o ro p e n g l i n i t i a l i z a t i o ni nt h ev c + + p l a t f o r m t h em e t h o d o fh o wt oi n p u ta n do u t o p u t3 d sf i l e si sg i v e nt o o aw i n d o wi n t e r f a c ei sb u i l tt os e ta n d i m p o r tt h ep a r a m e t e r s ，w h i c ha r eu s e di nt h ev i s u a ls i m u l a t i o no f p l a c e m e n tp r o c e s so ft h e s u 恤c em o u n t i n gm a c h i n e f i n a l l y , u s et h eo p e n g lf u n c t i o nt oc o n t r o lt h em o v e m e n t o f t 1 1 e3 dm o d e l s a n du s ed o u b l e b u f f e r i n gt e c h n o l o g yt og e n e r a t e r e a l 。t i m es i m u l a t i o n i i v e l y s oad a t a d r i v e nv i r t u a ls u r f a c em o u n t i n gm a c h i n ei ss e tu pi nt h ec o m p u t e r t oa c h i e v et h eg o a lo fd a t a - d r i v e n , ac o m p o n e n td a t a b a s ea n dam o u n tp a t hd a t a b a s e a r eb u i l ti nt h es q l s e r v e r2 0 0 0s o f t w a r e ，a n d ，u s et h ea d om o d et oq u e r ya n dr e a dt h e d a t a b a s e t bi n t e r a c tw i t ht h eu s e r s ，t h ew i n d o w sm o u s er e s p o n s ef u n c t i o n i sa d d e d ，a l l o w i n g t h eu s e r st oo b s e r v et h ep l a c e m e n tp r o c e s sc o m p r e h e n s i v e l y a n dm u l t i 。a n g l e l y t h e n c o m b i n et ot h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m ，t u r n i n gt h em o u n t i n gp a t hp r o b l e mi n t ot h et s pp a t h o p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea n ta l g o r i t h mi sb e e ne s t a b l i s h m e n t a n dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o ns t e p si sg i v e n t h ev i s u a ls i m u l a t i o no fa r m - t y p es u r f a c em o u n t i n gm a c h i n ei nt h i sp a p e rm a d es o m e 璐e 似a t t e m p t st os o l v et h ep r o b l e mo fl o we f f i c i e n c yi nt h em o u n t i n gp a s t e i tp r o v i d e sa f e a s i b l ew a y ，h a ss o m et h e o r e t i c a l 觚p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s s u r f a c em o u n t i n gm a c h i n e ；o p e n g l ；d a t a - d d v e n ；r o u t eo p t i m i z a t i o n ；a n t c o l o n y a l g o r i t h m ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 论文的研究背景与意义 随着电子制造业的迅猛发展，电子产品的更新速度日益加快，同时向着微型化、 薄型化、多功能化与数字化发展【l j 。作为电子产品的主要部件，电子元器件为了满 足与适应电子产品的整机生产及表面贴装的需要，也向着片式化、小型化、编带化 发展。传统的人工插件组装方式，由于其装配成本高、体积大、可靠性差等原因已 无法满足电子产品生产的需要。表面贴装技术( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ， s m t ) 在此背景下应运而生，并迅速成为促进当今电子产品快速更新换代的主流技 术。 我国s m t 技术的应用起步于2 0 世纪8 0 年代初期，最初从美、日等国引进了成 套的s m t 生产线用于彩电主板的生产。9 0 年代初录像机生产线的引进掀起了另一次 s m t 引进高潮1 2 j 。进入2 1 世纪，我国加快了s m t 生产设备的引进步伐。根据2 0 0 0 年我国海关公布的贴片机设备引进数据，当年引进的贴片机数量多达1 3 7 0 台，而 且之后每年的引进数量增长率均超过5 0 ，2 0 0 5 年的引进数量达8 9 9 2 台，我国贴 片机的整机保有量预计超过3 0 0 0 0 台，而表面贴装生产线的数量也达到1 5 0 0 0 条以 上。我国已成为全球最大、最重要的s m t 市场。中国生产的空调、冰箱、交换机、 彩电、组合音响、手机、电脑等产品的产量已位稳居世界第一，我国作为世界上最 重要的电子信息产品制造基的地位短期内不会改变。同时随着表面贴装技术在网络 通信、计算机、消费电子与汽车电子等相关产品中的广泛应用，我国的s m t 产业必 将迎来发展历史上的黄金时期【j 。 贴片机又称“表面贴片系统 i l j ，它是通过可以精确控制和移动的贴片头把表 面贴装元件( s u r f a c em o u n t e dd e v i c e s ，s m d ) 准确地放置到经过印刷的焊膏或经过 点胶的印刷电路板的焊盘上。贴片机技术已成为表面贴装技术的支柱和深入发展的 重要标志，贴片机也是整个s m t 生产线上最关键、最复杂的设备。s m t 生产线在各 种数控设备( 如丝印机、贴片机、波峰焊等) 上完成印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，p c b ) 的生产装配过程。每块p c b 电路板在批量生产之前，制造工程师先必 须对数控设备编程并反复试验，以确保机器程序的可行性与正确性，然后进行试生 产，并反复修改直至没有任何错误，最后再投入实际批量生产。整个过程的准备时 间很长，且投入的资金量大。贴片机编程是整个s m t 生产线设备中最复杂的一个环 节，同时由于贴片机的价格昂贵，一旦编制的程序有错误，很容易造成贴片机的损 坏，影响整条s m t 生产线的运行。现实生产中虚拟制造思想已经相当普遍，利用计 算机仿真技术，在计算机上设计一台虚拟样机来仿真模拟贴片机程序的整个贴装过 程，可以免去为了验证贴装程序的正误，得到更好的贴装序列而进行试贴等阐释的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 额外开销，进而可以制定更好的生产计划， 生产成本具有特别重要的意义。 1 2 国内外研究现状 这对于提高p c b 贴装的生产效率，降低 1 2 1 贴片机研究发展概况 国外的贴片机研发技术一直走在世界前列，比如日本的雅马哈、富士，德国的 西门子，美国的环球，韩国的三星等都己开发出非常成熟的产品系列。美国作为世 界上最早应用s m t 技术的国家，一直十分重视在投资类电子产品与军事装备领域发 挥s m t 高密度组装与高可靠性方面的优势。日本在上世纪七十年代从美国引进s m t 技术并将它应用在消费类电子产品领域，同时投入巨资加强基础材料、技术创新 与推广应用方面的研究工作，并从八十年代后期开始，加快了s m t 技术在电子生产 设备领域的推广应用，仅用几年时间使s m t 技术在计算机与通信设备中的应用量 增长了3 0 ，并逐步超越了美国，在s m t 应用方面处于国际领先地位。 由于国内企业的贴片机产品在控制精度、技术水平、智能化水平与安全性能等 方面与国外高端产品有着较大差距，因此国内对贴片机的需求主要通过进口满足。 但我国在引进贴片机的同时，也在不断地进行研究开发工作。贴片机研制曾是我国 “八五、“九五 、“十五 国家科技计划中电子装备制造业类别的重点开发项目之 一【4 5 1 。二十多年来，国内的一些大学、研究所、工厂都开展了表面贴装生产线上各 种自动化设备( 包括丝印机、焊接机、贴片机等) 的研制工作。工业电子部二所的贴 片机研发工作从1 9 8 7 年第一条彩电生产线被引进时就开始了，之后进行贴片机研 发的单位陆续有电子部4 5 0 6 厂、电子部5 6 所，广州机床研究所、航天部二院等， 并取得了丰厚的科研成果。虽然这些研究成果并没有实现产业化，但为后来者积累 了宝贵的经验1 6 j 。 国内的各高等院校也一直在进行贴片机领域的研究开发工作，如哈尔滨工程大 学的贾春艳、谭定忠等对贴片的结构进行了系统剖析：中北大学的贾震雷、刘广璞 等进行了贴片机运动控制系统的研究：苏州大学的叶昕、张茂青等研制了贴片机吸 片状态下的视觉检测与纠偏系统。然而对于贴片机的虚拟制造系统的研制在国内却 寥寥无几，可以说贴片机的虚拟制造系统还处于研究的起步阶段。 1 2 2 虚拟制造研究概况 虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，t ) 是8 0 年代后期提出 并在工业制造领域得到快速发展的新思想【”。虚拟制造技术以虚拟现实与计算机仿 真技术为基础，产品整个生命周期的设计、修改、加工、装配、检测都在计算机上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 进行统一建模、模拟与仿真。利用虚拟制造系统在产品的设计修改阶段就可以模拟 出产品，同时显示其性能与制造工艺过程，这样就可以提前优化产品的质量与制造 工艺，加强生产管理与资源规划，在信息技术与制造工程之间构架起一座桥梁，达 到产品设计质量的最优化、产品开发周期与开发成本的最小化、生产效率的最高化， 从而提高企业在市场中的竞争优势【7 1 。 虚拟制造涉及到多种学科领域，是各个领域知识的集成应用与综合。其中最核 心、最关键的技术是计算机仿真、建模与优化技术。其实虚拟制造就是对生产制造 过程中的各个环节，从产品的设计到加工装配，甚至企业日常的生产、组织、管理、 调度进行统一的建模，形成一个可以模拟现实并能独立运行的虚拟制造环境。虚拟 制造以软件技术作为支撑，同时借助高性能的硬件设备，在计算机的局域或者广域 网络上，制作生成数字化的产品，实现产品的设计、性能的分析、工艺过程的选择、 整机的制造加工装配与质量检验。虚拟制造系统是数字化的广义制造系统，其所谓 “虚拟，是对于现实生活中的实际产品的生产制造系统而言的，它强调的是在计 算机虚拟环境中模拟生产制造过程【舯】。 虚拟制造在发达国家，如美国、德国、日本等已经得到了广泛的研究和应用。 在这一领域，美国处于研究的前沿，如美国的s a n d i a 国家实验室、国家标准和技 术研究所以及美国各个高校和企业联合成立的研究中心，目前都在进行虚拟制造技 术领域的各个方面的研究开发工作，近几十年以来，取得了丰厚的研究成果。其中 最典型的例子是波音7 7 7 客机，它的整机设计、各个部件的测试以及各种环境下的 模拟试飞过程都是在计算机虚拟环境中完成的。、 在我国，开展了虚拟制造技术领域的研究开发工作的科研教学单位有清华大 学、浙江大学、上海交通大学等，也取得了相当丰富的研究成果。目前我国虚拟制 造技术应用的重点方向是基于我国的国情，进行工业产品的虚拟设计、加工工艺过 程仿真以及产品的装配仿真，目的是为了研究如何生成具有较高可信度的虚拟样 机，实现在产品设计阶段就能够预测所设计产品的性能与可制造性【1 0 1 。虚拟制造也 主要运用于对产品的性能要求有较高科学技术含量的行业中，比如精密机床、军事、 航空航天、微电子等领域。 1 2 3 蚁群算法的发展应用 蚁群算法是一种分布式智能模拟算法，基本思想是模仿蚂蚁依赖信息素进行通 信而显示出的社会行为。蚁群中的蚂蚁以“信息素 ( p h e r o m o n e ) 为媒介，间接异 步地相互联系【l ，这是蚁群优化算法的最大的特点。蚂蚁在寻找食物或寻找回巢路 径的过程中，会在它们所经过的路径上留下某些化学物质，我们称这些化学物质为 “信息素 。同一蚁群中之后经过该路径的蚂蚁能够感受到信息素，并将其作为信 号以影响后者的路径选择。具体表现为，后到的蚂蚁在选择路径时，选择有信息素 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的路径的可能性比没有信息素的路径的可能性高很多。而后到者又将留下新的信息 素并对原有的信息素量进行加强，并如此循环下去。因此，路径上经过的蚂蚁越多， 后到的蚂蚁选择这条路径的可能性也就越大。所以，在一定的时间范围内越短的路 径将被越多的蚂蚁所访问，并因此积累越多的信息素，同时在下一个时间范围内被 其他的蚂蚁选中的概率也就越大，而且这个过程将一直持续进行下去，直到所有的 蚂蚁都选择最短的那一条路径为止。 蚁群算法是在2 0 世纪9 0 年代初由意大利的学者d o r i g o 与m a n i e z z o 依照蚂蚁 觅食的行为模式设计的群体智能算法【1 2 】。并在随后几年中，d o r i g o 等人从两方面对 蚂蚁系统( a n ts y s t e m ，a s ) 进行了拓展，一方面将蚂蚁系统不断地应用到解决各 种具体问题中去；另一方面针对蚂蚁系统中存在的问题进行改进，提出新的算法模 型。其中德国学者t h o m a s t u z l e 和h o l e r h o o s 提出了一种改进算法，最大一最小蚂 蚁系统( m a x m i na n ts y s t e m ，m m a s ) ，在解决t s p ，q a p 等问题时结果要优于传统类 的蚁群算法，并能够克服蚂蚁算法存在的收敛慢、容易出现停滞现象、算法运行时 间长等缺点。在遗传算法的启发下意大利学者f a b i o ，a b b a t t i s t a 等人提出了蚁群 算法和遗传算法相结合的混合优化算法【l3 l 。随着蚂蚁算法逐渐被国内学者了解与应 用，国内学者也提出了一些蚁群算法的改进算法，其中有代表性的主要有：吴庆洪 等人提出的具有变异特征的蚁群算法m r s ( m u t a t i o na n ts y s t e m ) 1 s - 2 0 ，陈烨提出的 带杂交算子的蚁群算法c a c s ( c r o s s e da n tc o l o n ys y s t e m ) 2 1 倒，郝晋等人提出的 具有扰动特性的蚁群算法s d a s ( s t o c h a s t i cd i s t u r b e da n ts y s t e m ) 【2 呲3 1 ，王颖等 人提出的自适应蚁群算法a a s ( a d a p t i v ea n ts y s t e m ) 2 4 】。 蚁群算法是继模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法、人工神经网络算法等 启发式搜索算法之后的一种新型的基于种群的启发式仿生类进化算法【14 1 。虽然蚁群 算法严格而系统的理论基础还尚未奠定，且国内外有关的研究也仍停留在对其的实 验探索阶段，可是从当前应用的效果来看，蚁群算法这种模仿大自然生物习性的启 发式寻优思想必定具有光明的实际应用前景。社会系统的复杂性使得实际生活中的 许多问题都需要运用组合优化的思想来解决，例如：t s p 中所走城市的顺序安排问 题，物流配送系统中怎样确定需求点同中心仓库之间的位置关系等。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文以动臂式贴片机为研究对象，运用虚拟制造的思想，以v c + + 为开发平台， a u t o c a d 与3 d m a x 为建模工具，利用o p e n g l 结合s q l 数据库对模型进行控制，建立 一台可数据驱动的虚拟贴片机，同时利用蚁群算法对贴片路径进行仿真优化，实现 p c b 板元件贴装的虚拟制造，免去了为得到更好的贴装序列而产生的试贴片等额外 开销，缩短了贴片机编程的时间，提高了贴片机编程的效率和准确度，降低了贴片 机编程的成本，进而帮助企业制定更好的生产计划。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 研究内容包括： 1 ) 根据目前国内贴片机研制的实际情况，从贴片的效率、精度和可靠性等 方面进行综合研究，同时对动臂式贴片机的贴装路径进行理论分析。 2 ) 研究贴片机在虚拟制造中智能机械贴片臂运动的数据驱动控制机理，确 定运动控制相关函数、贴片机x 、y 、z 轴的运动参数及相互联系。 3 ) 利用蚁群算法实现贴片机贴装路径的优化，并反馈到虚拟制造的数据驱 动过程中，同时对用户的贴装路径数据库进行更新。 2 拟解决的关键问题包括： 1 ) 对贴片机模型的结构和运动过程进行分析研究，建立动臂式贴片三维仿 真模型，生成并分析3 d s 文件。 2 ) 给出利用o p e n g l 调用并控制3 d s 文件中模型信息的具体方法，并运用 o p e n g l 双缓存动画功能实现对贴片机贴装路径的虚拟制造仿真。 3 ) 利用v c + + 平台搭建贴片机虚拟制造的仿真窗口界面，编写软件相关操作 步骤以及贴装仿真相关参数的设置与贴片数据的导入。 4 ) 运用s q ls e r v e r2 0 0 0 建立贴片元件模型数据库与用户贴装路径程序库， 实现对动臂式贴片机模型的数据驱动，达到与用户交互的效果。 5 ) 根据蚁群算法思想，对贴装路径进行优化，找出最短的贴装路径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章贴片机结构与工艺流程 2 1 表面贴装技术 2 1 1 表面贴装技术的发展 从无线电发明开始，电子组装技术就伴随着诞生了，从电子管时期的手工焊接 到晶体管时代的波峰焊，再到今天的表面贴装技术，表面组装技术无疑已成为电子 制造产业迅速壮大的中流砥柱，尽管表面组装技术从产生到现在，只有短短4 0 多 年的历史，但自从这项技术问世后，便显示出了其强大的生命力，特别是最近十年， 它的发展可谓突飞猛进【l 】。表面组装技的广泛应用极大地促进了现代电子产品的微 型化、多功能化与可靠性的提高，将电子产品的整体水平提高了一个台阶。 表面贴装技术是将s m d ( s u r f a c em o u n t e dd e v ic e s 表面贴装元器件) 贴、焊到 印制电路板表面规定位置上的新一代组装技术，省去了印制电路板需要钻孔的麻 烦。具体而言，就是先在印制电路板的焊盘上涂锡膏，再将s m d 元件准确的放置在 涂有焊膏的焊盘上，接着通过加热印制电路板直到焊锡膏熔化，最后经过冷却实现 元器件同印制电路之间的连接。进入二十世纪七十年代，以发展消费类电子产品著 称的日本敏锐地发现了表面贴装技术的优越性，将其在电子行业中推广应用，并迅 速推出s m t 专用焊膏及专用设备( 丝印机，贴片机、回流焊炉) 以及各种片式元器 件，极大地丰富了s m t 的内涵，也为s m t 的发展奠定了基础【2 1 。2 0 世纪八十年代， s m t 技术日趋完善，同时用于表面贴装技术的元器件也大量增加，价格大幅下降， 各种技术性能好、价格低的表面贴装设备纷纷上世。 由于s m t 技术组装的电子产品具有性能好、体积小、价位低、功能全的综合优 势，因此s m t 作为新一代电子组装技术被推广并应用到各个领域电子产品的组装 中。2 0 世纪九十年代，表面组装技术的相关产业发生了前所未有的变化，片式阻容 的尺寸由最初的3 2 r a mx 1 6 m mx 1 2 m m 发展到现在的0 6 m m 0 3 m mx0 3 m m ，体 积也从最初的6 1 4 m m 3 发展到现在的0 0 1 4 m m 3 ，其体积缩小到原来的0 8 8 。用 于s m t 生产的主要设备贴片机也从早期的速度低( 1 秒片) 、机械对中，发 展为速度快( 0 0 6 秒片) 、光学对中，并向着多功能、柔性连接、模块化方向发 展。回流焊炉也由最初的热板式加热发展为氮气热风与红外式加热，能适应通孔 元件再流焊且带有局部强制冷却的回流焊炉也已经实用化，且回流焊的不良焊点率 已下降到百万分之十以下，几乎接近无缺陷焊接【1 5 】。现在表面贴装技术已经在电子 工业范围内被广泛使用，并被称为“第三次技术革命 。 2 1 2 表面贴装技术的优势 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 、组装密度高 传统通孔安装技术，其网格安装的最小值为2 5 4 m m ，而表面贴装技术的最小网 格已经由1 2 7 m m 发展到了目前的0 6 3 m m ，有的甚至达到了0 1 m m ，因此表面贴装 技术贴装相同数量元件时，其所占面积与重量都远远低于通孔安装技术，电子产品 的体积缩小6 0 ，重量减轻7 5 。比如一块6 4 引脚的用于传统通孔安装的d i p 集 成块，其组装面积为2 5 m m 7 5 m m ，但同样引脚，采用引线的间距为o 6 3 m m 的方 形扁平封装用于表面贴装的集成块( q f p ) ，其组装面积仅为1 2 m m x l 2 m m 。 2 、可靠性高 一般情况下表面贴装不良焊点的概率小于百万分之十，比通孔插装元件使用波 峰焊焊接的低一个数量级。使用表面贴装生产的电子产品的平均无故障时间为2 5 万小时，远远高于通孔插装工艺生产的产品，这和片式元器件的本身小而轻，具有 较强抗震能力与较高可靠性是分不开的。目前电子产品采用表面贴装工艺的比例超 过9 0 。 3 、高频特性好 一般片式元器件为无引线或者短引线，贴装牢固后受寄生电感与寄生电容影响 低，从而提高了整体电路的高频特性；采用s m c 或s m d 设计的电路最高频率达3 g h z ， 但采用通孔插装元件则仅为5 0 0 m h z ；采用表面贴装技术还可以缩短传输延迟的时 间，可用于时钟频率为1 6 1 v l h z 以上的电路，如果采用多芯片模块m c m 技术，计算 机工作站的高端时钟频率可达1 0 0 m h z ；同时由寄生电抗引起的附加功耗能够降低 2 至3 倍。 4 、降低成本 印制电路板使用面积一般为采用通孔技术面积的1 1 2 ，如果采用c s p 安装， 其面积还可以大幅度下降；且印制板上钻孔数量减少，贴装准确率高节约了返修费 用：频率特性提高，减少了电路调试费用；片式元器件的体积小、质量轻，减少 了包装、运输与储存的费用；片式元件发展快，成本下降快，一个片式电阻与通孔 电阻价格相当。 5 、便于自动化生产 由于没有足够的空间间隙与容易碰坏元件等原因，传统穿孔安装印制板想要实 现完全自动化，必须要扩大4 0 的原印制电路板面积，才能用自动插件的插装头 将元件插入：但自动贴片机采用真空方式吸放元件，真空吸嘴大小远小于元件外形， 可提高贴装密度。事实上小电阻、电容等小元件以及间距较窄的q f p 器件均已采 用自动贴片机进行生产，并且已经实现了全线自动化生产。 2 2 贴片机功能与分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 贴片机作为s m t 中的关键设备之，在当代电子工业中，几乎成了印刷电路 板制造过程中必不可少的设备。假如用一句话来概括的话，贴片机的主要功能就 是将表面贴装电子元器件快速准确的贴放到p c b 板上对应的焊盘上。这里的电子 元器件主要包括各种封装形式的集成电路，如p 、b g a 、p l c c 等，以及c h i p 元件如图2 - 1 所示。 6 ) ：妒 令j 分i 9 ： 图2 - 1 各类型元件 不同的贴片机所能贴装的元件范围也不同，如有的就不能贴b g a ，有的就不 能贴装很小的c h i p 元件。这里的快速准确实际上包含了贴片机的两大技术指标： 速度与精度。通常贴片机的速度是以每小时最多可贴的元件数( c p h ：c o m p o n e n t p e rh o u r ) 来衡量的，不同档次和结构的贴片机其速度相差很大。 目前贴片机大致可分为四种类型：动臂式、复合式、转塔式与大型平行系统。 不同类型的贴片机各有优劣，通常取决于工艺对贴片机系统的要求，同时在其速度 与精度之间也存在着一定的平衡。 动臂式贴片机具有较高的灵活性与精度，并适用于绝大部分元件，高精度贴片 机一般都是这种类型，但是其速度还是无法同复合式、转塔式与大型平行系统相 比。不过由于元件排列越来越集中在有源部件上，比如有引线的q f p 与b g a 阵列 元件，安装精度的高低对产量有着至关重要的作用。但复合式、转塔式与大型平行 系统一般不适用于这种类型的元件安装。动臂式贴片机又分为单臂式与多臂式， 单臂式是最先发展起来的且现在仍然在使用的多功能贴片机。多臂式是在单臂式 的基础上发展而来的，它可以将工作效率成倍提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 砧爱头在x 方向l 埘 f , 4 - - - + i 。l i 圈定的p c b 顿 i + 图2 2 动臂式贴片机结构图图2 3 复合式贴片机结构图 辩器 图2 4 转塔式贴片机结构图图2 - 5 大型平行系统贴片机 2 3 动臂式贴片机结构特性 目前，世界上生产贴片机的厂家有几十家，贴片机的型号更是多达几百种，本 文以y a m a h ay v l 0 0 型号的贴片机为研究对象，如图2 - 6 所示。 罗 ， 图2 - 6y a m a h ay v l 0 0 型贴片机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 该机型特点： ( 1 ) 通过使用4 吸嘴同时识别的激光校准传感器，能实现高速贴片。自动吸嘴 转换功能，在贴片头移动过程中自动更换吸嘴，无需增加额外时间，并且在一个拾 放( p i c k p l a c e ) 过程中能够同时吸取多个元件，降低贴装臂往复运动的次数， 进而提高贴片机工作效率。 ( 2 ) 各吸嘴轴的上下移动与旋转动作由独立的伺服马达控制。 ( 3 ) 元件识别摄像机通过图案识别功能，能提高对基板标记的识别能力，通 过区域基准标记识别功能，可对一组标记进行多个元件的贴片。 ( 4 ) 通过基板支持部分的马达驱动化，有效防止了释放基板时的震动及贴片 后元件的偏移，同时减少了夹紧、释放所需的时间。 其内部的结构如图2 7 所示 卜- 一 口口 c j 譬7 一一 1 口o _ _ _ ， ，一。又一，、一， 图2 7 贴片机内部结构 贴片机的内部结构可分为：动臂、p c b 传送机构、摄像头定位系统、贴片头、送 料器、传感器和计算机控制系统。 动臂：是贴片机最重要的部分，贴片头固定在动臂上随其一起运动。所有的吸 取、贴片的动作均由固定在动臂上的贴片头上装载的吸嘴完成。动臂在p c b 上方移 动，且可以同时横向和纵向移动。安装在动臂上的x 、y 定位系统是贴片机的关键 机构，也是评价贴片机精度的主要指标，它包括x 、y 传动机构和x 、y 伺服系统。 贴片头安装在x 导轨上，x 导轨沿y 方向运动从而实现在x - y 方向贴片的全过程。 贴片头：贴片头用来安装吸嘴，每个贴片头上都装有一个吸嘴，元器件的吸取 和贴放都必须借助吸嘴完成。贴片头是贴片机上的关键部件，它吸取元件后能在校 正系统的控制下自动校正位置，并将元件准确的贴放到指定的位置上。贴片头的 发展是贴片机进步的标志，贴片头已经由早期的单头、机械对中发展到现在的多 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 头光学对中。贴片头基本可以分为三类( 1 ) 组合式贴片头：每小时可以贴放9 6 万 个片式元件，其特点是贴片精度高，故障率小，噪音低。( 2 ) 固定单头：由吸嘴、 定位爪、定位台和z 轴、e 角运动系统组成，并固定在x 、y 传动机构上，贴片速 度很慢，通常贴放一只片式元件需1 秒。( 3 ) 固定式多头：在原单头的基础上进行 了改进，即由单头增加到了3 - 6 个贴片头，目前贴片速度己达3 万个元件d , 时的 水准。( 4 ) 旋转式多头：高速贴片机多采用旋转式多头结构，目前这种方式的贴片 速度已达到4 5 5 万只小时。 随着贴片头由机械式改为吸嘴式，其吸嘴的技术要求也相应提高。吸嘴分很多 种类，具体安装什么类型的吸嘴要根据p c b 上用到的元器件的类型而定，因为每种 元器件都必须用某种特定的吸嘴来吸取，每种吸嘴可以吸一种或几种不同类型的元 器件。不同类型的吸嘴如图2 - 8 所示。 始蛳如每 图2 - 8 各种类型的吸嘴 送料器( f e e d e r ) ：是盛放各种元器件的装置，一般摆放在贴片机两旁平行的槽 里面，不同型号的贴片机其送料器的数量有一定差别。根据元器件的包装，喂料器 通常有带状、管状、盘状和散料等几种：( 1 ) 带状喂料器( t a p e ) ：带状包装的元器 件在贴片生产中占有较大的比例，由带盘与编带组成类似电影拷贝，主要用于电阻、 各种电容以及各种s o i c 的封装。( 2 ) 管装喂料器( s t i c k ) ：功能是把管子内的器件 按顺序送到吸片位置供贴片头吸取，具有轻便、价廉的优点。( 3 ) 盘装喂料器 ( w a f f l e ) ：主要用于q f p 等器件，由于这类器件引脚精细极易碰伤，故采用上下托 盘，将器件的本体夹紧并保证左右不能移动，便于运输和贴装。( 4 ) 散装仓储式喂 料器：适合于矩形和圆形片式元件，但不适用于极性器件。目前最小单元尺寸己做 到1 0 m m 0 5 m m ，是近几年出现的新型喂料器。 由于每种电子产品需贴装的元件越来越多，因此要求贴片机能够装载更多的送 料器，通常以能装载8 m m 送料器的数量作为贴片送料器的装载数。大部分贴片机 啁lr卜陵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 是将送料器直接安装在机架上，有时为了提高贴片能力，减少换料时间，特别是 在产品更新时通常需要重新布置送料器位置，因此大型高速贴片机会采用双组合式 送料器，真正做到不停机换料，最多可以放置1 2 0 2 个送料器。在某些中速机中， 则采取推车一体式料架，换料时可方便的将整个送料器同主机脱离，从而实现送 料器得整体更换，缩短装卸料架的时间。 在p c b 板上贴装的元器件要进行分类，例如电阻，电容等，即使都是电阻，阻 值不同也属于不同种类，每一种元器件用一个送料器来盛放，占用一个或多个位号 ( 一个位号为8 r a m ) ，一种元器件只能占用一个位置。 视觉摄像头：分为移动摄像头与对中摄像头两类。移动摄像头主要用于随时定 位p c b 的基准标志( m a r k ) 。p c b 板的m a r k 点是用来修正p c b 加工误差的。在进 行元件贴装前要给p c b 板m a r k 点照一个标准图像存入图像库中，并将m a r k 点的坐 标录入贴片程序中。每上一块p c b 板在进行贴片前，先要照m a r k 点，与图像库中 的标准图像比较，查看m a r k 点图像是否正确。如果图像不正确，贴片机则认为p c b 板的型号错误就会报警；如果图像正确但m a r k 点的中心坐标与标准图像的坐标有 偏移，贴装时贴片机会自动根据偏移量( 见图2 - 9 中x 、y ) 修正贴装元器件的 贴装位置，以保证精确地贴装元器件。对中摄像头主要是在贴装循环时，贴片头根 据元器件的不同类型，选择不同的对中摄像头，对元件信息进行视觉检测，判断元 件的好坏，确定中心偏移距离以及旋转角度。 x j i 一，一 ) 一一一 、 图2 - 9 x 与y 偏移值示意图 2 4 动臂式贴片机工艺流程 贴片机作为一种精密的工业机器人是机、电、光以及计算机控制技术的综合体。 它通过吸取、位移、定位、放置等一系列动作，在不损伤电子元件和p c b 电路板的 情况下，实现了将表面贴装元件快速而准确地贴装到p c b 板所指定的焊盘位置上。 在计算机操作系统的控制下，贴片头根据贴片机程序中元件的封装类型、编号等参 数，到相应的位置换取吸嘴后吸取元件；视觉摄像头依照视觉处理程序对吸取的元 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 件进行检测、识别和对中；完成后贴片头就将元件贴装到p c b 板的准确位置上。这 一系列元件拾取、识别、对中、检测与贴装的动作都是m - r - 控机根据相应程序指令 获得相关的数据后控制贴片机完全自动完成的。贴片机贴装过程如下： ( 1 ) p c b 传送并固定：p c b 板通过传送机构到达某个位置夹紧后由贴片头上的相 机对p c b 板上的m a r k 点进行识别对中，得到p c b 板的精确位置。 ( 2 ) 换吸嘴：贴片头根据工艺程序表中每个元器件对吸嘴的要求，移动到相应的 吸嘴站换取相应的吸嘴。 ( 3 ) 吸取元件：贴片头根据工艺程序表中元器件的类型与贴装顺序，移动到相应 的送料器吸取相应的元件。 ( 4 ) 视觉检查：贴片头运动到视觉检测摄像头上进行检查，判断元器件好坏并计 算元件的偏转角度与距离中心的偏移位置等信息。 ( 5 ) 贴装：根据视觉检查结果与工艺表信息，贴片头运动p c b 板上元件准确的 贴装位置进行贴装。 ( 6 ) 抛料：一组贴装循环结束后，贴片头运动到抛料点，将视觉检查不合格的 元件进行丢弃。 ( 7 ) 根据工艺表的要求重复( 2 ) 一( 6 ) 的步骤直到所有的贴装点都贴装完毕。 ( 8 ) 下板：完成所有的贴装点后，松开夹具，通过送板机构将贴装完毕的p c b 板送出。贴片工艺流程图如图2 - 1 0 所示。 团 n 石薪爵刍翮 lp c b 俸j 关掸固定l 贴片共x y 移动到基准 下视摄像机p c b 定位 贴襞乓x 懈动到 吸嘴槊选择吸嘴 移动到透料器吸取元器件 贴片挟x 多动到 上视摄像机元器件对中 贴片头x y 移劭到贴片位置 贴片头z e 侈助贴片 贴片头拾z 轴上侈 = | 避矍婪墨茎垡上) 臣亘妻圃 囱i ! 查墨i 图2 一1 0 贴片工艺流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一个取贴循环的时间长短主要由以下因素决定： ( 1 ) 从上一个贴装循环的最后一个贴装点运动到下一个贴装循环的第一个取 料位置的时间； ( 2 ) 吸取元件的次数： ( 3 ) 贴片头在两相邻送料器上吸取元件时移动所需时间； ( 4 ) 从最后一个送料器取料点运动到对中摄像头的时间； ( 5 ) 从对中摄像头运动到第一个贴装位置的时间； ( 6 ) 贴片头在各个贴装位置运动的时间。 整块p c b 的贴装时间是由贴装循环次数，以及对应每个贴装循环所需时间共同 决定的。因此，对于贴片机贴装路径的优化主要考虑送料器的位置摆放及元件的 吸取、贴装顺序。若元件的取贴顺序一定，那么送料器的摆放对上述分析中的 ( 1 ) 一( 4 ) 以及贴装循环的个数有较大影响：若送料器的摆放顺序一定，那元件 的取料以及贴放顺序就会影响到上述六个因素以及贴装循环的个数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章动臂式贴片机的路径优化 3 1 贴装顺序的i s p 问题转化 根据第二章对动臂式贴片机结构与工艺流程的分析可知贴片机的贴装过程主 要由吸取元件、视觉检测及贴装三大部分组成，贴装的过程类似于一个旅行推销员， 要到n 个城市去推销产品，然后返回原点的旅行商问题。旅行商问题已经被国内外 的专家学者进行了广泛而深入的研究，同时提出了许多t s p 问题的优化方法。因此 本章将把贴片机的贴装路径问题转化为t s p 问题进行研究。 3 1 1i s p 旅行商问题简介 t s p ( t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ) 旅行商问题描述的是一个旅行推销员， 要到n 个城市去推销产品，其中包括他所在的城市，每两个城市i 和j 之间的距离 为z ，每个城市能且只能访问一次，然后返回到出发点，如何选择一条道路使得商 人每个城市走一遍后回到起点，且所走