基于遺傳算法的雙懸臂拱架式貼片機負荷均衡優(yōu)化

王睿妍 賈志淳

（渤海大學 遼寧省錦州市 121000）

1 引言

貼片機是在表面貼裝產(chǎn)品中的基礎裝置，它主要完成了將電極芯片安裝在印刷電路板(PCB)上的過程。其工程具有技術(shù)難度較大、精度要求較高以及成本價值高的特性，因此成為整個生產(chǎn)線上的瓶頸。隨著我國經(jīng)濟的提升，電子工業(yè)得到迅速發(fā)展，為滿足生產(chǎn)和生活的需要，電子產(chǎn)品設計的越來越迷你、也越來越精密，因此微電子工業(yè)應運而生。微電子工業(yè)是國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)得以發(fā)展的重要基礎，對航天航空、國防和經(jīng)濟發(fā)展非常重要。在電子信息高速發(fā)展的新時代，微電子產(chǎn)業(yè)的地位越來越重要，也被視為國家綜合實力考察中最重要的一部分。微電子工業(yè)與印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)的制造密切相關(guān)，而表面貼裝技術(shù)(Surface Mounted Technology,SMT)正在逐步取代傳統(tǒng)電子裝配技術(shù)，在許多領域都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。第四代電子組裝技術(shù)作為表面貼裝技術(shù)的革新，SMT 貼片技術(shù)也被譽為“電子制造技術(shù)的第三次革命”，因其具有提升生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本、易實現(xiàn)自動化的優(yōu)勢[1]，被廣泛地應用于航空、電子信息、飛機、輪船、重型和輕型武器、汽車、家用電器、機械以及各種精密度的儀器等各種領域。

2 表面貼裝技術(shù)與貼片機概述

2.1 表面貼裝技術(shù)概述

表面貼裝技術(shù)(surface mount technology,SMT)是將小型、中型等不同的電子元器件貼裝到提前根據(jù)電路板圖紙印制完成的電路板表面上的電子焊接技術(shù)，是目前電子產(chǎn)品生產(chǎn)的主流技術(shù)。近些年是微電子工業(yè)發(fā)展的黃金時代，微電子方面的集成芯片的類型、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)周期以及尺寸等方面均有較顯著的改變，發(fā)展以SMT 為核心技術(shù)的高度集成電路組裝產(chǎn)業(yè)，被視作 “電子組裝技術(shù)的一次革命”[2]。經(jīng)過SMT 技術(shù)組裝的電子產(chǎn)品具備許多顯著優(yōu)勢：比如芯片組成密度高、組裝后的成品小、實際的重量輕等；與此同時，可靠性和抗振能力也顯著提升；到目前為止，相較于人工的焊點缺陷率低；對自動化生產(chǎn)比較容易，顯著地提高了生產(chǎn)的效率，同時也降低了原材料、設備磨損、人工成本、時間等制作成本，成本已經(jīng)可以降低30%-50%[3]。由于這樣的顯著優(yōu)點，不僅改變了智能手機的大小、還改變了家中常用電器的外表與性能，更加是對國家所需的航天航空類比較尖端的電子產(chǎn)品的性能都有所提升[4]。

2.2 貼片機概述

表面貼裝技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)線中含有許多高精度的自動化設備，貼片機是SMT 生產(chǎn)線中最重要的設備，同時也是生產(chǎn)線中成本最高的機器，因此它將直接影響SMT 產(chǎn)線的生產(chǎn)本金以及利潤，故電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展將會被貼片機的貼裝效率所限制，提高貼片機的生產(chǎn)效率是刻不容緩的[5]。貼片機也是電子制造產(chǎn)業(yè)常見的機器設備之一，目前為止國內(nèi)的貼片機已經(jīng)從低速機械的貼片機發(fā)展至高速度、高精準的貼片機。本文主要針對的貼片機型號為雙懸臂拱架式貼片機。在國內(nèi)外發(fā)展的背景條件下，諸多專家學者提出了許多針對提高貼片機貼裝效率的方法。國內(nèi)外諸多對貼片機進行研究的專家學者為提升貼片機效率提出了許多可行的方案，主要對四種問題進行解決，分別是供料器分配問題、貼裝路徑規(guī)劃問題、吸嘴分配問題以及在生產(chǎn)產(chǎn)線中多臺機器負載均衡分配方案問題。

關(guān)于供料器分配問題許多專家學者提出過利用遺傳算法、隨機重啟爬山法以及粒子群優(yōu)化算法等等來解決[2]~[4]。對于吸嘴分配許多學者提出過有貪心算法、近似算法、在線算法求解以及蛙跳算法等等[5]~[8]。還有一些學者對貼裝路徑規(guī)劃問題提出過較多的解決方案，如混合遺傳算法、禁忌搜索算法、粒子群算法以及混合蛙跳算法等等。但是目前為止對于產(chǎn)線中多臺機器或貼片機內(nèi)部各個懸臂之間負載均衡分配方案提出解決的方案較少。因此本文針對雙懸臂拱架式貼片機的內(nèi)部懸臂負載均衡方案提出了一種遺傳算法來提升生產(chǎn)效率問題。

2.3 雙懸臂拱架式貼片機

隨著SMT 產(chǎn)線中對貼裝效率的要求越來越高，傳統(tǒng)樣式的拱架式貼片機或轉(zhuǎn)塔式貼片機已貼裝速率已經(jīng)無法滿足當今的生產(chǎn)線上對速度的要求。所以在不改變機器尺寸的同時，開發(fā)出了雙懸臂拱架式貼片機。雙懸臂拱架式貼片的工作原理為兩個貼片頭可以循環(huán)交替的貼同一塊PCB 板，大幅的提高了生產(chǎn)效率。本文主要針對雙懸臂拱架式貼片機貼裝過程中兩個懸臂的負載均衡進行優(yōu)化，提出一種新的遺傳算法來解決雙懸臂拱架式貼片機表面運行過程中負載均衡優(yōu)化問題。通過分析貼片機貼裝運行過程模型的約束條件和限制因素，研究雙懸臂之間負載均衡方案對整體優(yōu)化性能的影響。

本文針對雙懸臂拱架式貼片機進行研究，雙懸臂多頭拱架型貼片機的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，它主要包括供料槽、供料架、貼片頭、PCB 等部分。

圖1：雙懸臂拱架式貼片機結(jié)構(gòu)原理圖

貼裝工藝過程為：

（1）PCB 板的傳送位置固定：將PCB 板通過輸送帶送至特定的位置進行固定并將其夾緊，隨后通過貼片頭上的基準攝像機進行識別PCB 板上的MARK 點，以便于確定PCB板的正確位置。

（2）元器件采集：貼片頭將根據(jù)電路圖中元器件位置的要求，利用真空吸嘴在相對應的供料器上進行元器件拍照采集。

（3）視覺檢測：在固定攝像機上移動懸臂上的貼片頭進行視覺檢測，判斷芯片是否正確以及芯片引腳是否正常顯示等問題。若其元器件可以正常使用，將會根據(jù)拍取到的照片計算出元器件的偏轉(zhuǎn)角度以及偏移中心的位置等信息。

（4）貼裝：根據(jù)電路圖中元器件位置以及元件類型和視覺檢測信息將貼片頭移動到PCB 板中相對應的貼裝位置后，進行貼裝。

（5）拋料：在每組貼裝元器件完成后，將視覺檢測不合格的元器件移動至機器固定拋料盒的位置或指定位置進行拋料。

（6）根據(jù)工程表的要求，循環(huán)（2）~（5）的過程，在確認PCB 板中所有貼裝點都貼裝完成元器件后檢查結(jié)束。

（7）傳出板子：待所有貼裝點檢查貼裝完成后，將止擋塊下降，利用傳輸機將PCB 板傳出。

在工作過程中，雙懸臂貼片頭1 處于貼裝元件狀態(tài)時，貼片頭2 處于取料狀態(tài)，這樣兩個貼片頭之間會形成一個貼裝-取料循環(huán)的過程，如圖2所示。

圖2：取貼循環(huán)示意圖

3 問題建模

目標函數(shù)：

上述公式表示目標函數(shù)，在最大生產(chǎn)時間的懸臂1 與懸臂2 生產(chǎn)時間之比；

Xi=Yi+Ni,1 ≤i ≤2

上述公式表示懸臂i 的生產(chǎn)時間等于貼裝時間加吸嘴切換時間；

上述公式表示單個懸臂i 的貼片時間；

上述公式表示j 種元件在PCB 上的點數(shù)，即PCB 需要多少個j 種元件；

上述公式表示懸臂i 貼裝的j 種元件所占供料槽的數(shù)目之和不能超過懸臂i 供料槽的限制；

Yi>0,1 ≤i ≤2

上述公式表示每一個懸臂都安排貼裝任務；

max X1-max X2≥0

上述公式表示雙懸臂拱架式貼片機是串聯(lián)工作，要在生產(chǎn)過程中不造成PCB 板堆積，需要滿足懸臂1 生產(chǎn)時間大于懸臂2 的生產(chǎn)時間。

4 遺傳算法與表面貼裝

對上述負載均衡模型利用了遺傳算法進行求解。遺傳算法是一類隨機的智能搜索方法，遺傳算法是根據(jù)大自然的進化規(guī)律衍生出的。該算法依據(jù)優(yōu)勝劣汰的規(guī)則將算法的工作原理設定為每條染色體的結(jié)代表雙懸臂貼片機中每個懸臂的貼裝順序。第一階段先隨機創(chuàng)建初始化種群第一代作為父代種群。第二階段對隨機創(chuàng)建的初始種群中存在的個體基因進行評估并擇優(yōu)選取，優(yōu)秀的個體經(jīng)過交叉操作和變異操作生產(chǎn)新的個體。第三階段將產(chǎn)生的新個體與初始的父代種群進行重新分配，組成第二代種群作為子代種群，如此循環(huán)，當滿足了遺傳代數(shù)后，結(jié)束循環(huán)。對所有種群進行搜索，將目標函數(shù)最大個體定為雙懸臂優(yōu)化的貼裝順序，遺傳算法流程圖如圖3所示。

圖3：遺傳算法流程圖

4.1 染色體編碼

表1：數(shù)學模型中字符含義

染色體編碼分成兩部分，將PCB 板中的元件種類與兩個懸臂分別一一對應，第一部分是懸臂1 所貼裝的元器件，這些元件種類使用懸臂1 進行貼裝完成。第二部分為懸臂2所貼裝的元器件，其余元件類型使用懸臂2 進行貼裝完成，如圖4所示。

圖4：遺傳算法的編碼

4.2 適應度函數(shù)的選擇

該目標函數(shù)為最小化問題，所以選取的適應度函數(shù)為：

公式中：f(x)為問題模型中的目標函數(shù)，c 為目標函數(shù)的保守估計值。c ≥0 且c+f(x)≥0。

4.3 選擇操作

遺傳算子的選擇與其編碼方式一定是互相對應的，一組合適的遺傳算子不僅可以產(chǎn)生合法的個體以保持算法可以持續(xù)運行，還可以對收斂速度進行加速。本文利用經(jīng)典的輪盤賭選擇方法，每個個體的適應度值與整個種群中個體適應度之和相比的結(jié)果代表每個個體到達下一代的概率，適應度值越高，表示該個體加入下一代的概率就越大。

4.4 交叉和變異操作

交叉操作，本實驗選取的是順序交叉(order crossover,OX)的方式進行了交叉操作，該交叉的方法是當存在兩組相同的父代染色體的情況下仍然可以產(chǎn)生出一定的變異效果，這樣做的目的也是為了維持群體多樣性。首先在父個體1 和父個體2 上隨機選取兩個位置進行交叉互換，將父個體1 與父個體2 交叉位置中的交叉片段提取后，交叉放置在不同父代個體的前面。最后將每個父代個體中重復的基因位刪掉，組成了新的兩個子代個體。詳細的交叉操作流程如圖5所示。

圖5：交叉操作流程

變異操作，是指在父代的個體染色體上隨機抽取兩個需要變異位置，隨后將兩個位置上原本的基因片段交換位置，得到新的子代個體，詳細的變異操作操作流程如圖6所示。

圖6：變異操作流程

5 對比實驗數(shù)據(jù)

本文將生產(chǎn)產(chǎn)線中10 塊不同規(guī)模種類的PCB 板進行貼裝，做優(yōu)化對比測試實驗，在本次實驗的過程中，遺傳算法的種群大小設定為100，最大的進化代數(shù)設定為300 代，交叉概率為85%，最后設置變異概率為20%，采用輪盤賭選擇的方法。其中PCB 板的屬性如表2所示。

表2：10 塊PCB 的參數(shù)

本實驗再得到PCB 板的參數(shù)數(shù)據(jù)外，還需要對機器貼裝優(yōu)化過程中設置貼片機的所需的對應參數(shù)。因是雙懸臂貼片機所以設置貼裝頭總數(shù)為12，前后機頭上均安裝貼裝頭個數(shù)為6，供料槽的前后區(qū)域總數(shù)定為100，前后各50，因貼片機移動機頭大小固定，所以設置每兩個吸嘴桿之間的間距為30mm，每兩個喂料器拾取中心的間距為15mm，動臂1 和動臂2 的平均移動速度均設置為1000mm/s，每次切換吸嘴的時間為1s。實驗結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7：各代平均適應度

圖8：當代最優(yōu)適應度

6 結(jié)論

本文分析了雙懸臂拱架式貼片機的實際貼裝過程，將其復雜貼裝過程分為路徑規(guī)劃以及雙懸臂的負載平衡問題，對該實驗建立了相對應的數(shù)學問題模型，再利用新改進的遺傳算法對本實驗的數(shù)學問題模型進行分析求解，最后得到實驗的結(jié)果表明，本文提出的雙懸臂拱架式貼片機負載均衡的問題求得的最優(yōu)解趨近于1，結(jié)果較其他算法的最優(yōu)解有明顯優(yōu)勢，縮短了SMT 產(chǎn)線中貼裝PCB 板的貼裝時間，再最大限度下有效的提高了貼裝效率。