王寶仁， 胡曉琳

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

0 引言

隨著電子制造業(yè)的迅猛發(fā)展，目前由晶體管、電子管等電子元器件組成的電子設(shè)備日益小型化、微型化，生產(chǎn)技術(shù)也向著批量化、自動(dòng)化發(fā)展。表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology，SMT）應(yīng)運(yùn)而生，這一技術(shù)的產(chǎn)生加速了電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，是印制板制造和研究的主流方向［1］。

表面貼裝技術(shù)（SMT）是一門涉及電子元器件、組裝裝備、焊接方法等多學(xué)科的綜合性技術(shù)［2］。貼片機(jī)是SMT組裝生產(chǎn)線上最核心、最關(guān)鍵的設(shè)備［3］。隨著貼片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜 ，多頭貼片機(jī)己成為市場(chǎng)的潮流，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和貼片頭的增加對(duì)解決算法提出了新的要求。

文中針對(duì)多頭動(dòng)臂式貼片機(jī)，探討在供料器位置確定后，分析元件貼裝順序的優(yōu)化問題，采用遺傳算法來解決該問題。

1 貼裝工藝簡(jiǎn)介及建模

貼片機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制，通過吸取、移動(dòng)、對(duì)中、放置等步驟將元件準(zhǔn)確放置在PCB已定位置［4］。貼片工藝過程如下：首先PCB通過輸送帶被輸送到相應(yīng)位置并固定，然后裝有貼片頭的動(dòng)臂移到供料器的相應(yīng)位置依次吸取元件，之后移到 PCB上的相應(yīng)位置，依次貼裝這些元件。如此循環(huán)取貼，直到所有元件取貼完畢后卸掉PCB。

多頭動(dòng)臂式貼片機(jī)貼裝路徑包括元件拾取和元件貼裝兩部分，一次取貼循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)元件的貼裝，將一次循環(huán)中取貼的元件稱為一組，那么元件的拾取問題包括兩個(gè)部分：組內(nèi)元件的拾取和組間元件的拾取。組內(nèi)元件拾取時(shí)動(dòng)臂移動(dòng)距離必須最短，并且要求元件的拾取次數(shù)盡可能等于吸嘴個(gè)數(shù)以減少組間往返次數(shù)。元件組間的拾取則需要根據(jù)元件的貼裝順序來進(jìn)行求解，以減少循環(huán)過程中動(dòng)臂拾取元件組的移動(dòng)距離。

拾取元件時(shí)，動(dòng)臂的移動(dòng)距離為

式中：K表示取貼循環(huán)的次數(shù)；L表示同一組拾取元件的個(gè)數(shù)（本文中采用 4 頭貼片機(jī)，L=4）；dl，（l－1）表示同一元件組內(nèi)拾取元件時(shí)動(dòng)臂的移動(dòng)距離。

元件的貼裝順序包括組內(nèi)元件的貼裝順序和組間元件的貼裝順序。組內(nèi)元件的貼裝順序是指完成一組（L個(gè)元件）的貼裝順序。對(duì)于吸嘴上的L個(gè)元件，確定各個(gè)元件在PCB板上的貼裝位置后根據(jù)遺傳算法優(yōu)化元件的貼裝順序，從而獲得最短的貼裝距離。元件組間的貼裝順序是元組之間拾取和貼裝的順序，這需要根據(jù)組內(nèi)元件順序和供料槽上元件的分布位置來決定。

元件貼裝時(shí)，動(dòng)臂的移動(dòng)距離可以表示為

其中：更換吸嘴時(shí)，

不需要更換吸嘴時(shí)，

式中：H為動(dòng)臂上吸嘴的個(gè)數(shù)；h為第k個(gè)元件組內(nèi)貼裝的順序編號(hào)；di，（i+1）為組內(nèi)2個(gè)相鄰貼裝元件間動(dòng)臂的移動(dòng)距離；d（k-1），k為第 k-1 次取貼循環(huán)和第 k 次取貼循環(huán)之間動(dòng)臂移動(dòng)的距離；PHk-1為第k-1組元件中最后一個(gè)貼裝元件的貼裝位置；P1k為第 k組元件中第一個(gè)貼裝元件的貼裝位置；S1k為第 k組元件中第一個(gè)拾取元件所在供料槽位置；SHk為第k組元件中最后一個(gè)拾取元件所在供料槽位置；PANC為吸嘴更換處的位置；更換吸嘴時(shí)動(dòng)臂先由上一次循環(huán)的最后貼裝點(diǎn)移動(dòng)到吸嘴更換處（ANC）更換吸嘴，后由ANC移動(dòng)到供料槽下一次循環(huán)需要吸取的第一個(gè)元件的供料槽位置，順次吸取H個(gè)元件后，由最后的元件供料槽位置返回PCB板進(jìn)行本次循環(huán)的元件貼裝。不需要更換吸嘴時(shí)，動(dòng)臂只需往返于PCB與供料槽之間，因此貼裝過程要盡量少地更換吸嘴，以達(dá)到最佳的貼裝路徑。

2 遺傳算法

遺傳算法是由美國(guó)密歇根大學(xué)John Holland教授受自然界生物進(jìn)化過程的啟發(fā)所提出的一種全局隨機(jī)搜索優(yōu)化算法［6］。該算法把問題的解表達(dá)成“染色體”，在執(zhí)行算法之前，先給出一群“染色體”即假設(shè)解。然后把這群“染色體”放置在問題的環(huán)境中，按照適者生存的原則，較適應(yīng)的“染色體”存活下來進(jìn)行復(fù)制，再經(jīng)過交叉、變異的過程產(chǎn)生更適應(yīng)環(huán)境的下一代"染色體"群。這樣一代一代地進(jìn)化，最后收斂到最適應(yīng)環(huán)境的一個(gè)染色體，這就是問題的最優(yōu)解［7］。

2.1 種群初始化

根據(jù)遺傳算法內(nèi)容，用n個(gè)自然數(shù)編碼PCB板上n個(gè)元器件的貼裝位置，這n個(gè)自然數(shù)的不同排列方式就代表n個(gè)元器件貼裝的不同次序，也就是貼片機(jī)頭的不同路徑。

2.2 適應(yīng)度計(jì)算

在適應(yīng)度計(jì)算過程中，不僅要考慮組內(nèi)元件的貼裝過程（式（2）～式（4））；還要考慮元件拾取時(shí)，動(dòng)臂的移動(dòng)距離（式（1））。因此，先計(jì)算元件貼裝過程的移動(dòng)距離D2（包括吸嘴更換的路徑距離），其中每4個(gè)元件之間插入一個(gè)拾取元件時(shí)動(dòng)臂移動(dòng)距離D1，之后計(jì)算整個(gè)裝配過程的路徑之和。

2.3 遺傳操作

1）選擇方法。采用輪盤賭方法來進(jìn)行選擇，先計(jì)算各個(gè)路徑的適應(yīng)值和適應(yīng)起止區(qū)間，通過輪盤賭方法選擇是否保留該個(gè)體以獲得一個(gè)新種群。然后求新種群的適應(yīng)值，再根據(jù)輪盤賭方法來選擇是否保留這個(gè)個(gè)體。

for（i=0;i

{

p=rand（）%1000/1000.0;

if（p

newpopulation［i］=population［0］;

else

{

for（j=0;j

If（p＞=population［j］.cfitness&&p

newpopulation［i］=population［j+1］;

}}

2）交叉。交叉過程首先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)與交叉概率Pc比較，當(dāng)這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于Pc時(shí)，進(jìn)行交叉，否則不執(zhí)行。

for（i=0;i

{

x=rand（）%1000/1000.0;

if（x

{……

if（max

{temp=max;max=min;min=temp;}

flag=max;

for（j=min;j<=（max+min）/2;j++）

{

swap（&population［i］.gene［j］，&population［i］.gene［flag］）;

flag=flag-1;

}}}

3）變異。變異過程也是先產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)與變異概率Pm進(jìn)行比較，當(dāng)這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于Pm時(shí)，則進(jìn)行變異，否則不執(zhí)行。

for（i=0;i

{

x=（int）rand（）%1000/1000.0;

if（x

{……//隨機(jī)產(chǎn)生 x1，x2

swap（&population［i］.gene［x1］，&population［i］.gene［x2］）;

}}}

3 實(shí)例探究

用文中提到的遺傳算法對(duì)一塊需要貼裝200個(gè)元件的PCB板作為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定印制板橫、縱坐標(biāo)限于0～100之間單位為mm；依據(jù)印制板生成20個(gè)元器件的裝配位置，共有10種元件類型，供料槽寬度為15mm。

設(shè)定遺傳算法中種群大小為50，遺傳代數(shù)為100，交叉概率Pc=0.8，變異概率Pm=0.01，計(jì)算結(jié)果如下：

……

第1代，個(gè)體 47：18 5 10 12 2 19 6 7 17 3 1 0 11 16 8 9 4 15 14 13代價(jià)值為：18718

第1代，個(gè)體 48：1 3 8 6 7 5 0 2 4 9 代價(jià)值為：18859

第1代，個(gè)體49：8 6 3 1 9 5 7 4 2 0 代價(jià)值為：19455

當(dāng)前第2代：

第2代，個(gè)體0：4 3 0 1 7 5 8 9 6 2代價(jià)值為：13771

第2代，個(gè)體 1：1 7 3 4 5 8 6 2 9 0 代價(jià)值為：15302

第2代，個(gè)體 2：6 2 5 7 8 4 9 3 0 1 代價(jià)值為：15474

……

第 100代，個(gè)體 47：4 3 9 6 1 0 7 8 5 2 代價(jià)值為：12055

第 100代，個(gè)體 48：4 3 9 6 1 0 7 8 5 2 代價(jià)值為：12055

第100代，個(gè)體 49：4 3 9 6 1 0 7 8 5 2 代價(jià)值為：12055

4 結(jié)語

對(duì)多頭動(dòng)臂式貼片機(jī)的貼裝過程進(jìn)行分析，利用遺傳算法解決貼裝路徑的最優(yōu)化問題，利用概率轉(zhuǎn)移原則進(jìn)行計(jì)算的，而不是單一從一點(diǎn)出發(fā)沿一條線來尋找最優(yōu)路徑，在整個(gè)解空間同時(shí)搜索這樣有效避免陷入局部最優(yōu)解。將貼裝過程分解成拾取元件和元件組內(nèi)的貼裝順序，并考慮到了吸嘴更換、元件布置策略等實(shí)際問題的影響，使優(yōu)化結(jié)果更具與可行性。

［1］ 謝青松，趙立博.SMT表面貼裝技術(shù)工藝應(yīng)用與探討［J］.船電技術(shù)，2009，29（10）:36-38.

［2］ 曾又姣，金燁.基于遺傳算法的貼片機(jī)貼裝順序優(yōu)化［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10（2）:205-208.

［3］ 賈春艷.貼片機(jī)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008:1-35.

［4］ 郎為民，稽英華.表面組裝技術(shù)（SMT）及其應(yīng)用［M］.北京 :機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］ Rogers P，Warrington R.Production planning for surface mount technology lines ［J］.International Journal of Production Research，2004，42（13）:2693-2718.

［6］ 曾又姣，金燁.基于遺傳算法的貼片機(jī)貼裝順序優(yōu)化［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10（2）:205-208.

［7］ 王小平，曹立明.遺傳算法-理論、應(yīng)用與軟件實(shí)現(xiàn)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.