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        基于改進(jìn)蟻群算法的液晶拼接屏選擇裝配

        2020-06-21 08:17:10劉向勇
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:液晶縫隙螞蟻

        劉向勇

        (中山市技師學(xué)院,廣東中山 528400)

        0 引言

        液晶拼接屏廣泛用于視頻監(jiān)控中心、電力調(diào)度監(jiān)控中心、大型演出背景、電視臺(tái)演播中心等場(chǎng)所,如圖1(a)所示。拼接縫的大小是衡量液晶拼接屏好壞的最直接標(biāo)準(zhǔn),如圖1(b)所示。近5年,液晶拼接縫從6.7 mm到5.5 mm,再到3.5 mm、1.8 mm、1.4 mm等,整個(gè)行業(yè)開始逐步進(jìn)入微拼接時(shí)代。

        圖1 液晶拼接屏

        拼接縫大小主要取決于2個(gè)方面:(1)拼接單元邊框,目前市場(chǎng)出現(xiàn)了非顯示區(qū)域僅為1.4 mm的超窄邊顯示屏;(2)現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量,拼接單元物理尺寸存在偏差(公差范圍內(nèi)),如表1所示。在安裝拼接單元時(shí),首先應(yīng)精密測(cè)量各拼接單元物理尺寸,然后進(jìn)行排列組合,以保證橫向縫隙和縱向縫隙的均勻性和直線性。如何科學(xué)選擇拼接單元進(jìn)行裝配,是一個(gè)非常重要的課題。

        如果一個(gè)液晶拼接項(xiàng)目為m行n列,那么這m×n臺(tái)拼接單元共有(m×n)!種組合方式。若廠家同批次生產(chǎn)了C臺(tái)拼接單元,且此次所接訂單均為m×n方案,則出廠時(shí)共有C/(m×n)個(gè)包裝,有 C×(C-1)×(C-2)×… ×(C-m×n-1)×(m×n)!種包裝方案,其中有一種組合包裝方案為最優(yōu)組合(即組裝后的拼接屏橫向和縱向縫隙均勻性和直線性均最優(yōu))。實(shí)際裝中希望能獲得最優(yōu)組合方案,但是如果采用窮舉試配方法,當(dāng)m、n、C等數(shù)據(jù)不斷增大,存在的組合方案呈級(jí)數(shù)倍增長(zhǎng),運(yùn)算時(shí)間趨于極限。為解決此問(wèn)題,本文提出對(duì)智能蟻群算法進(jìn)行改進(jìn),利用改進(jìn)的優(yōu)化算法進(jìn)行輔助選擇裝配,能夠達(dá)到理想效果。

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助選擇裝配,以提高裝配精度和裝配質(zhì)量,成為專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。如徐知行、劉向勇等[1-3]建立了計(jì)算機(jī)輔助選擇裝配質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)模型。為更有效提升裝配質(zhì)量,許多學(xué)者嘗試將智能優(yōu)化算法引入計(jì)算機(jī)輔助裝配中,如葉小麗等[4]研究將蟻群算法用于電梯導(dǎo)軌選擇裝配。宋建軍等[5]探索利用改進(jìn)蟻群算法進(jìn)行邊緣連接的方法。

        表1 三星55英寸拼接單元參數(shù)

        1 安裝質(zhì)量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)

        定義裝配的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為:

        式中:η=S/N稱為裝配率;N為所有拼接單元使用完畢的總裝配數(shù)目;S為利用優(yōu)化算法進(jìn)行輔助選擇裝配所得到的合格的裝配數(shù)目[1]。

        其中裝配精度:

        式中:yl為裝配后的封閉環(huán)實(shí)際偏差;ES0、EI0分別為裝配設(shè)計(jì)時(shí)封閉環(huán)的上偏差和下偏差;Δ0=(ES0+EI0)/2為整條封閉環(huán)的中心偏差;T0=ES0-EI0為整條封閉環(huán)的公差。

        由定義可知,Q越大裝配質(zhì)量越高,而裝配率和裝配精度是互相矛盾的,需要找到1個(gè)平衡點(diǎn)。定義λ、μ∈[0,1],為2個(gè)常數(shù),分別表示裝配精度以及裝配率對(duì)整個(gè)裝配質(zhì)量好壞的影響程度,λ越大,則裝配精度對(duì)裝配質(zhì)量的影響越小,μ的作用同λ。

        2 改進(jìn)蟻群算法(ACO)在液晶屏選擇拼接中的應(yīng)用

        蟻群算法(ACO)在用于解決旅行商(TSP)問(wèn)題時(shí),蟻群的信息素設(shè)定是與螞蟻?zhàn)哌^(guò)的路徑相關(guān)聯(lián)的[5-9]。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,有時(shí)要解決特殊組合優(yōu)化問(wèn)題,采用將蟻群算法的信息素分布在節(jié)點(diǎn)模式時(shí),其性能會(huì)更優(yōu)于信息素分布在路徑模式,例如在解決流水作業(yè)(Flowshop)問(wèn)題時(shí)。為此,本文在蟻群算法的整體框架內(nèi),提出建立一種將信息素分布為節(jié)點(diǎn)模式的算法模型,以解決液晶顯示屏拼接的問(wèn)題。

        2.1 基于改進(jìn)蟻群算法拼接裝配的解構(gòu)造圖建立

        液晶拼接時(shí)存在橫向縫隙和縱向縫隙,本文提出一種帶約束的雙層螞蟻遍歷尋優(yōu)方法,行、列進(jìn)行分層尋優(yōu)。在進(jìn)行行尋優(yōu)(匹配拼接單元的左右尺寸,即長(zhǎng))過(guò)程中,螞蟻應(yīng)選擇寬偏差相同或相近的拼接單元進(jìn)行裝配,此為約束。

        首先進(jìn)行行尋優(yōu),將m×n中的每行看作一個(gè)裝配鏈,則此裝配尺寸鏈的組成環(huán)數(shù)為n,節(jié)點(diǎn)aij表示裝配鏈O的第j個(gè)組成環(huán)的第i個(gè)要裝配的拼接單元,即O(j)=i,C臺(tái)拼接單元一共可以組成C/n個(gè)裝配鏈。詳細(xì)的構(gòu)造方法和過(guò)程如下:首先建立1個(gè)C/n行n列矩陣,如圖2所示。把第j列的節(jié)點(diǎn)集合記為 Aj,?。窂剑﹥H存于節(jié)點(diǎn)aij∈Aj和節(jié)點(diǎn)al(j+1)∈Aj+1間,且方向從aij指向al(j+1)。對(duì)虛擬起始點(diǎn)相應(yīng)地有A0={a0}。

        按照?qǐng)D2所示進(jìn)行行尋優(yōu)結(jié)束后,再進(jìn)行列尋優(yōu),即將每個(gè)行裝配鏈(共C/n個(gè))當(dāng)做1個(gè)部件(列裝配環(huán)),進(jìn)行拼接裝配,此裝配尺寸鏈的組成環(huán)數(shù)為m,共組成C/(m×n)個(gè)裝配鏈,尋優(yōu)方法如上所述。

        圖2 行尋優(yōu)的解構(gòu)造圖模型

        2.2 基于改進(jìn)蟻群算法拼接裝配的數(shù)學(xué)描述

        在對(duì)行進(jìn)行尋優(yōu)的過(guò)程中,在t時(shí)刻每只螞蟻將選擇下一個(gè)拼接單元,t+1時(shí)刻螞蟻將到達(dá)那里。定義由X只螞蟻在區(qū)間(t,t+1)內(nèi)做的X次移動(dòng)稱為蟻群算法的1次迭代,因此當(dāng)算法進(jìn)行n次迭代后,每只螞蟻都將完成1次完整的遍歷[3]。

        假設(shè)螞蟻在t=0時(shí)從a0(虛擬起始點(diǎn))出發(fā),按遍歷的規(guī)則,分步為裝配鏈內(nèi)的每個(gè)組成環(huán)選擇一個(gè)合適的拼接單元,并將此拼接單元的編號(hào)放入禁忌表R[X -1][n -1]中,便可以構(gòu)造出一個(gè)完整的裝配鏈O。算法在進(jìn)行解構(gòu)造的第i步,當(dāng)螞蟻x行進(jìn)至節(jié)點(diǎn)aij時(shí),且定義前面已構(gòu)造好的部分節(jié)點(diǎn)序列(稱為可行部分解)為O′=O(j)時(shí),螞蟻在約束條件(根據(jù)實(shí)際問(wèn)題要求定)下將選擇訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)aij的可行鄰域,則:

        式中:l?O′表示還沒被螞蟻x訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)ai(j+1)(ai(j+1)∈Aj+1)。

        約束條件:螞蟻x應(yīng)先判斷此拼接單元ai(j+1)寬偏差是否與aij一致(即應(yīng)同為正偏差或同為負(fù)偏差),以此確保橫向縫隙的直線性,然后再進(jìn)行下一步選擇。

        定義Pi(j+1)(t)表示螞蟻x位于在按約束條件下已構(gòu)造好的部分節(jié)點(diǎn)序列(可行部分解) O′=O(j)內(nèi),從節(jié)點(diǎn)aο(j)j移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)ai(j+1)的概率,其表達(dá)式如下:

        式中:ηij(t)為能見度,是基于問(wèn)題的啟發(fā)式信息。其計(jì)算公式如下:

        式中:yx為本次迭代中截至t時(shí)刻第m只螞蟻訪問(wèn)的所有拼接單元偏差和(此處偏差指的是拼接單元橫向尺寸偏差(即長(zhǎng)偏差),下同);yi(j+1)為t+1時(shí)刻第m只螞蟻在將要訪問(wèn)的拼接單元 ai(j+1)的偏差;c為(0,1)間的常數(shù);規(guī)定若|yx+yi,j-Δ0|=0,則Pix(j+1)(t)=1; τij(t)為節(jié)點(diǎn) aij在t時(shí)刻的信息素濃度,為第j個(gè)組成環(huán)選擇第i個(gè)拼接單元的期望程度,其更新方法如下:

        式中:ρ為信息素的余量系數(shù);1-ρ則表示在t到t+n時(shí)刻之間節(jié)點(diǎn)信息素的揮發(fā)程度;Φ是常數(shù);yx表示為第x只螞蟻完成的遍歷長(zhǎng)度,yx的計(jì)算方法為:yx=,為到t+n時(shí)刻第x只螞蟻所經(jīng)過(guò)的拼接單元的偏差,規(guī)定若|yx-Δ0|=0,則Δ=1。

        2.3 改進(jìn)蟻群算法的尋優(yōu)過(guò)程

        尋優(yōu)過(guò)程如圖3所示。n次迭代完成之后,計(jì)算出每只螞蟻遍歷的長(zhǎng)度yx,選取其中可用的。選取原則:選取 滿 足 EI0≤ys≤ES0,ES0表示封閉環(huán)的上偏差、EI0表示封閉還的下偏差。假設(shè)一共有S個(gè)符合要求,將滿足的ys從小到大排列,若 S≤C/n,則全部選用,否則,只選取前C/n個(gè)。

        將 ys、S求出之后,將其代入目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)求出Q值,便完成算法的1次循環(huán)。此迭代過(guò)程不斷重復(fù),直到計(jì)數(shù)器達(dá)到由用戶自己定義的最大值NCmax。所有的Q值進(jìn)行比較,最大的那個(gè)即表示一組較優(yōu)的裝配組合。

        行尋優(yōu)完成之后再進(jìn)行列尋優(yōu),列尋優(yōu)方法與行尋優(yōu)方法相同,只是每個(gè)項(xiàng)目只需1個(gè)列裝配鏈即可。在列尋優(yōu)過(guò)程中,也需要進(jìn)行約束,螞蟻在選擇1個(gè)行裝配鏈作為列裝配環(huán)時(shí),首先需要比較相鄰兩個(gè)行裝配鏈中對(duì)應(yīng)行裝配環(huán)長(zhǎng)偏差是否相同或相近,確??v向縫隙的直線性,然后再進(jìn)行尋優(yōu)。

        圖3 尋優(yōu)流程圖

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        以1個(gè)4×6的液晶拼接屏項(xiàng)目為例進(jìn)行仿真試驗(yàn),拼接單元尺寸如表1所示,由表1可知拼接單元上、下極限偏差分別為+1.0 mm和-1.0 mm。廠家共生產(chǎn)240臺(tái)拼接單元,需裝配10臺(tái)拼接屏,出廠時(shí)實(shí)測(cè)了每臺(tái)拼接單元的尺寸。建立以各拼接單元的實(shí)際偏差尺寸為元素的矩陣,作為節(jié)點(diǎn)模式的解構(gòu)造圖。

        若按照人工隨機(jī)選擇的方法進(jìn)行裝配,先組裝40個(gè)行裝配鏈,然后再分別選擇4個(gè)行裝配鏈組裝成一臺(tái)4×6的拼接屏,共組裝10臺(tái)拼接屏。最終組裝質(zhì)量為:裝配率η=100%,裝配精度ε=0.295,裝配質(zhì)量Q=0.295,其中λ=μ=1。此時(shí),寬偏差的均方差為0.549(此值表示橫向縫隙的直線性,0表示直線性最好)。

        按照本文所闡述的基于改進(jìn)蟻群算法的智能擇優(yōu)方法計(jì)算,定義最大迭代次數(shù)NCmax=200,同樣λ=μ=1。在VC環(huán)境下進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)蟻群尋優(yōu)過(guò)程,最終尋優(yōu)結(jié)果為:η=100%,ε=0.797,Q=0.797。寬偏差的均方差為0.087,直線性接近最好。

        將2種算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知,使用本文所提出的基于改進(jìn)蟻群算法的智能選擇裝配方法,裝配質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于人工隨機(jī)裝配。蟻群算法的尋優(yōu)過(guò)程如圖4所示,可以看出改進(jìn)蟻群算法收斂速度較快,能夠快速找到最優(yōu)解。同時(shí)在尋優(yōu)過(guò)程中,算法并沒有陷入局部尋優(yōu)的困局。

        圖4 裝配路徑尋優(yōu)過(guò)程

        4 結(jié)束語(yǔ)

        文中所提出的方法適合液晶生產(chǎn)廠商使用,廠家在生產(chǎn)液晶拼接單元時(shí),測(cè)量記錄各拼接單元的偏差尺寸。工作人員將偏差尺寸輸入計(jì)算機(jī),經(jīng)過(guò)算法的自主計(jì)算,將仿真模擬出最優(yōu)的組裝方案。工人在出廠包裝時(shí),將最優(yōu)組合對(duì)應(yīng)的各拼接單元進(jìn)行編號(hào),統(tǒng)一包裝在一起?,F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),施工人員須按著編號(hào)將包裝匹配好的拼接單元進(jìn)行安裝。按照本文方法進(jìn)行操作,將會(huì)大大提高液晶拼接屏的裝配質(zhì)量,減少返工及維修費(fèi)用,節(jié)約安裝成本。

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