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SMT生产线的优化

日期:2016-09-05
对于PCB组装行业来讲,收入和利润取决于大量生产合格产品的能力。但要想使生产线发挥最大的效率、获得最大的产量,又会受到许多因素的影响,包括设备的类型、产品的类型、组线方式以及采用的控制软件等。必须对这些因素进行优化配置,才可以实现高效生产。 总的来说,SMT生产线的优化有两种不同的方法,具体采用什么方法要根据生产环境的特点而定。在品种单一、批量大的生产环境中,重点是要使印制板的产量达到最大。设定每台设备的贴装程序和送料器配置,把整条生产线作为一个整体进行优化,使其生产节奏最快。这种情况下,优化目标就是使各台设备的生产节奏一致,并且速度最快。在多品种、少批量的生产环境中,由于不同品种间进行转换所需时间较长,不再具备以最快的节奏生产一种印制的优势,所以上面的方法就不可能产生最佳的效果。因此,在这种情况下,重点是减少不同品种印制板之间的更换时间,因此,建立送料器配置和相应的贴装程序时就要综合考虑,应尽力减少从一种印制板的生产转换到另一种所需的时间。此外,不同印制板实现连续生产可以减少整体上的更换时间,从而提高整体的印制板产量。在中等批量的生产中环境使用什么方法不容易确定。根据生产运行实际批量,两种都应考虑。还可以使用模拟软件来帮助我们事先确定哪种方法更适合。尽管这两种方法看起来不同,但优化方法是基本相同的,优化目标都是实现设备的最大效能,提高投资回报率。 一、负荷分配与生产线平衡一条生产线由多台设备组成?,如果每台设备的生产负荷都相等并且最小,生产线就将达到最大的生产能力。这里的生负荷指的每设备贴装的元件数量。然而,贴装速度最慢的设备将决定整条生产线的实际产量和生产能力。如果一台设备的循环时间是20秒,但另一台设备的循环时间为30秒,那么,这条生产线生产一块印制板的时间将为30秒,这对于整条生产线是没有好处的。为了很好地进行平衡,整条生产线的生产负荷必须平均分配。元件的分配过程如下:首先,分配特定的元件给相应的设备,例如,细间距器件给高精度贴装机,chip元件给高速贴装机。然后根据初始分配元件的情况,各台设备的优化程序就可以计算出循环时间。设备优化程序的输出结果又将作为生产线平衡软件的输入数据。生产线平衡软件根据不同的设备优化程序计算出的循环时间,对生产线上的所有设备重新分配元件。然后,再分配剩余的那些元件。循环时间短的设备得到的元件数量多一些,循环时间长的设备得到的元件数量少一些或根本没有。接下来,对设备再一次进行优化,并计算出循环时间。如果计算循环时间不在确定的范围内,生产线平衡软件将对元件进行重新分配,直到建立所需平衡为止。这个反复的过程可能会进行许多次,这取决于应用过程的复杂程度?和生产线平衡软件的智能化程度。然而,即使经过多次的反复,也可能不会形成真正的解决办法。例如,一条生产线包括一台高速机和一台高精度机,而所贴元件种类中复杂元件占大多数,高速机由于功能上的限制无法贴装这些元件,这样就很难达到一个平衡,而实际上,这种情况在生产中经常发生。 二、生产线平衡软件生产线平衡软件生成的结果可能不是最佳的解决办法,而只是次优化方案。如果我们将设备循环时间定义为一个期望值,这样就将优化过程归结为寻找最优期望值。根据应用过程和使用的优化算法,它代表最优化的生产线平衡解决办法。然而,事先不知道如何获得这个值。这就象虽然知道一座山的高度,却不知道山的最高峰在何处。对于人来说,在许多情况下能够更相对容易地找到最佳值,因为我们具有把握全局的能力。我们的观察能力结合我们已有的知识可以帮助我们找出山的最高峰或它的近似位置。但是,目前的软件技术还不具备类似的功能,它每一次只能计算一步,尽管它计算速度非常快。优化软件就像一个夜幕中的登山者,相想找到山的最高峰。假定最初他并不知道他所处的位置,当他朝着某一个方向走的时候,他只能凭感觉来确定他是在向上走还是向下走。这个人只有不停地走,才能感觉到坡度是否发生了变化。如果他感觉到从向上走变为向右走了,他就知道是刚刚经过了一个山头并记下这个头?也就是说,是最优化值还是次优化值?如果只是一个其中的一个小山头,那这个人应该从哪个方向下山呢?哪条路是通往最高峰的?由于这个人处在黑暗中,他只能随意选择一条路,又一次上山和下山,直到他找到另一个山峰。然后比较目前所在的山峰和前一个山峰的高度,确定哪个高。但是这个人怎么知道他已经找到了最高峰,或者说优化软件怎么知道它找到了最优期望值?只有当这个人事先对地形有了全面的了解才能知道。对于软件也是同样的道理。现大已经有了专门的软件,能预期一套数学方程式的近似的最优期望值。生产线平衡软件也是以相类似的方法在工作。当找到一个优化值以后,它会继续进行寻找,直到找到一个认为是接近最优期望值的可接受的新的优化值。软件可能把上次找到的优化值作为一个新的起点继续寻长,也可能选择一个完全不同的起点。根据生产线平衡软件完善程度的不同,寻找的方法?可能相当随意,或者会使用一定的预期技术。显然的是,寻找的过程越长或应用过程越简单,结果就会越好。 三、设备优化生产线平衡过程?的品质取决于设备优化程序的品质。如果模拟的循环时间和实际的循环时间之间有差别,实际上的平衡就会出现扭曲。生产线平衡软件必须注意各台设备的负荷是否相等,然而,设备优化程序必须先找出最小循环时间。优化原则在很大程度上取决于设备的结构。对于X/Y构架的设备,通常依照下述原则命名其达到最小循环时间:1、尽量大可能使多个贴装头同时拾取元件。2、拾取频率高的喂料器应安放在接近印制的位置,一般将其放在设备的前面,接近主挡块。3、在每个拾放循环过程中,都要使所有的贴装头满负荷,这样可以优化效率。4、在一个拾放循环过程中,只从前面或后面拾取元件,而不是两边都取,这样可以减少拾取时的移动路程。5、为了减少拾取时的移动路在一个拾放循环过程中只沿着X坐标增加或X坐标减少的方向拾取元件,而不能朝两个方向都运动。6、一个循环中,按照X和Y坐标增加或X和Y坐标减少的顺序进行贴装,减少贴装头的移动路程。很显然,有几个原则在本质上是有矛盾的,这就意味着设备优化程序必须进行折衷,这也取决于应用过程的复杂性。对于每一个原则都进行权衡后,设备优化程序就可以在相对矛盾的情况下,确定一个适当的解决办法。 四、如何生成优化的贴装程序设备的贴装程序可以在线生成也可以离线生成,离线生成程序是更经济和有效的。贴装设备简单地用来编程是一种浪费,另外,编制程序一般都需要进行一定的分析和思考,这个工作在一个相对安静的工作环境中进行比较好。对于设备的优化和生产线的平衡,设备供应商和第三方的供应商都提出了软件解决办法。设备供应商主要是针对他们自己的设备开发软件。显然,设备供应商并不希望和竞争对手分享自己设备的定时模式,因此,他们的软件几乎是只限于他们自己的设备。使用设备供应商的优化软件生成的贴装程序通常是最好的。然而,对于使用来自不同供应商的设备的组装生产线来说,可能无法提供令人满意的解决办法。这就需要一种软件,能够对包括不同品牌设备的生产线进行平衡,在这个领域,第三方的软件可以提供解决办法。由于和设备供应商的关系是独立的,他们可以针对不同品牌的设备提供优化模块。有些软件商已经开发出了他们自己的生产线平衡软件和用户接口。关于不同设备的优化模块,他们可能会自己开发,也可能从原始设备制造商那里取得使用许可,不管哪种方法都能提供一个好的解决办法。然而,使用原始设备供应商的优化模块,再结合最好的定时模式和最新的设备功能,第三方的平衡软件可以提供最好的解决办法。目前提供这类功能的软件包括mitron、fab-master、unicam等,他们都与EAD厂商和设备供应商如Siemens、Philips、YAMAHA、Universal等合作,提供针对这些设备的优化模块。 五、?生产线平衡硬件一条SMT生产线可以看作是一组相互依赖的事物。如果生产线中存在瓶颈的话,这个瓶颈就将决定整条生产线的最大产量。由于生产波动导致生产线中出现临时性的不稳定,将会减少产量。生产波动还会引起失误的累积,而这些失误是无法弥补的。生产波动是由一些随意的事引起的,例如送料器空了、视觉检验错误、印制板代中断、设备问题等等。贴装过程也是相互依赖的,因为一台设备只有当流水线上的下一台设备处于等待状态时才能将印制板传下去。同样地,下一台取决于接下来的设备是否准备好。在SMT生产线中增加一台设备,可以解除生产线上的瓶颈问题,并提供一定的生产预留能力。这个预留能力能够吸收由生产波动引起的生产线临时性的不稳定。而且最终产量的增加远比单台增加的设备的生产能力所作出的贡献要大的生瓶颈现象。一个解决办法就是增加一台高精度装机,然而,更好的办法是增加一台高速、多功能的贴装机,能够适应包括细间距器件在内很大范围的。如果这台设备所能适应的元件范围覆盖了高速机和高精度机,它将能够解决无论由哪种设备所引起的瓶颈问题。目前贴机的发展趋势也反映出了客户的这种需求,许多设备制造商对贴装头做了新的改进,使其设备能够适应很大的范围的元器件,尤其是新型元器件,如BGA、CSP和flip?chip等,再加上图像处理系统的不断进步,贴装速度也在不断提高。然而,生产波动经常发生在高精度机,这是由几个原因造成的:首先,高精度机贴装的是比较复杂的元件,这些元件可能由于引脚弯曲问题无法通过视觉系统的检验。其次,有少数的大元件采用与小元件同样尺寸的盘式包装,就会由于补充而经常引起中断。 六、?生产线平衡和生产线的效率为了获得最大的产量,优化程序必须使每台设备的负荷都最小并且相等。然而,这只是一个方面,生产线的效率也是一个关键的问题。生成优化程序只是建立的静态的生产线平衡,而生产线原效率则包含了动态的内容。达到平衡是一方面,在不停的运转中保持平衡则是更复杂的另一方面。正像前面所讨论的,随机发生的设备中断明显会影响生产线的效率。然而,其它许多的操作方面的问题,例如,设置时间、操作人员的注意力、设备质量和维修计划都会影响生产线的效率。可以采取下列一些措施来提高SMT生产线的效率:1、将设备连成流水线,消除印制板的手工传送。2、使用送料器装载车,可脱机进行备用送料器的设备准备,减少更换时间。3、如果没有送料器载车,可以使用两套送料器,一套在设备上使用,另一套装好料盘备用,减少送料器的更换时间。4、使用熟练的操作人员,并依靠设备供应商对新的操作人员进行培训。5、定期进行预防性的设备维护。6、经常对MIS数据进行分析,提前找出可能存在的问题,相应地进行解决。7、使用条码分送器,或印制板上下料机来保证印制板供应的连续性。8、设备之间的缓冲装置可以消除随机中断带来的影响,也可防止印制板沿生产线堆积或分散。 七、?缓冲设备缓冲设备可以消除或减轻各种临时性的中断对自动化流水线的影响,足够的缓冲装置可以明显提高生产寿终正寝的产理,即使前面或后面的设备停止运行了,生产线上的其它设备也可以继续进行和平。目前缓冲设备有许多类型,包括只能储存几块反的缓冲传送台和能储存多块板的立式缓冲台。在实际生产中,通常采用三种缓冲解决办法:?1、?缓冲传送台是成本最低的办法,通常可以缓冲三块板。还很容易和手工检测台结合使用。?2、?LIFO缓冲台通常比FIFO缓冲台的成本要低。LIFO的缺点是当产品更换以后,旧的产品可能还在LIFO中存着,因为最后一块板进来以烃后是先出去。LIFO缓冲台通常用于焊接以后的缓冲,在这种情况下,前面所提到的缺点就可以不用考虑。?3、?从生产线效率的角度来考虑,FIFO缓冲台是理想的解决办法。所需的缓冲台的尺寸取决于随机中断发生的周期、频率和分布位置。使用模拟软件可以估计出缓冲的容量。结论为了使SMT生产线获得最大的产量,需要考虑两方面的内容:生产线平衡和生产线的效率。实现生产线的平衡可以利用先进的软件技术,但还有许多不好确定的因素,特别是在高速机和高精度机之间的功能差距,解决办法是在二者之间增加一台设备,进行过渡,就可以实现生产线一和生产线效率的优化,当然,这台设备需要具有高速贴装各种类型元件的能力,所带来的好处会远远超过增加的单台设备所提供的生产能力。另外,具备了足够的缓冲容量,整条生产线的产量也将会有明显的提高。总之,只有不断采用新技术,提高投资回报率,才能增强印制板组装厂商的竞争能力。