一种基于聚类的LED贴片机拾贴路径优化方法与流程

本发明涉及贴片机表面拾贴技术的优化方法，特别涉及一种基于聚类的led贴片机拾贴路径优化方法。
背景技术：
：印制电路板(printedcircuitboard,pcb)被广泛地应用于现如今人们日常生活中所用到的电子产品中。pcb上的电子元件可以被分为直插式和贴片式两大类，在日益追求印制电路板小型化、精密化的今天，贴片式元件取代直插式元件逐渐占据主流。表面贴装技术指将各种电子元件安装在印制电路板表面上的电路装连技术，安装点也被称为贴装点。随着近几年led(lightemittingdiode)的迅速普及，led印制电路板组装技术也日益被重视起来。聚类是指按照某个特定标准(如距离准则)将物理或抽象对象的集合分成由类似的对象组成的多个类的过程，使得同一个类内的数据对象的相似性尽可能大，不同类中的数据对象的差异性也尽可能地大，完成数据分类的功能。聚类方法被广泛地应用于数据分析、数据挖掘等领域。led贴片机通常为单动臂并列式贴片头贴片机，由两条定臂和一条动臂组成，定臂带动动臂实现并列式贴片头在加工平面x轴和y轴方向上的移动。并列式贴片头，区别于旋转式贴片头，其由并排排列的吸杆组成。贴片头上的每个吸杆可以在电机的驱动下垂直运动完成对元件的拾取和贴装。吸杆内部中空且与真空泵相连，真空泵用于在吸杆内部抽取和释放气体形成吸杆内外压差。飞行相机是贴片机中重要的光学检测元件，其安装在各个吸杆上方，用于检测元件位置偏移值与角度偏转值。飞行相机能够节约识别时间，提高效率，其检测速度比固定相机快。可识别范围较小、识别精度较低的飞行相机可以在保证生产效率的基础上满足led贴片机要求的生产精度。贴片机开始工作时，印制电路板经由传送带传送到指定位置，该位置由止档捎确定。led由可插入标准机械接口(图1所示供料器架)的供料器提供。贴片头在供料器与印制电路板之间往复运动完成贴装任务。整个工作流程包含以下几步：步骤一：传送带导入pcb，安装供料器，由于贴片机的吸杆间距是飞达槽位间距的2倍，供料器应间隔1个槽位进行安装保证贴片头同时吸取元件。所有供料器构成供料器组，供料器组的中心位置应接近pcb上所有贴装元件的中心位置。步骤二：贴片头移动至供料器上方，所有吸杆下降、真空泵抽取气体从供料器中同时拾取多个元件；拾取后，吸杆复位并通过飞行相机对元件的位置和角度偏移进行补偿，该步骤通常被称为拾取过程；步骤三：贴片头逐个移动至指定贴装点，对应的吸杆下降、真空泵释放吸杆内部气体形成向下的压力贴装元件在预先涂油粘接剂的pcb上、随后吸杆复位，该步骤通常被称为贴装过程；步骤四：贴片头返回供料器，执行步骤一、直至所有待贴装点完成贴装。拾取过程和贴装过程共同构成了拾贴过程，完成一次完整的拾贴过程用时被称为一个拾贴周期。规定操作人员面向机器的方向为y轴方向，水平面内与之相垂直的方向为x轴方向，垂直于水平面的方向为z轴方向，印制电路板的左下角为参考原点。对吸杆和供料槽位沿x轴进行编号。生产效率是对贴片机整个加工过程中各个环节的综合考量。印制电路板经传送带导入、贴片头移动至吸嘴库安装/更换吸嘴、安装供料器、吸杆沿z轴方向运动拾贴元件以及飞行相机对元件进行检测等环节的用时相对固定，决定贴片机生产用时主要因素是拾贴路径长度。提升贴片机生产效率的关键在于缩短拾贴路径的长度。此外，贴装点的安放顺序和吸杆贴装元件序号、供料器的安装位置都会影响到贴片头的移动距离。目前主要的商业软件在对led拾取路径进行优化时，通常采取固定的优化策略与随机搜索相结合的方式，搜索用时较长且优化结果不理想。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有商业软件在对led拾取路径进行优化时，通常采取固定的优化策略与随机搜索相结合的方式，，导致搜索用时较长且优化结果不理想，led贴片生产工作效率低的问题，而提出一种基于聚类的led贴片机拾贴路径的快速优化方法。一种基于聚类的led贴片机拾贴路径优化方法具体过程为：步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。本发明的有益效果为：本发明阐述了一种基于聚类的led拾贴路径快速优化方案，其具体思路是：结合led贴片机的生产特性，构造距离矩阵，距离矩阵中存储有吸杆s1拾取元件c1时贴片头的位置和吸杆s2拾取元件c2时贴片头的位置之间的chebyshev距离，其中s1、s2为吸杆索引，c1、c2为元件索引。聚类以拾贴时贴片头接近为原则进行分组，将贴片头拾贴元件时相近的拾贴点划分到同一个拾贴周期，将拾贴问题拆分为各拾贴周期的子问题，实现拾贴路径最优。在确定拾贴周期各吸杆贴装元件后，而后用动态规划确定拾贴周期内安装各个贴装点的先后顺序。动态规划算法通常用于求解具有最优性质的问题，其基本思想也是将待求解问题分解成若干个子问题，先求解子问题，然后从这些子问题的解得到原问题的解，在求解多阶段决策问题最优解具有优势。实验结果表明，本发明提供的方法可以大幅提升贴片机的生产效率，对拾贴路径的缩减达12.98％，能在较短的时间内使搜索结果逼近全局最优解。本发明的主要创新点在于(1)综合考虑了各拾贴周期内的吸杆的贴装点分配结果和贴装顺序结果，将贴片机加工效率问题拆分到各个拾贴周期进行考虑；(2)基于聚类的搜索策略，能快速逼近全局最优解。附图说明图1所示为本发明流程图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种基于聚类的led贴片机拾贴路径优化方法具体过程为：步骤一：将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；步骤二：用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；步骤三：根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中将贴装点坐标转换为贴片头贴装元件时最左侧吸杆的坐标，计算不同吸杆贴装元件时贴片头的chebyshev距离，构造相应的距离矩阵；具体过程为：步骤一一：定义s·numcp行s·numcp列的距离矩阵dist，初始化行索引r＝1，记列索引为c；其中，numcp为元件总数，s为吸杆总数；对于距离矩阵中元素dist(r,c)，dist(r,c)表示元件r％numcp由吸杆拾取时，贴片头位置相较元件c％numcp由吸杆拾取之间的chebyshev距离；定义两个元件拾贴时贴片头的距离为拾贴距离，距离矩阵存储的元素值也是拾贴距离；其中，“％”表示除法中的取余操作；步骤一二：初始化列索引c＝1，确定距离矩阵中各行、列对应的吸杆分别为和计算方法如下：rowrod＝＝colrod时，有dist(r,c)＝inf；rowrod≠colrod时，行、列所代表的元件分别为rowcp＝r％numcp和colcp＝c％numcp；rowcp＝＝colcp时，dist(r,c)＝inf；rowcp≠colcp时，dist(r,c)＝max{|cpx(colcp)-cpx(rowcp)+(rowrod-colrod)·rod_interval|,|cpy(colcp)-cpy(rowcp)|}，式中，cpx(colcp)为元件colcp的x轴坐标，cpx(rowcp)为元件rowcp的x轴坐标，cpy(colcp)为元件colcp的y轴坐标，cpy(rowcp)为元件rowcp的y轴坐标，rod_interval为吸杆间隔，rod_interval＝30；“inf”表示无穷大的数，“＝＝”表示元素的值相等；步骤一三：列索引c递增1，跳转至步骤一二，直至c＞s·numcp，执行步骤一四；步骤一四：行索引r递增1，令列索引c＝1，跳转至步骤一二，直至r＞s·numcp，至此完成距离矩阵dist的生成；生成矩阵按numcp行numcp列进行分块，位于矩阵主对角线上的分块矩阵为元素全为inf的矩阵，各分块矩阵主对角线元素值为inf。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中用聚类的方法从步骤一中的距离矩阵中选出一组距离和最小的元素，作为各个拾贴周期拾贴的元件序号；具体过程为：步骤二一：初始化拾贴周期计数量cntcycle＝1，拾贴周期总数步骤二二：确定当前拾贴周期cntcycle所用吸杆数useds，cntcycle＜numcycle时，useds＝s，否则useds＝numcp-(numcycle-1)·s，初始化元件计数量cntcp＝1；步骤二三：定义rd为包含有useds个初值全为0元素的数组，rd(s)表示吸杆s吸取元件cntcp为前提一个拾贴周期内贴片头移动最小的距离；步骤二四：cnts为吸杆索引，从1～useds依次取值，提取元件cntcp使用吸杆cnts在矩阵dist中对应的行roldist＝dist(cnts,:)，从roldist逐个提取useds-1个最小的元素，将对应位置元素值赋为inf，若提取的第m个最小元素的索引为n，则有cs(cnts,m+1)＝n％numcphs(cnts,1)＝cntsrd(cnts)＝rd(cnts)+dist(cnts,n)式中，“:”表示全部行或列元素；cs和hs为useds行useds列矩阵，分别存储搜索到的贴装点序号和吸杆序号，cs首列元素的值均为cntcp；步骤二五：记rdtemp为rd中值最小的元素，对应索引为d，定义rdbest为rdtemp的历史最优解，其初值为inf，若rdtemp＜rdbest，有rdbest＝rdtemp，suckrod(cntcycle,hs(i))＝cs(d,i)，i＝1,2…,useds；步骤二是为了求解suckrod，就是完成各个拾贴周期(各吸杆)拾贴的元件序号；i＝1,2,…,useds对应各个吸杆贴装拾贴点时贴片头的位置；若rdtemp≥rdbest，rdbest的值不变；式中suckrod为拾贴周期内元件吸取矩阵，suckrod中的第k行suckrod(k,:)代表了拾贴周期k中拾贴的元件序号，suckrod的k行s列元素suckrod(k,s)为拾贴周期k中吸杆s拾贴的元件序号；步骤二六：元件计数量cntcp自增1，重复步骤二三～步骤二五，直至cntcp＞useds；步骤二七：周期计数变量cntcycle自增1，重复步骤二二～步骤二六，确定各拾贴周期的贴装点，直至cntcycle＞numcycle。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中根据步骤二中各个拾贴周期拾贴的元件序号，用动态规划的方法确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序；步骤三一：初始化拾贴周期计数变量cntcycle＝1，拾贴周期总数:步骤三二：useds为当前拾贴周期cntcycle使用吸杆数，对并列式贴片头在当前拾贴周期内所必须经过的点进行编号，i＝useds+1表示贴片头在供料器中拾取元件时的位置编号，沿着x轴方向按i＝1,2,…,useds对各个装有元件的吸杆在贴装元件时贴片头的位置进行编号，head为大小为useds的向量，存储贴片头在各贴装点完成贴装时所用的吸杆编号；步骤三三：定义useds+1行useds+1列的拾贴周期内贴装点距离矩阵mountdist，计算拾贴周期内贴装点距离矩阵mountdist中所有元素的值，对于其中的第r行第c列元素mountdist(r,c)表示贴片头位于位置r和位置c之间的chebyshev距离，计算方法如下：1)r＝＝c时，mountdist(r,c)＝inf，2)r≤useds,c≤useds时，mountdist(r,c)＝max(|cppx(r)-cppx(c)-{head(r)-head(c)}·rod_interval|,|cppy(r)-cppy(c)|)3)r≤useds,c＝＝useds+1时，mountdist(r,c)＝max(|aveslotx-cppx(r)+{head(r)-1}·rod_interval|,|avesloty-cppy(r)|)4)r＝＝useds,c≤useds+1时mountdist(r,c)＝max(|aveslotx-cppx(r)+{head(c)-1}·rod_interval|,|avesloty-cppy(c)|)式中，cppx(r)为贴装点r的x轴坐标，cppx(c)为贴装点c的元件x轴坐标，cppy(r)为贴装点r的y轴坐标，cppx(c)为贴装点c的y轴坐标；head(r)为对贴装点r进行贴装时所用的吸杆编号，head(c)为对贴装点c进行贴装时所用的吸杆编号；aveslotx为供料器组中心的x坐标，avesloty为供料器组中心的y坐标，max(·)表示取向量所有元素中的最大值；规定常数和向量做减法等价于用常数分别和向量中的各个元素做减法；r、c为行、列索引，也是贴装点索引；拾贴周期内贴装点距离矩阵mountdist不同于距离矩阵dist，其仅存储了当前拾贴周期内贴片头贴装不同元件时的距离信息；步骤三四：动态规划确定最短贴装路径，d(i,v)表示从点i出发经过点集v中各点有且只有一次，最后返回点i的最短路径长度，有如下递推关系式：于是有最短拾贴路径长度min_dist的计算方法：min_dist＝d(useds+1,v),v＝{1,2,3,useds}；其中，{}表示集合，v-{j}表示从集合v去除其中的元素j；步骤三五：回溯法确定拾贴路径；步骤三六：周期计数量cntcycle自增1，重复步骤三二～步骤三五，直至cntcycle的值大于numcycle。其它步骤及参数与具体实施方式一至三相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三五中回溯法确定拾贴路径：步骤三五一：令v＝{1,2,…,useds}表示拾贴过程中须经过的贴装点编号，seq为贴装顺序索引变量，初始化seq＝1，k1＝useds+1表示贴片头从供料器中拾取元件时的位置，即拾贴路径中起点的编号；步骤三五二：记当前拾贴周期第seq个贴装点编号为k2∈v，k2满足：min_dist＝＝d(k2,v-{k2})+mountdist(k1,k2)，mountseq(cntcycle,seq)＝k2，步骤三是为了求解mountseq就是确定各拾贴周期贴装元件的先后顺序；式中，mountseq表示拾贴周期内元件拾贴顺序矩阵；mountseq矩阵中的第cntcycle行mountseq(cntcycle,:)表示拾贴周期cntcycle中元件拾贴的先后顺序；mountseq矩阵中的第cntcycle行seq列mountseq(cntcycle,seq)表示拾贴周期cntcycle中第seq贴装的元件序号；步骤三五三：当前拾贴周期中移除已知的贴装路径，更新拾贴路径起点编号，具体为：min_dist＝min_dist-mountdist(k1,k2)，k1＝k2，v＝v-{k2}；步骤三五四：seq自增1，重复执行步骤三五二～步骤三五三，直至seq＞useds。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。采用以下实施例验证本发明的有益效果：实施例一：本实例选用一种单动臂并列式贴片头贴片机对led拾贴过程进行优化，该贴片机的输入信息为表1中的pcb数据文件。表1pcb数据文件表1中，cp(c)表示第c个元件，{cpx(c),cpy(c)}为其对应坐标，如cp(14)的坐标为(127，42)，元件总数numcp＝60。计算上述贴装元件的平均x轴坐标：同时导入吸杆和供料器槽的相关信息：可用吸杆数s＝6，槽位间隔slot_interval＝15，记供料器槽f的坐标为{slotx(f),sloty(f)}，有slotx(f)＝-29.267+(f-1)·slot_interval。确定供料器组的中心槽位号aveslotn及对应的坐标(aveslotx,avesloty)：aveslotx＝slotx(aveslotn)＝630.733，avesloty＝sloty(1)＝54.544出于同时吸取的目的，供料器个数应和可用吸杆个数相同，故供料器的槽位坐标分别为40、42、44、46、48和50。按照具体实施方式，拾贴路径的优化结果为：如前所述，suckrod和mountseq共同决定了贴片头的拾贴路径。以拾贴周期3为例，其表示贴片头在拾取元件后，先以吸杆3贴装cp13，随后依次以吸杆5贴装cp22、以吸杆4贴装cp21、以吸杆6贴装cp20、以吸杆2贴装cp24，最后以吸杆1贴装cp23。比较本发明与商业软件的拾贴路径规划结果，由表3可见，相比商业软件，本发明可实现拾贴路径改进12.98％。表2拾贴路径规划效果的比较拾贴路径长度本发明2714.845mm某商业软件3119.845mm改进比例12.98％本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页12