高速高精度多功能贴片机及产业化关键技术研究

论文题目: 高速高精度多功能贴片机及产业化关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 控制理论与控制工程

作者: 袁鹏

导师: 胡跃明

关键词: 表面组装技术,贴片机,点模式,伞布算法,喂料器指派

文献来源: 华南理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 表面封装技术(SMT)是衡量电子制造业技术水平的重要标志，全自动贴片装备是SMT生产线中的关键设备。该类设备长期依赖进口，国内一直未有成功研制的并市场化的报道。作者三年来一直致力贴片机核心技术的研究，目前已与广东风华高科属下肇庆新宝华公司成功合作完成贴片机的研发工作，并已推向市场。本文对高速高精度全自动贴片机研制过程中的关键核心问题进行了深入的研究。取得了以下几个主要成果：1．在深入分析系统性能需求的和借鉴国外先进机型设计经验的基础上，对贴片机的整体硬件设计方案进行了讨论。设计了基于PC104结构的贴片机的IO控制系统。对运动控制系统中XY两个关键运动轴的性能需求做了重点分析，并介绍了解决的方案以及实际达到的性能指标。讨论了视觉处理系统的方案选择，并分析了本机所采用的飞行对中视觉处理技术的优点。2．针对贴片机元件图像识别的高速高可靠性的图像识别定位算法的研究，提出了将分水岭变换、边缘检测与阈值分割相结合以及集水盆合并处理的改进算法。该算法可以比较好的处理物体的分割和背景的抑制与消除问题。实现了贴装元件图像的正确分割。3．讨论了现有图像模板匹配算法在贴片机芯片定位应用中的缺陷，提出采用点模式匹配算法对QFP、BGA等高密度管脚芯片进行图像定位处理。算法中考虑到一般IC芯片引脚多为对称布局的特点，提出一种快速点模式匹配算法，该算法效率较高，可大大减少了匹配的计算量。通过用IPC-9850 QFP100评估板进行评估，结果表明所设计的算法完全达到贴片机芯片图像定位的可靠性、重复性以及定位精度的要求。4．在研究贴片机贴装时间优化算法方面，以多贴装头直列动臂式贴片机为研究对象，以工PC-9850 1608C标准板为范例详细地分析和论述了此类贴片机贴装时间优化问题的研究内容。针对喂料器已指派情况下的元件贴装顺序优化问题，首次提出了基于伞布搜索(SS)优化算法，并详细介绍了具体实现步骤。首先，介绍了SS算法初始种解的生成方法以及如何保证初始种解的多样性，从而增加搜索收敛于全局最优解可能性的方法。其次讨论了待评估解的改良算法的设计思路和实现方法。再次，从所研制的贴片机贴装优化的特点出发，提出了SS算法参考解集的生成和合并规则以及如何避免参考解集重复解的判定方法。最后对该算法的优化效果进行了验证。结果表明所设计的SS算法整体的优化效果比遗传算法GA提高14％～25％。随着元件数量的增加，SS2算法的优化性能也更好。5．在喂料器指派问题方面，指出目前已知算法存在元件类型—喂料器一一映射的强约束条件，无法满足实际生产的需求。针对本文所研制的贴片机的结构特点，提出了一种不同于已有算法的优化算法。该算法提出元件类型—喂料器一多映射的改进思路，从混合优化的角度出发，在问题的不同求解阶段采取不同的优化策略，在降低问题复杂度和简化求解过程的同时，还能保证得到一个较为合理的优化方案。通过对IPC-9850 1608C标准板进行优化验证，以及与基于BIA免疫算法的优化算法的比较，试验结果表明该算法性能已达到进口同档机型的水平，整体的优化效果比BIA免疫算法要好。该算法具有优化效果较好、运算时间短的优点，适用于大规模或超大规模贴装时间优化问题的求解。同时，该算法具有较强的通用性，适用于任意数目贴装头的贴片机。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 SMT及其发展

1.1.1 SMT简介

1.1.2 贴片机的发展历程和现状

1.1.3 国内SMT发展概况

1.2 本课题的意义

1.3 本文的主要研究内容和章节安排

1.3.1 本文的研究内容

1.3.2 本文的章节安排

第二章 课题背景知识和研究内容

2.1 贴片机结构特点介绍

2.2 贴片机视觉系统的研究现状

2.2.1 机器视觉概述

2.2.2 贴片机视觉系统

2.3 贴片机生产效率优化问题的研究现状

2.3.1 贴装时间优化问题的应用背景和理论研究

2.3.2 几种类型的贴片机及其优化算法研究

2.3.2.1 单吸嘴单贴装头的顺序贴片机

2.3.2.2 多贴装头直列式贴片机

2.4 IPC-9850标准简介

2.4.1 标准的目的

2.4.2 标准的背景

2.4.3 与精度相关的指标—CMM测量参数

2.5 本章小结

第三章 贴片机整机硬件系统设计

3.1 系统的性能需求和设计原则

3.1.1 整机系统的性能指标

3.1.2 系统基本机械特性

3.1.3 整机系统运行步骤

3.2 整机控制系统设计

3.2.1 IO控制系统设计

3.2.2 运动控制系统设计

3.3 图像采集系统设计

3.4 本章小结

第四章 芯片图像的采集与预处理

4.1 视觉系统光源设计

4.1.1 照明方式设计

4.1.2 光源的选择

4.2 元件图像的预处理

4.2.1 传统阈值分割算法及其缺陷

4.2.2 传统分水岭算法及其缺陷

4.2.3 改进分水岭算法

4.2.4 试验结果及分析

4.3 本章小结

第五章 贴片机芯片识别算法研究

5.1 元件图像识别算法研究

5.1.1 图像识别算法的选择

5.1.2 点模式算法简介

5.2 基于点模式算法的BGA芯片识别

5.2.1 BGA的封装类型

5.2.2 贴片生产中的BGA的芯片对中算法

5.3 基于点模式算法的QFP芯片识别

5.3.1 QFP芯片管脚的点集表达

5.3.2 QFP芯片点模式匹配

5.4 算法评估

5.5 本章小结

第六章 基于伞布搜索法的贴装顺序优化

6.1 贴片机贴装时间优化问题分析

6.2 伞布搜索法简介

6.3 贴装顺序优化问题模型

6.4 伞布搜索法SS的实现

6.4.1 多样性解集的产生

6.4.2 改良解集算法

6.4.3 参考解集的建立和合并

6.5 算法评估

6.5.1 基于两种改良算法的SS优化算法比较

6.5.2 SS2与遗传算法(GA)比较

6.6 本章小结

第七章 贴片机喂料器指派问题研究

7.1 喂料器指派问题分析

7.2 贴片机贴装时间优化算法描述

7.2.1 数学符号约定

7.2.2 优化算法描述

7.2.3 优化问题的预处理

7.2.4 确定元件类型、数量—喂料器分配方式

7.2.5 确定吸嘴-贴装头分配方式

7.2.6 构造喂料器组

7.2.7 贴装时间优化问题的分析和求解

7.3 优化效果评估

7.3.1 IPC-9850标准板优化效果评估

7.3.2 与BIA免疫算法的比较

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2006-10-18

参考文献

• [1].片式电子元件贴装设备动力学性能研究[D]. 肖永山.中南大学2008
• [2].精密电子表面贴装生产优化问题研究[D]. 陈铁梅.华南理工大学2012
• [3].表面组装生产过程中PCB组装时间优化问题研究[D]. 刘海明.华南理工大学2010
• [4].超薄芯片真空拾取与贴装工艺机理研究[D]. 徐洲龙.华中科技大学2016

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