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1. WO2020192881 - METHOD FOR DETERMINING SET-UP FAMILIES FOR A PICK-AND-PLACE LINE FOR POPULATING CIRCUIT BOARDS WITH ELECTRONIC COMPONENTS

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[ DE ]

Beschreibung

Verfahren zur Bestimmung von Rüstfamilien für eine Bestü ckungslinie zur Bestückung von Leiterplatten mit elektroni schen Bauteilen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim mung von Rüstfamilien für eine Bestückungslinie zur Bestü ckung von Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen bzw. Bauelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuer einrichtung für eine Fertigungs- oder Montagelinie zur Bestü ckung von Leiterplatten mit Bauelementen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt und ein computer lesbares Medium.

Insbesondere im Bereich der Elektronikproduktion werden zu fertigende Leiterplatten bzw. Baugruppen auf SMT-Bestückungs-linien durch Oberflächenmontage (surface mounted technology, SMT) hergestellt.

Eine Rüstfamilie ist bestimmt als eine Menge von Leiterplat ten bzw. Baugruppen, die auf einer Bestückungslinie bestückt werden können, ohne die Menge der Bauteiltypen bzw. Bauele menttypen zu ändern, die an der Bestückungslinie für die Be stückung bereit gehalten sind. Bestehende Werkzeuge zur Be stimmung von Rüstfamilien erfordern häufig entweder einen ma nuellen Aufwand oder liefern nicht immer überzeugende Resul tate. Andere bekannte Werkzeuge sind zur Verwendung an ein bestimmtes Bestückungssystem gebunden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Technik zur Zuordnung bzw. zur Verteilung von Leiterplatten auf eine vorgegebene bzw. vorgebbare Anzahl von Rüstfamilien bereitzustellen mit minimaler Anzahl von zu rüstenden Bau teiltypen .

Eine minimale Anzahl von auf Wechseltischen zu rüstenden Bau teiltypen bringt eine Einsparung von Zeit und wirtschaftli- chen Kosten mit sich, wobei die Wechseltische die Bauelemente für die Fertigung der Leiterplatten auf einer Linie Vorhal ten. Die Menge der an der Bestückungslinie bereit gehaltenen Bauelementtypen wird auch Rüstung genannt. Es wird üblicher weise davon ausgegangen, dass stets ausreichend viele Bautei le jedes Bauteiltyps an der Bestückungslinie bereitgehalten sind .

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .

Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Bestimmung von Rüstfamilien für eine Bestückungslinie zur Bestückung von Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen eines oder mehre rer Bauteiltypen, wobei das Verfahren folgende Schritte um fasst :

- Erfassen einer vorgegebenen oder vorgebbaren Anzahl von Rüstfamilien,

- wobei eine Rüstfamilie bestimmt ist als eine Menge von Lei terplatten, die auf einer Bestückungslinie bestückt werden können, ohne die Menge der Bauteiltypen zu ändern, die an der Bestückungslinie für die Bestückung bereitgehalten werden; dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Zuordnung von zu verteilenden Leiterplatten auf die erfasste Anzahl der Rüstfamilien derart mittels einer ganz zahligen Linearen Programmierung optimiert wird, dass die Summe der Anzahlen an Bauteiltypen pro Rüstfamilie minimiert wird .

Mit der gewonnenen Zuordnung kann die Bestückung der Leiter platten in der ihnen zugeordneten Rüstfamilie durchgeführt werden .

Damit werden weniger Rüstplätze benötigt, da insgesamt eine redundante Rüstung von Bauteilen gleichen Bauteiltyps vermie den wird.

Die erfasste Anzahl von Rüstfamilien kann eine minimale An zahl von Rüstfamilien repräsentieren.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für die Men ge der Bauteiltypen, die an der Bestückungslinie für die Be stückung bereitgehalten werden, ein maximaler Schwellenwert in Form eines maximalen Füllgrades vorgegeben wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zuord nung von zu verteilenden Leiterplatten auf die erfasste An zahl der Rüstfamilien zudem derart erfolgt, dass die Leiter platten einer Teilmenge der zu verteilenden Leiterplatten derselben Rüstfamilie zugeordnet wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zuord nung von zu verteilenden Leiterplatten auf die erfasste An zahl der Rüstfamilien zudem derart erfolgt, dass die Leiter platten einer Teilmenge der zu verteilenden Leiterplatten je weils einer anderen Rüstfamilie zugeordnet werden.

Mit dem Verfahren lassen sich für kleine und mittlere Prob lemgrößen, wie z.B. für die Festrüstungslinien in relativ kurzer Zeit sehr gute Ergebnisse erzielen. Zudem ist das Ver fahren sehr flexibel, d.h. es können leicht zusätzliche Rest riktionen und weitere niedrig gewichtete Zielfunktionskompo nenten eingebaut werden. Bei Reduzierung von Festrüstungen ergeben sich zeitliche und wirtschaftliche Einsparungen. Das Verfahren kann mit allen üblichen Bestückungslinien verwendet werden .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht eine Steuerungsein richtung vor, die insbesondere zur Durchführung des Verfah rens nach oben genannter Art und dessen Ausführungsformen ausgebildet ist. Die Steuerungseinrichtung kann ein dem Be stückungssystem beigeordneter und ggf. abgesetzt angeordneter Rechner oder ein in das Bestückungssystem integriertes Steue rungsmodul sein.

Die Steuerungseinrichtung zur Bestimmung von Rüstfamilien für eine Bestückungslinie zur Bestückung von Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen eines oder mehrerer Bauteiltypen, weist auf:

- Mittel zum Erfassen einer vorgegebenen oder vorgebbaren An zahl von Rüstfamilien,

- wobei eine Rüstfamilie bestimmt ist als eine Menge von Lei terplatten, die auf einer Bestückungslinie bestückt werden können, ohne die Menge der Bauteiltypen zu ändern, die an der Bestückungslinie für die Bestückung bereit gehalten werden; Gekennzeichnet durch

- Mittel zur Zuordnung von zu verteilenden Leiterplatten auf die erfasste Anzahl der Rüstfamilien, die dazu ausgelegt sind, diese Zuordnung derart mittels einer ganzzahligen Line aren Programmierung zu optimieren, dass die Summe der Anzah len an Bauteiltypen pro Rüstfamilie minimiert wird, und

- Mittel zur Durchführung der Bestückung der Leiterplatten in der ihnen zugeordneten Rüstfamilie.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm ( -Produkt) mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfah rens nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wenn es auf einer Steuerungseinrichtung der oben genannten Art ab läuft oder auf einem computerlesbaren Medium gespeichert ist.

Das Computerprogramm bzw. -produkt kann auf einem computer lesbaren Medium gespeichert sein. Das Computerprogramm bzw. -produkt kann in einer üblichen Programmiersprache (z.B. C++, Java) erstellt sein. Die Verarbeitungseinrichtung kann einen marktüblichen Computer oder Server mit entsprechenden Einga be-, Ausgabe- und Speichermitteln umfassen. Diese Verarbei tungseinrichtung kann in der Steuerungseinrichtung oder in deren Mitteln integriert sein.

Die Steuerungseinrichtung sowie das Computerprogramm ( -Produkt) können analog zum oben genannten Verfahren weiter-bzw. ausgebildet sein.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Bestückungssystem;

Fig. 2 eine Veranschaulichung zur Bildung von Rüstfamilien am Bestückungssystem von Fig. 1 gemäß der Erfindung.

Eine mögliche Optimierungsmethode zur Optimierung der Zuord nung der zu verteilenden Leiterplatten ist die lineare Opti mierung. Sie befasst sich mit der Optimierung linearer Ziel funktionen über einer Menge, die durch lineare Gleichungen und Ungleichungen eingeschränkt ist. Sie ist Grundlage der Lösungsverfahren der (gemischt-) ganzzahligen linearen Opti mierung. Ein sogenannter Solver (Löser) ist eine Sammelbe zeichnung für spezielle mathematische Computerprogramme, die mathematische Probleme numerisch lösen können. Im Zusammen hang mit MILP (mixed integer linear programming bzw. gemischt ganzzahlige lineare Programmierung) können für IP-Programme (ganzzahlige Optimierungsmodelle) Standardsolver wie z.B. CPLEX, Scip, Gurobi, Xpress verwendet werden.

Figur 1 zeigt ein Bestückungssystem 100. Das Bestückungssys tem 100 umfasst mehrere Bestückungslinien 110 und eine Steu ereinrichtung 115 zur Zuordnung von Leiterplatten 120 an die Bestückungslinien 110. Jede Bestückungslinie 110 umfasst üb licherweise ein Transportsystem 125 und ein oder mehrere Be stückungsautomaten 130. Jeder Bestückungsautomat 130 umfasst einen oder mehrere Bestückungsköpfe 135, die jeweils dazu eingerichtet sind, von einem konstanten Tisch 140 oder einem variablen Tisch 145 Bauelemente aufzunehmen und an einer vor bestimmten Position auf der Leiterplatte 120 zu positionie ren, die sich auf dem Transportsystem 125 befindet.

Während des Bestückungsvorgangs besteht die Leiterplatte 120 bezüglich des Bestückungsautomaten 130 üblicherweise still. Die Tische 140, 145 umfassen jeweils eine Vielzahl Zufüh rungseinrichtungen 150, von denen nur eine exemplarisch dar gestellt ist. Jede Zuführungseinrichtung 150 hält einen Vor rat von Bauteilen 155 eines vorbestimmten Typs bereit. Zwar kann jede Zuführungseinrichtung 150 zur Bereithaltung unter schiedlicher Bauteile bzw. Bauelemente 155 konfiguriert wer den und unterschiedliche Zuführungseinrichtungen 150 an einem Tisch 140, 145 angebracht werden, jedoch werden die Tische 140, 145 aus Geschwindigkeitsgründen üblicherweise komplett ausgetauscht, wenn ein Bestückungsautomat 130 mit Bauteilen 155 versorgt werden muss, die nicht auf einem der angebrach ten Tische 140, 145 vorgehalten sind.

Da ein solcher Wechsel üblicherweise mit einem Produktions stillstand verbunden ist, wird angestrebt, die Zahl der zu wechselnden Tische 140, 145 gering zu halten. Wird ein Tisch während eines Umrüstvorgangs nicht ausgetauscht, so wird er als konstanter Tisch 140 bezeichnet, ansonsten als variabler Tisch 145. Funktionale Unterschiede zwischen einem konstanten Tisch 140 und einem variablen Tisch 145 bestehen ansonsten nicht .

Die Leiterplatte 120 ist mit einer Anzahl unterschiedlicher Bauteile 155 zu bestücken. Um ein häufiges Wechseln von vari ablen Tischen 145 zu minimieren und idealerweise eine Zahl konstanter Tische 140 zu maximieren, ist die Steuerungsein richtung 115 dazu eingerichtet, die Zuordnung einer Leiter platte 120 an eine der Bestückungslinien 110 zu optimieren. Dabei müssen üblicherweise spezifische Eigenschaften jeder Bestückungslinie 110 bzw. jedes Bestückungsautomaten 130 ge nauso berücksichtigt werden, wie Eigenschaften der Leiter platten 120 bzw. der auf ihnen zu bestückenden Bauteile 155.

Figur 2 zeigt eine Veranschaulichung 200 von Rüstfamilien, auch „Cluster" genannt. Betrachtet werden eine erste Leiter platte 205, eine zweite Leiterplatte 210 und eine dritte Lei- terplatte 215, die jeweils einer der Leiterplatten 120 im Be stückungssystem 100 aus Figur 1 entsprechen. Auf der ersten Leiterplatte 205 ist eine erste Menge 220 von Bauteilen 155, auf der zweiten Leiterplatte 210 eine zweite Menge 225 von Bauteilen 155 und auf der dritten Leiterplatte 215 eine drit te Menge 230 von Bauteilen 155 zu bestücken. In exemplari scher Weise umfassen die Mengen 220, 225 und 230 jeweils un terschiedliche Bauteil- bzw. Bauelementtypen, die mit unter schiedlichen Formen gekennzeichnet sind und von denen jeweils Bauteile 155 in unterschiedlichen Anzahlen verwendet werden. Den Mengen 220 bis 230 von Bauteilen 155 sind daher Mengen 235 bis 245 von Bauteiltypen zugeordnet. In den Mengen 235 bis 245 findet sich jedes der unterschiedlichen Bauteile 155 der entsprechenden Menge 220 bis 230 nur einmal wieder.

Eine Rüstfamilie umfasst diejenigen Leiterplatten 120, die zur Bestückung auf einer Bestückungslinie 100 zugeordnet sind. Im Beispiel von Figur 2 sind die Leiterplatten 210 und 215 der gleichen Bestückungslinie 110 zugeordnet und bilden eine erste Rüstfamilie 250. Die erste Rüstfamilie 250 erfor dert daher eine erste Rüstung 265 mit Bauteiltypen, die den Leiterplatten 210 und 215 zugeordnet sind. Im dargestellten Beispiel umfasst die erste Rüstung 265 fünf Bauteiltypen . Un ter Bereitstellung des Bauteiltyps der ersten Rüstung 265 lassen sich die Leiterplatten 210 und 215 der ersten Rüstfa milie 250 ohne Umrüstung auf der Bestückungslinie 110 bestü cken, wobei davon ausgegangen wird, dass höchstens fünf ver schiedenen Bauteiltypen in einer Rüstung Platz finden.

Die dritte Leiterplatte 205 bildet allein eine zweite Rüstfa milie 255. Eine der zweiten Rüstfamilie 255 zugeordnete zwei te Rüstung 260 umfasst einen Bauteiltyp.

Die Summe der Bauteiltypen in den beiden Rüstungen ist mini mal .

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Freiheitsgrade bei der individuellen Verteilung der Leiterpatten auf die eine erfasste vorgegebene/vorgebbare oder zuvor berechnete bzw. bestimmte Anzahl von Rüstfamilien aus. Mittels einer ganzzah ligen Linearen Programmierung wird eine Zielfunktion berech net. Mit dieser Zielfunktion wird die Summe der Anzahlen an Bauteiltypen pro Rüstfamilie minimiert. Wenn das Beispiel in Figur 2 betrachtet wird, wird dadurch die zweite Leiterplatte 210 nicht der gleichen Rüstfamilie wie die Leiterplatte 205, sondern der gleichen Rüstfamilie wie die Leiterplatte 215 zu geordnet. Dadurch weist die Menge 235 einen Bauelementtyp und die Menge 240 vereinigt mit Menge 245 fünf Bauelementtypen auf. Die Summe der Anzahlen (eins plus fünf) an Bauteiltypen pro Rüstfamilie beträgt hierbei sechs und nicht zehn (fünf plus fünf) , wenn die zweite Leiterplatte 210 der gleichen Rüstfamilie wie die Leiterplatte 205 zugeordnet würde. Damit werden weniger Rüstplätze benötigt, da insgesamt eine redun dante Rüstung von Bauteilen gleichen Bauteiltyps vermieden wird

Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche Restriktionen berücksichtigt werden:

• Auf der Bestückungslinie gibt es Bauelement-Tisch- Restriktionen, d.h. Bauelemente dürfen nicht auf al len Tischen, sondern nur auf eine Teilmenge der Ti sche 140, 145 gerüstet werden.

• Der maximale Füllgrad einer Zuführeinrichtung kann eingehalten werden.

• Leiterplatten einer ersten Teilmenge der zu erteilen den Leiterplatten muss in dasselbe Cluster (z.B. die Ober- und Unterseite einer Leiterplatte) verteilt werden .

• Leiterplatten einer zweiten Teilmenge der Leiterplat ten darf nicht demselben Cluster, sondern muss je weils in ein anderes Cluster zugeordnet werden.

Mathematischer Hintergrund

Durch den Einsatz von exakten mathematischen Verfahren lassen sich deutlich bessere Lösungen erzielen als mit bisher in der Praxis verwendeten Heuristiken.

In der nachfolgend beschriebenen MILP-Formulierung gelten die folgenden Bezeichnungen:

Aus EP 2 829 166 Bl ist ein Verfahren zur Bildung von Rüstfa milien auf Bestückungslinien bekannt. Es wird hierin ein Verfahren beschrieben, mit dem bei gegebener Bestückungslinie und Leiterplattenmenge eine Menge von Rüstfamilien mit minimaler Anzahl bestimmt und damit für obiges F vorgegeben werden kann. Es sind jedoch auch andere Verfahren oder auch eine manuelle Eingabe denkbar, die die minimale Anzahl vorgeben können. Zudem kann auch eine beliebige andere Anzahl vorgegeben werden.

(1) Jeder Leiterplattentyp muss genau einer Rüstfamilie zuge ordnet sein:

(2) Wird eine Leiterplatte einer Rüstfamilie zugewiesen, so müssen auch alle Bauelementtypen dieser Leiterplatte in der Rüstung dieser Rüstfamilie gerüstet werden:

(3) Alle Bauelementtypen der Leiterplatten einer Rüstfamilie müssen mit ihrem Spurverbrauch in eine Rüstung passen:

(4) Variablenrestriktionen:

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Die Implementierung der vorstehend beschriebenen Prozesse o- der Verfahrensabläufe kann anhand von Instruktionen erfolgen, die auf computerlesbaren Speichermedien oder in flüchtigen Computerspeichern (im Folgenden zusammenfassend als computer lesbare Speicher bezeichnet) vorliegen. Computerlesbare Spei cher sind beispielsweise flüchtige Speicher wie Caches, Puf fer oder RAM sowie nichtflüchtige Speicher wie Wechseldaten träger, Festplatten, usw.

Die vorstehend beschriebenen Funktionen oder Schritte können dabei in Form zumindest eines Instruktionssatzes in/auf einem computerlesbaren Speicher vorliegen. Die Funktionen oder Schritte sind dabei nicht an einen bestimmten Instruktions satz oder an eine bestimmte Form von Instruktionssätzen oder an ein bestimmtes Speichermedium oder an einen bestimmten Prozessor oder an bestimmte Ausführungsschemata gebunden und können durch Software, Firmware, Microcode, Hardware, Prozes soren, integrierte Schaltungen usw. im Alleinbetrieb oder in beliebiger Kombination ausgeführt werden. Dabei können ver schiedenste Verarbeitungsstrategien zum Einsatz kommen, bei spielsweise serielle Verarbeitung durch einen einzelnen Pro zessor oder Multiprocessing oder Multitasking oder Parallel verarbeitung usw.

Die Instruktionen können in lokalen Speichern abgelegt sein, es ist aber auch möglich, die Instruktionen auf einem ent fernten System abzulegen und darauf via Netzwerk zuzugreifen.

Unter „rechnergestützt" kann im Zusammenhang mit der Erfin dung beispielsweise eine Implementierung des Verfahrens ver standen werden, bei dem insbesondere ein Prozessor mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt. Eine oben beschriebene Steuerungseinrichtung kann einen solchen Prozes sor aufweisen.

Der Begriff "Prozessor", "zentrale Signalverarbeitung",

"Steuereinheit" oder "Datenauswertemittel " , wie hier verwen det, umfasst Verarbeitungsmittel im weitesten Sinne, also beispielsweise Server, Universalprozessoren, Grafikprozesso ren, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische inte grierte Schaltungen (ASICs) , programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und be liebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbei tungsmittel. Prozessoren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bzw. Einrichtungen bzw. Einheiten bestehen. Be steht ein Prozessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung bzw. Ausfüh rung von Instruktionen ausgelegt bzw. konfiguriert sein. Un- ter einer „Speichereinheit" kann im Zusammenhang mit der Er findung beispielsweise ein Speicher in Form von Arbeitsspei cher (engl. Random-Access Memory, RAM) oder eine Festplatte verstanden werden.