Machine configuration and workload balancing of modular placement machines in multi-product PCB assembly

A popular gantry-type placement machine includes several interconnected, autonomously operating component placement modules and the machine was designed so as to able to use different kinds of placement heads and vacuum nozzles in the modules, which can be easily changed. Although this increases the flexibility of the production line, the reconfiguration phases of the modules may be unproductive and one should keep them to a minimum. In addition, the production times can be shortened by balancing the workloads of the machine modules. Here, a two-step optimisation method for the machine reconfiguration and workload balancing in the case of multiple Printed Circuit Borad (PCB) batches of different sizes and PCB types is presented. The objective is to minimise the total production time, and keep the machine configuration the same for all batches. The proposed algorithm is iterative and it applies integer programming for the workload balancing along with an evolutionary algorithm that searches for the best machine configuration. In experiments, for single PCB types the proposed algorithm obtained optimal or near optimal solutions. For multiple PCB types the solutions favour the PCB types that have a bigger production time due to greater batch sizes, but the total production time is still close to optimal.KEYWORDS: Printed circuit board, modular machines, machine configuration, mixed-model workload balancing, integer programing, genetic algorithm</a

Katsaus modulaaristen piirilevyladontakoneiden käyttöön liittyvistä optimointiongelmista

Työssä luodaan katsaus modulaaristen ladontakoneiden rakenteeseen, toimintaan ja uudelleenkonfigurointiin. Tämän lisäksi tarkastellaan kyseiseen ladontakonetyyppiin keskeisesti liittyvää optimointiongelmaa, eli ladontakonekonfiguraation ja linjaston tasapainotuksen ongelmaa. Tutkielmassa kehitetään simuloitua jäähdytystä hyödyntävä ratkaisumenetelmä modulaarisen ladontakoneen uudelleenkonfigurointiin. Modulaariset ladontakoneet edustavat modernia ladontakonetyyppiä. Sen tärkeimpänä erona moniin muihin ladontakonetyyppeihin nähden on moduulien uudelleenkonfigurointimahdollisuus. Toisin sanoen, koneen osia pystytään vaihtamaan siten, että sillä pystytään tehokkaasti latomaan erilaisia piirilevyjä ilman, että koko ladontakone jouduttaisiin vaihtamaan toiseen. Tästä syystä tämäntyyppinen ladontakone sopii erityisen hyvin nykyaikaisen elektroniikkateollisuuden tarpeisiin, jossa ladottavana olevat piirilevyt vaihtuvat tiuhaan tahtiin esimerkiksi tuotteiden lyhentyneiden elinkaarien sekä tuotannossa olevien lukuisten varianttien vuoksi. Modulaaristen ladontakoneiden optimointiongelmista ladontakonekonfiguraation määrääminen ja linjaston tasapainotusongelma, eli lyhyemmin MCLB-ongelma on tyypillinen kyseiseen konetyyppiin liittyvä optimointiongelma. Nimensä mukaisesti optimointitehtävä koostuu kahdesta tiukasti yhteen nivoutuvasta laajemmasta ongelmasta: ladontakonemoduulien konfiguroinnista sekä näiden moduulien muodostaman linjaston tasapainotuksesta. Ongelman ratkaisu ei ole triviaali, sillä siihen liittyy useita muuttujia. Valmistettavana oleva piirilevy määrittelee ladontakoneissa käytettävät komponenttien käsittelyyn tarvittavat työkalut, eli käytännössä ladontapäät ja niihin asennettavat suuttimet. Konekonfiguraatiossa joudutaan huomioimaan keskinäisiä yhteensopivuuksia sekä suuttimien ja ladontapäiden, että komponenttien ja suuttimien välillä. Linjaston tasapainotuksen tarkoituksena on allokoida valmistuksessa tarvittavat komponentit eri ladontamoduuleille siten, että piirilevyn valmistusaika minimoituu. Käytännössä MCLB-ongelma on laskennallisesti vaativa, jolloin joudutaan tyytymään alioptimaalisiin ratkaisuihin. Työssä MCLB-ongelman ratkaisemiseksi on esitetty simuloitua jäähdytystä hyödyntävä ratkaisumenetelmä. Simuloitu jäähdytys on metaheuristinen ja todennäköisyyspohjainen optimointimenetelmä, jota käytetään yleisesti nimenomaan vaikeiden kombinatoristen optimointiongelmien ratkaisuun. Se on saanut vaikutteita metallin karkaisusta, jossa käsiteltävänä olevaa metallia jäähdytetään hallitusti. Simuloidun jäähdytyksen suorituskykyyn vaikuttaa merkittävästi nk. jäähdytysaikataulu, jonka vaikutusta esitellään myös työn suorituskykymittauksia käsittelevässä osiossa. Tutkimuskysymys: Ladontakonekonfiguraation ja linjaston tasapainotuksen ongelman ratkaiseminen käyttäen simuloitua jäähdytystä