WO2011026698A1 - Verfahrwege für lackierroboter - Google Patents

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WO2011026698A1
WO2011026698A1 PCT/EP2010/061058 EP2010061058W WO2011026698A1 WO 2011026698 A1 WO2011026698 A1 WO 2011026698A1 EP 2010061058 W EP2010061058 W EP 2010061058W WO 2011026698 A1 WO2011026698 A1 WO 2011026698A1
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painted
strips
paint
painting
circuit board
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PCT/EP2010/061058
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Peter Fige
Christian Porzel
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • H05K3/0091—Apparatus for coating printed circuits using liquid non-metallic coating compositions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • H05K3/22—Secondary treatment of printed circuits
    • H05K3/28—Applying non-metallic protective coatings
    • H05K3/284—Applying non-metallic protective coatings for encapsulating mounted components

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the travel paths of painting robots, in particular for electronic engineering.
  • In electronics manufacturing assemblies can be (for example, consisting of a circuit board and components) are sprayed with a protective lacquer to protect the circuit boards from physika ⁇ metallic and chemical influences.
  • a protective lacquer to protect the circuit boards from physika ⁇ metallic and chemical influences.
  • the painting is usually carried out after Be ⁇ tee and testing an assembly.
  • a coating of an assembly can be done on one side or on both sides.
  • Subassemblies can be painted partially or completely depending on the requirements.
  • This painting process is usually carried out by a painting machine, which moves with a robot arm, to which a nozzle is attached, over the printed circuit board and painted ge ⁇ desired partial surfaces of the plate in strips.
  • a painting machine which moves with a robot arm, to which a nozzle is attached, over the printed circuit board and painted ge ⁇ desired partial surfaces of the plate in strips.
  • the travel paths of the robotic arm and the placement of the paint strips must be determined.
  • the error probabilities and the time required are very high, furthermore, the quality of the painting process is not always ensured.
  • the paint strips and the travel paths of the painting robot are entered by an employee using an image of the printed circuit board.
  • the coordinates are first measured on the image, then the employee enters the coordinates into a software, which later uses the painting machine. ne controls.
  • the created coating program is tested on the machine. If the program was faulty (clashes with components, etc.), it will be manually corrected and retested afterwards.
  • German patent application DE 10 2007 041 424 A1 discloses a method and a system for the optimized planning of complex production sequences in large-scale plant operations, in particular for the steel industry, based on methods of Mixed Integer Linear Programming (MILP)
  • MILP Mixed Integer Linear Programming
  • the object of the present invention is to provide a method and a system for the most optimal determination of travel paths for painting robots, in particular for electronics production.
  • the object is achieved by a method for determining travel distances of painting robots, in particular for electronics production, comprising the following steps:
  • MILP Mixed Integer Linear Programming
  • MILP Mixed Integer Linear Programming
  • the two cells on either side of the grid edge belong to the area to be painted, but the painting directions of both cells are different, or
  • step d) further comprises: Shortening a strip if it does not reduce the covered area, or
  • Lengthening a strip as a result of which other overlapping strips are shortened and the overall cycle time becomes smaller. This increases the efficiency of the created program with regard to the travel paths of the painting robot.
  • step d) further comprises:
  • step d) further comprises:
  • a further advantageous embodiment of the invention lies in determining the shortest paths between all edge points of different paint strips, taking into account the acceleration and braking distance of the painting robot. For example, four shortest paths are calculated between the strips (a-> b) and strips (c-> d) (a-> c, a-> d, b-> c, b-> d). This is done for all possible pairs of stripes. It geometric conditions of the circuit board and the Lackierrobo ⁇ ters are taken into account, thereby a time-optimal travel for the robot arm is calculated between two points. Obstacles are taken into account.
  • a further advantageous embodiment of the invention is in determining the travel paths of the painting robot, wherein the strips are placed in an order that avoid a spraying zen and wherein the sum of the travel times between the strips is minimized. This minimizes the travel distances of the robot and increases the quality of the painting process.
  • the object is further achieved by a computer-readable medium (CD, floppy disk, memory card, USB stick etc.) or computer program product comprising instructions which, when executed on a suitable computer, cause the computer to carry out the method according to the invention. ren. This facilitates flexibility of use as well as the distribution and commercial distribution of the process according ⁇ contemporary.
  • the object is further achieved by a system for carrying out the method according to the invention.
  • the system can be realized by commercially available painting robots or painting machines with conventional controls.
  • the programming can be done offline textually (in a Programmierspra ⁇ che: C, C ++) and / or, CAD supported.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a painting process on a printed circuit board, a schematic representation of a circuit board, with horizontal and vertical areas to be painted, and Figure 3 shows a detail of the circuit board of Figure 2 with horizontal and vertical lacquer strips to be painted, and an associated travel for a painting robot.
  • 1 shows a schematic view of a painting process on a printed circuit board LP1 by a painting robot R.
  • a painting robot R In electronics production assemblies with components that are attached by solder, plug or adhesive technology on a printed circuit board LP1, usually provided with a coating to their robustness to increase external influences. An assembly can be completely or partially la ⁇ ckiert. 1 shows how the paint is applied through a nozzle of a painting robot R. The robot R moves the printed circuit board LP1 and sprays with the nozzle the spots to be painted on the printed circuit board LP1. Depending on the type of lacquer used, the curing takes place at room temperature, in a drying oven or, for example, by UV light.
  • the coating layer thickness is within the defined to la ⁇ ckierenden points. Often this results in the requirement that during lacquering each lacquer spot may only be painted once. This must be taken into account when determining the travel of the robot R.
  • the nozzle for painting can usually be moved, rotated, opened or closed. Furthermore, there must be no damage to components, the PCB LP1 or the paint shop R. Collisions of the nozzle with components, the printed circuit board LP1 or the paint shop R must therefore not take place.
  • the robot arm does not collide with any component
  • a (predetermined) high percentage of the surfaces to be painted is painted
  • the problem instance (determining the paint-free surfaces, determining the paint surfaces, height of the components, Si ⁇ cherheitsabsimilar, etc.) prepared for the optimization, then general paint directions are determined on the paint surface and then strips are generated. These stripes are optimized with local search. Shortest paths between all pairs of strip endpoints are calculated and the strips are placed in an optimized order.
  • the coating machine can not only pull paint strips, but they can stop over the circuit board, the nozzle open briefly and thus produce a so-called paint spot.
  • the se spots are modeled as rectangles and treated in the following description analogously with regular paint strips.
  • o holes with center and diameter o contact surfaces modeled as circular surfaces o surface to be painted, described as a set of polygons
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a printed circuit board LP2 with horizontal HB1-HB4 and vertical VB1-VB5 areas to be painted. Be formulated as a MILP the areas to be painted, to get with the aim of long strips because the ⁇ se are cheaper to paint.
  • All surfaces of the problem instance be as a union of rectangles modeled, wherein the edges of the rectangles are pa rallel ⁇ to the axes of the coordinate system. If an area does not meet these requirements (for example, a cuboid, rotated by 45 ° component), it is converted to a predetermined resolution in a surface de ⁇ ren edges are horizontal or vertical.
  • Paint-free surface the surface must not come into contact with paint.
  • Paint area the area to be painted in the input minus the paint-free and physically inaccessible areas.
  • the goal is to determine general paint directions (horizontal or vertical) for parts (or areas) of the paint surface. In this phase, no paint strips are determined, but only the direction of the stripes.
  • a grid is created so that each cell is either completely in the paint surface or outside.
  • MILP Mixed Integer Linear Program
  • the input is the lattice of the lacquer surface represented as 0-1 matrix (1: cell belongs to the lacquer surface, 0: cell does not belong to the lacquer surface).
  • ⁇ Objective function Minimize the sum of the lengths of the lattice edges for which one of the following conditions applies: o The two cells on both sides of the edge belong to the paint surface, but the paint directions of both cells are different.
  • solution software for solving MILPs, e.g. SYMPHONY MILP solver, LP Solv, SCIP etc.
  • FIG. 2 shows a detail A (represented by a dashed rectangle) of the printed circuit board LP2, which is explained in more detail in FIG. 3 shows a section A 'corresponds to the detail A of Lei ⁇ terplatte LP 2 of Fig. 2
  • the section A ' encompasses the horizontal area HB1 and the vertical area VB4 of FIG. 2.
  • the horizontal area HB1' corresponds to the horizontal area HB1 of FIG. 2
  • the vertical area VB4 ' corresponds to the vertical area VB4 of FIG.
  • the paint strips HS1-HS7 to be painted horizontally and the vertical area VB4' of the paint strips VS1 to be painted vertically are calculated by MILP.
  • the corresponding path VW calculated by heuristics is represented by a painting robot for painting the paint strips HS1 - HS7 and VS1 is represented by a trajectory and is based on the shortest path algorithm according to Dijkstra.
  • paint strips are generated for each contiguous region of the paint surface HB1 ', VB4' in which the paint direction is the same.
  • the algorithm works as follows:
  • a list of all possible stripes running in the given direction is created. These stripes are aligned either at the corners of the paint area or other already generated stripes. All generated stripes are permissible with respect to the constraints. The number of stripes produced is much greater than the number of stripes in the final solution.
  • the solution of this MILP is also calculated using commercial MILP solver (e.g., SCIP).
  • SCIP commercial MILP solver
  • the solution obtained can be improved with local search heuristics.
  • the selected amount of strip is changed with the aim of minimizing the time required to travel through the strips.
  • a strip can be shortened if it does not reduce the area covered.
  • a strip can be extended if other thereby overlapping strips can be shortened and the Ge ⁇ ments wholly sleep astodian.
  • a strip can be moved if by it
  • a permissible strip may be added if it can shorten or eliminate other strips and reduce the cycle time.
  • Another phase of the method is to calculate the shortest paths between strip endpoints. For each stripe, a start position, an end position and a ride height are calculated. The start and end position is usually not at the ends of the strip, because sufficient acceleration and braking distances verbes ⁇ the paint quality. These acceleration and braking distances are determined by the geometric conditions. For each pair of strip endpoints, the shortest path for the head is calculated using an implementation of the Dijkstra algorithm.
  • a graph is constructed, which has all vertices of the paint surfaces, components and paint-free surfaces and the grid points of a grid of given resolution as a node.
  • This node set is duplicated at various relevant ride heights.
  • Edges are introduced for each node pair if the edge does not traverse a paint-free surface.
  • a cost function is defined based on the edge length, the acceleration and the maximum speed of the head.
  • a local search heuristic is used to calculate the order.
  • a startup sequence is generated in which no spraying occurs. This starting solution is improved by the following modification steps: • a sub-interval of the stripes is deleted from the sequence, and the strips are individually added back to ei ⁇ ner position where further caused no splashing and the driving time after the insertion is minimal. If all deleted strips can be added again and the total time has improved, the new solution is adopted.
  • the solution includes the following ideas:
  • MILP Mixed Integer Linear Programming

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spray Control Apparatus (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Verfahren und System zur Bestimmung von Verfahrwegen von Lackierrobotern, insbesondere für die Elektronikfertigung. Durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming, MILP), wird in einem hierarchischen Ansatz eine zu lackierende Fläche in horizontal und in vertikal zu lackierende Bereiche und Streifen zerlegt, die in vorteilhafter weise von einem Lackierroboter verfahren werden.

Description

Beschreibung
Verfahrwege für Lackierroboter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Ver- fahrwegen von Lackierrobotern, insbesondere für die Elektro- nikfertigung .
In der Elektronikfertigung können Baugruppen (beispielsweise bestehend aus einer Leiterplatte und Bauelementen) mit einem Schutzlack besprüht werden, um die Leiterplatten von physika¬ lischen und chemischen Einflüssen zu schützen. Durch diese Lackierung wird eine Erhöhung der Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen (Feuchtigkeit, Verschmutzung, Schadgase, etc.) erreicht. Die Lackierung erfolgt üblicherweise nach der Be¬ stückung und Prüfung einer Baugruppe. Eine Lackierung einer Baugruppe kann einseitig oder beidseitig erfolgen. Baugruppen können je nach Anforderungen teilweise oder vollständig lackiert werden.
Dieser Lackiervorgang wird üblicherweise von einer Lackiermaschine durchgeführt, die mit einem Roboterarm, an dem eine Düse befestigt ist, über die Leiterplatte fährt und die ge¬ wünschten Teilflächen der Platte in Streifen lackiert. Dazu müssen die Fahrtwege des Roboterarms und die Platzierung der Lackstreifen bestimmt werden. Bei einer manuellen Eingabe bei der Roboterprogrammierung sind die Fehlerwahrscheinlichkeiten und der Zeitaufwand sehr hoch, weiterhin ist die Qualität des Lackiervorganges nicht immer sichergestellt. Bei einer manuellen Eingabe werden die Lackstreifen und die Verfahrwege des Lackierroboters von einem Mitarbeiter mit Hilfe eines Bildes der Leiterplatte eingegeben. Dazu werden auf dem Bild zuerst die Koordinaten gemessen, dann trägt der Mitarbeiter die Koordinaten in eine Software ein, die später die Lackiermaschi- ne steuert. Das erstellte Lackierprogramm wird auf der Ma- schine getestet. Falls das Programm fehlerhaft war (Zusammenstoße mit Bauelementen, usw.), wird es nachher manuell korri- giert und wieder getestet.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 041 424 AI sind ein Verfahren und ein System zur optimierten Planung komplexer Produktionsabfolgen in großtechnischen Anlagenbetrieben, insbesondere für die Stahlindustrie, basierend auf Methoden des Mixed Integer Linear Programming (MILP) bekannt
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zur möglichst optimalen Bestimmung von Ver- fahrwegen für Lackierroboter, insbesondere für die Elektronikfertigung, bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung von Verfahrwegen von Lackierrobotern, insbesondere für die Elektronikfertigung, umfassend die folgenden Schritte:
al) Bestimmung von Parametern einer zu verfahrenden und zu lackierenden Leiterplatte;
a2) Bestimmung von Parametern für den Lackierroboter; a3) Festlegen von Sicherheits- und Nebenbedingungen für das Verfahren und Lackieren der Leiterplatte;
b) Modellieren der zu lackierenden Flächen der Leiterplatte als eine Vereinigung von Rechtecken, wobei die Kanten der Rechtecke parallel zu den Achsen eines kartesischen Koordinatensystems der Leiterplatte angeordnet sind;
c) Generieren von Lackierrichtungen für das Verfahren der zu lackierenden Rechtecke durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming, MILP) ,
wobei die zu lackierende Fläche in horizontal und in vertikal zu lackierende Bereiche zerlegt wird; d) Generieren von Lackstreifen für jeden zusammenhängenden zu lackierenden Bereich je Lackierrichtung durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming) . Wenn eine Lackiermaschine oder ein Lackierroboter keine Optimierungssoftware hat, müssen die Fahrtwege des Roboterarms und die Bestimmung der Lackstreifen manuell bestimmt werden. Bei einer Manuellen Eingabe sind Fehlerwahrscheinlichkeiten und der Zeitaufwand für die Eingabe sehr hoch. Ein automatisch erstelltes, optimiertes Lackierprogramm ermöglicht es, die Fehlermöglichkeiten (z.B. Verkleben von Löchern durch den Lack, Lackspritzer auf frei zubleibenden Flächen, Hängenbleiben des Roboterarms an Bauelementen) ) zu eliminieren, den Planungsaufwand drastisch zu reduzieren und den gesamten Lackierprozess effizienter und schneller zu machen. Mit der Gemischt Ganzzahligen Linearen Programmierung (Mixed Integer Linear Programming, MILP) lassen sich Softwareprogramme zur optimalen Bestimmung von Lackstreifen und zur Berechnung von optimalen Fahrtwegen des Roboterarms beschreiben .
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt c weiterhin umfasst:
Erstellen eines Gitters der Leiterplatte, so dass jede Zelle der Leiterplatte entweder komplett in einer zu lackierenden Fläche liegt, oder außerhalb; und
Minimieren der Summen der Längen der Gitterkanten nach einer der folgenden Bedingungen:
die zwei Zellen zu beiden Seiten der Gitterkante gehören zu der zu lackierenden Fläche, aber die Lackierrichtungen beider Zellen sind unterschiedlich, oder
nur eine der zwei Zellen zu beiden Seiten der Gitterkante gehört zu der zu lackierenden Fläche, und die Lackierrichtung und die Kantenrichtung dieser Zellen sind unterschiedlich. Das Verfahren beruht auf einem hierarchischen Ansatz und bestimmt schrittweise optimale Lösungen für die jeweiligen Problembeschreibungen. Damit lassen sich in einem Top-Down-Ansatz gemischt ganzzahlige Lineare Programme und Heuristiken für die Problemlösungen erstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schritt d weiterhin umfasst:
Erstellen je einer Liste von allen horizontal und von allen vertikalen Kandidaten für eine Lackstreifenauswahl, wobei die Lackstreifen entweder an den Eckpunkten des entsprechenden zu lackierenden Bereiches oder an anderen schon generierten Lackstreifen ausgerichtet sind, und bezüglich der Nebenbedingungen zulässig sind; und
Auswählen von zu lackierenden Streifen durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Pro¬ gramming) , wobei mindestens ein vorgegebener Prozentsatz der Leiterplattenfläche mit den ausgewählten Lackstreifen bedeckt werden kann, wobei überlappende Streifen minimiert werden und wobei die Gesamtlaufzeit, die zum Durchfahren der ausgewähl¬ ten Lackstreifen nötig ist, minimiert wird. Es wird zuerst eine sehr große Liste von möglichen Streifen erstellt und dann mit dem MILP ein Teil davon als Lösung ausgewählt. Alle Flächen der Probleminstanz (zu lackierende Leiterplatte) wer¬ den als Vereinigung von Rechtecken modelliert, wobei die Kanten der Rechtecke parallel zu den Achsen des Koordinatensystems sind. Falls eine Fläche diesen Anforderungen nicht entspricht (z.B. ein quaderförmiges, um 45° gedrehtes Bauele¬ ment) , wird es mit einer vorgegebenen Auflösung in eine Fläche konvertiert, deren Kanten horizontal oder vertikal sind. Dies vereinfacht die Programmerstellung zur Problemlösung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass Schritt d) weiterhin umfasst: Verkürzen eines Streifens, wenn dadurch die bedeckte Fläche nicht verkleinert wird, oder
Verlängern eines Streifens, wenn dadurch andere überlappende Streifen verkürzt werden und die Gesamtdurchlaufzeit kleiner wird. Dies erhöht die Effizienz des erstellten Pro- grammes bezüglich der Verfahrwege des Lackierroboters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass wobei Schritt d) weiterhin umfasst:
Verschieben eines Streifens, wenn dadurch die bedeckte
Fläche vergrößert wird oder die bedeckte Fläche gleich bleibt, aber die Überlappungen reduziert werden. Auch dadurch wird die Effizienz des erstellten Programmes bezüglich der Verfahrwege des Lackierroboters erhöht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass Schritt d) weiterhin umfasst:
Hinzufügen eines Streifens, wenn dadurch andere Streifen verkürzt oder eliminiert werden können, und die Durchlaufzeit kleiner wird. Auch dadurch wird die Effizienz des erstellten Programmes bezüglich der Verfahrwege des Lackierroboters erhöht .
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt im Bestimmen der kürzesten Wege zwischen allen Randpunkten unterschiedlicher Lackierstreifen unter Berücksichtigung von Beschleunigungs- und Bremsweg des Lackierroboters. So werden z.B. zwischen den Streifen (a->b) und Streifen (c->d) vier kürzeste Wege berechnet (a->c, a->d, b->c, b->d) . Dies er- folgt für alle möglichen Streifenpaare. Es werden dabei geometrische Bedingungen der Leiterplatte und des Lackierrobo¬ ters berücksichtigt, dadurch wird zwischen zwei Punkten ein zeitoptimaler Verfahrweg für den Roboterarm berechnet. Hindernisse werden dabei berücksichtigt. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt im Bestimmen der Fahrtwege des Lackierroboters, wobei die Streifen in eine Reihenfolge gebracht werden, die ein Sprit- zen vermeiden und wobei die Summe der Fahrtzeiten zwischen den Streifen minimiert wird. Dadurch werden die Verfahrwege des Roboters minimiert und die Qualität des Lackiervorganges erhöht . Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein computerlesbares Medium (CD, Floppy Disk, Speicherkarte, USB-Stick etc.) oder Computerprogrammprodukt, umfassend Anweisungen, welche, wenn sie auf einem geeigneten Computer ausgeführt werden, den Computer dazu bringen, das erfindungsgemäße Verfahren auszufüh- ren . Dies erleichtert die Flexibilität des Einsatzes sowie die Verteilung und den kommerziellen Vertrieb des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein System zur Durch- führung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das System kann durch handelsübliche Lackierroboter oder Lackiermaschinen mit verkehrsüblichen Steuerungen realisiert werden. Die Programmerstellung kann offline textuell (in einer Programmierspra¬ che: z.B. C, C++) und/oder CAD-gestützt erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden erläutert.
Dabei zeigen:
FIG 1 eine Schemadarstellung für einen Lackiervorgang auf einer Leiterplatte, eine Schemadarstellung für eine Leiterplatte, mit horizontal und vertikal zu lackierenden Bereichen, und FIG 3 einen Ausschnitt der Leiterplatte von FIG 2 mit horizontal und vertikal zu lackierenden Lackstreifen, sowie einem dazugehörigen Verfahrweg für einen Lackierroboter .
FIG 1 zeigt eine Schemadarstellung für einen Lackiervorgang auf einer Leiterplatte LP1 durch einen Lackierroboter R. In der Elektronikproduktion werden Baugruppen mit Bauelementen, die mit Lot-, Steck- oder Klebetechnik auf einer Leiterplatte LP1 befestigt sind, üblicherweise mit einer Lackierung versehen, um ihre Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen zu erhöhen. Eine Baugruppe kann dabei vollständig oder teilweise la¬ ckiert werden. In FIG 1 ist dargestellt, wie der Lack durch eine Düse eines Lackierroboters R aufgetragen wird. Der Robo- ter R verfährt dabei die Leiterplatte LP1 und besprüht mit der Düse die zu lackierenden Stellen auf der Leiterplatte LP1. Je nach Typ des verwendeten Lackes erfolgt die Härtung bei Raumtemperatur, im Trockenofen oder z.B. durch UV-Licht. Entscheidend zur Qualität und Dauerhaftigkeit der Lackierung ist die Lackschichtdichte innerhalb der definierten zu la¬ ckierenden Stellen. Oft ergibt sich hieraus die Anforderung, dass bei der Lackierung jede Lackstelle nur einmal lackiert werden darf. Dies muss bei der Bestimmung des Verfahrwegs des Roboters R berücksichtigt werden. Die Düse zum Lackieren kann üblicherweise bewegt, gedreht, geöffnet oder geschlossen werden . Weiterhin darf es zu keiner Beschädigung von Bauelementen, der Leiterplatte LP1 oder der Lackieranlage R kommen. Koll sionen der Düse mit Bauelementen, der Leiterplatte LP1 ode mit der Lackieranlage R dürfen deshalb nicht stattfinden.
Für eine Leiterplatte LP1 sollen die Platzierung der anzubringenden Lackstreifen und die Verfahrwege des Roboterarms bestimmt werden, so dass:
• der Roboterarm mit keinem Bauelement zusammenstößt,
• ein (vorgegebener) hoher Prozentsatz der zu lackierenden Flächen lackiert wird,
• vorgegebene Flächen (zum Beispiel Löcher, Kontaktflächen) vom Kopf nicht überfahren werden, um Lacktropfen zu vermeiden,
• die Lackstreifen so lackiert werden, dass „Spritzen
vermieden wird und
• die für den Lackiervorgang benötigte Zeit minimiert
wird .
Das gesamte Problem wird hierarchisch gelöst. Mit dem in dieser Erfindungsmeldung beschriebenen Ansatz, Mixed Integer Linear Programming, Graphenalgorithmen und Heuristiken, werden die Lackstreifen und die Fahrtwege des Roboterarms berechnet.
Erst wird die Probleminstanz (Bestimmen der lackfreien Flächen, Bestimmen der Lackierflächen, Höhe der Bauelemente, Si¬ cherheitsabstände etc.) für die Optimierung aufbereitet, dann werden allgemeine Lackrichtungen über die Lackfläche bestimmt und anschließend werden Streifen erzeugt. Diese Streifen werden mit lokaler Suche nachoptimiert. Kürzeste Wege zwischen allen Paaren von Streifenendpunkten werden berechnet und die Streifen werden in eine optimierte Reihenfolge gebracht. Die Lackiermaschine kann nicht nur Lackstreifen ziehen, sondern sie kann über der Leiterplatte anhalten, die Düse kurz öffnen und dadurch einen so genannten Lackspot erzeugen. Die se Spots werden als Rechtecke modelliert und in der weiteren Beschreibung analog mit regulären Lackstreifen behandelt.
Input des Verfahrens :
• Beschreibung der Leiterplatte:
o Leiterplattenfläche als Polygon
o als Quader modellierte Bauelemente mit Größe, Posi tion und Drehung
o als Zylinder modellierte Bauelemente mit Durchmesser und Position
o Fräskonturen, als Rechtecke modelliert
o Bohrungen mit Mittelpunkt und Durchmesser o Kontaktflächen, als Kreisflächen modelliert o zu lackierende Fläche, als Menge von Polygonen beschrieben
o Liste der Bauelemente, die nicht lackiert werden dürfen
• Beschreibung der Maschine:
o Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten des Roboterarms
o maximale Beschleunigungs- und Bremswege vor und nach einem Lackierstreifen
o Verlaufen des Lacks für Streifen ohne Beschleunigungs- und Bremsweg
o Durchmesser der Lackierdüse
o maximale Z-Fahrthöhe des Roboterarms
o Größen und Parameter von Lackspots
• Sicherheits- und Nebenbedingungen:
o minimaler Abstand des Kopfes von den Kanten der Leiterplatte o minimaler Abstand des Kopfes von Bauelementen, die nicht lackiert werden dürfen
o minimaler Abstand des Kopfes von den Kontaktflächen o minimaler Abstand des Kopfes von den Löchern o minimaler Abstand in XY Richtung zwischen dem Kopf und einem hohen Bauelement
o minimaler Abstand in Z Richtung zwischen dem Kopf und einem Bauelement
o minimaler Prozentsatz der Lackfläche, die mit Lack- streifen bedeckt werden soll
FIG 2 zeigt eine Schemadarstellung für eine Leiterplatte LP2 mit horizontal HB1 - HB4 und vertikal VB1 - VB5 zu lackierenden Bereichen. Die zu lackierenden Bereiche werden als MILP formuliert, mit dem Ziel, lange Streifen zu erhalten, da die¬ se billiger zu lackieren sind.
Alle Flächen der Probleminstanz werden als eine Vereinigung von Rechtecken modelliert, wobei die Kanten der Rechtecke pa¬ rallel zu den Achsen des Koordinatensystems sind. Falls eine Fläche diesen Anforderungen nicht entspricht (zum Beispiel ein quaderförmiges, um 45° gedrehtes Bauelement), wird es mit einer vorgegebenen Auflösung in eine Fläche konvertiert, de¬ ren Kanten horizontal oder vertikal sind.
Folgende Flächen werden aus den Inputdaten erzeugt:
• Lackfreie Fläche: die Fläche darf mit Lack nicht in Berührung kommen. Hier werden die Fräskonturen, Bohrungen, Kontaktflächen, nicht lackierbaren Bauelemente und die Seiten der Leiterplatte mit den gegebenen Sicherheitsabständen berücksichtigt. • Lackfläche: die im Input gegebene zu lackierende Fläche abzüglich der lackfreien und physikalisch unerreichbaren Flächen Für jeden Punkt über der Leiterplatte wird die minimale Höhe berechnet, auf der der Kopf über dem Punkt sich aufhalten kann. Bauelemente und Sicherheitsabstände werden berücksichtigt . In einer ersten Phase ist das Ziel, allgemeine Lackrichtungen (horizontal oder vertikal) für Teile (bzw. Bereiche) der Lackfläche zu bestimmen. In dieser Phase werden noch keine Lackstreifen bestimmt, sondern nur die Richtung der Streifen. Es wird ein Gitter erstellt, so dass jede Zelle entweder kom- plett in der Lackfläche liegt, oder außerhalb. Ein Mixed Integer Linear Program (MILP) wird wie folgt erstellt:
• Der Input ist das Gitter der Lackfläche als 0-1 Matrix repräsentiert (1: Zelle gehört zur Lackfläche, 0: Zelle gehört nicht zur Lackfläche) .
· Für jede Zelle, die zur Lackfläche gehört, wird eine 0-1
Variable definiert (1: wird horizontal lackiert, 0: wird vertikal lackiert) .
• Manche Variablen können auf Grund physikalischer Bedingungen fixiert werden.
· Zielfunktion : Minimieren die Summe der Längen der Gitterkanten, für die eine der folgenden Bedingungen gilt: o Die zwei Zellen zu beiden Seiten der Kante gehören zur Lackfläche, aber die Lackrichtungen beider Zellen sind unterschiedlich.
o Nur eine der zwei Zellen zu beiden Seiten der Kante gehört zur Lackfläche, und die Lackrichtung und die Kantenrichtung dieser Zelle sind unterschiedlich. Dieses MILP separiert die Lackfläche in Bereiche, die horizontal HB1 - HB4 und Bereiche, die vertikal VB1 - VB5 lackiert werden sollen. Die Zielfunktion garantiert, dass die Richtungen so gewählt sind, dass die Bereiche mit wenigen langen Streifen lackiert werden können.
Es gibt verschiedene handelsübliche oder open source Solver (Lösungssoftware) zur Lösung von MILPs, z.B. SYMPHONY MILP solver, LP-Solv, SCIP usw.
Weiterhin zeigt FIG 2 einen Ausschnitt A (dargestellt durch ein gestricheltes Rechteck) der Leiterplatte LP2, der in FIG 3 näher erläutert wird. FIG 3 zeigt einen Ausschnitt A' der dem Ausschnitt A der Lei¬ terplatte LP 2 von FIG 2 entspricht. Der Ausschnitt A' um- fasst den horizontalen Bereich HB1 und den vertikalen Bereich VB4 von FIG 2. In FIG 3 entspricht der horizontale Bereich HB1' dem horizontalen Bereich HB1 von FIG 2 und der vertikale Bereich VB4' dem vertikalen Bereich VB4 von FIG 2. Für den horizontale Bereich HB1' werden durch MILP die horizontal zu lackierenden Lackstreifen HS1 - HS7 und für den vertikalen Bereich VB4' der vertikal zu lackierenden Lackstreifen VS1 berechnet. Der dazugehörige durch Heuristiken (z.B. Greedy- Heuristiken, Lokale-Such-Heuristiken) berechnete Verfahrweg VW wird für einen Lackierroboter zur Lackierung der Lackstreifen HS1 - HS7 und VS1 wird durch eine abzufahrende Linie dargestellt und basiert auf dem kürzesten Wege-Algorithmus nach Dijkstra.
Anschließend an die Phase der Bestimmung der horizontalen und vertikalen Bereiche werden Lackstreifen für jeden zusammenhängenden Bereich der Lackfläche HB1', VB4', in dem die Lackrichtung die gleiche ist, generiert. Der Algorithmus geht folgendermaßen vor:
• Eine Liste von allen möglichen Streifen, die in die gegebene Richtung laufen, wird erstellt. Diese Streifen sind entweder an den Eckpunkten des Lackflächenbereichs oder an anderen schon generierten Streifen ausgerichtet. Alle generierten Streifen sind bezüglich der Nebenbedingungen zulässig. Die Zahl der erzeugten Streifen ist viel größer als die Zahl der Streifen in der endgültigen Lösung .
• Mit Hilfe einer MILP-Formulierung werden aus der oben erzeugten Menge diejenigen Streifen HS1 - HS7, VS1 aus¬ gewählt, die zur Lösung gehören,
o jedem möglichen Streifen ist eine 0-1 Variable zugeordnet (1: Streifen gehört zur Lösung, 0: Streifen gehört nicht zur Lösung) ,
o wobei mindestens der vorgeschriebene Prozentsatz der Fläche mit den ausgewählten Streifen bedeckt werden soll,
o wobei mehrfache Überdeckung von Flächen (überlap¬ pende Streifen) möglichst vermieden werden soll, o wobei das Ziel die Minimierung der Gesamtzeit ist, die zum Durchfahren der ausgewählte Streifen nötig ist .
Die Lösung dieses MILP wird auch mit handelsüblichen MILP- Solver berechnet (z.B. SCIP) . Die erhaltene Lösung kann mit lokalen Suchheuristiken verbessert werden. Die ausgewählten Streifenmenge wird verändert, mit dem Ziel, die für das Durchfahren der Streifen benötigte Zeit zu minimieren.
Folgende lokale Modifizierungsschritte werden bei einer Optimierung bewertet bzw. berücksichtigt: Ein Streifen kann verkürzt werden, wenn dadurch die bedeckte Fläche nicht verkleinert wird.
Ein Streifen kann verlängert werden, wenn dadurch andere überlappende Streifen verkürzt werden können und die Ge¬ samtdurchlaufzeit kleiner wird.
Ein Streifen kann bewegt werden, wenn dadurch
o die bedeckte Fläche vergrößert wird, oder
o die bedeckte Fläche gleich bleibt, aber die Überlappungen reduziert werden.
Ein zulässiger Streifen kann hinzugefügt werden, wenn dadurch andere Streifen verkürzt oder eliminiert werden können, und die Durchlaufzeit kleiner wird.
Bei sehr langen Streifen kann es passieren, dass der ganzen Streifen von einer höheren Kopfposition lackiert werden muss, um den Zusammenstoß mit Bauelementen zu vermeiden. Da die Qualität der Lackierung besser ist, wenn der Kopf tiefer fährt, werden diese Streifen zu kleineren Streifen zerlegt und nur die Teilstreifen über den großen Bauelementen werden mit einer hohen Kopfposition lackiert.
Berechnung der kürzesten Wege zwischen Streifenendpunkten
Eine weitere Phase des Verfahrens liegt in der Berechnung der kürzesten Wege zwischen Streifenendpunkten. Für jeden Streifen werden eine Startposition, eine Endposition und eine Fahrthöhe berechnet. Die Start- und Endposition ist in der Regel nicht an den Enden der Streifen, weil ausreichende Beschleunigungs- und Bremswege die Lackierqualität verbes¬ sern. Diese Beschleunigungs- und Bremswege werden durch die geometrischen Bedingungen bestimmt. Für jedes Paar von Streifenendpunkten wird der kürzeste Weg für den Kopf mit einer Implementierung des Dijkstra- Algorithmus berechnet.
Dazu wird ein Graph aufgebaut, der alle Eckpunkte der Lackflächen, Bauelemente und lackfreien Flächen sowie die Gitterpunkte eines Gitters von gegebener Auflösung als Knoten hat. Dieser Knotensatz wird auf verschiedenen relevanten Fahrthöhen dupliziert. Kanten werden für jedes Knotenpaar eingeführt, wenn die Kante keine lackfreie Fläche durchquert. Auf den Kanten wird eine Kostenfunktion definiert, die auf der Kantenlänge, der Beschleunigung und der maximalen Geschwindigkeit des Kopfes beruht.
Berechnung der Fahrtwege
In dieser Phase werden die Streifen in eine Reihefolge ge¬ bracht so dass:
• kein „Spritzen" vorkommt: Wenn der Kopf beim Streifenziehen eine so genannte „trocken-nass Kante" durchquert, d.h. von einem noch nicht lackierten Bereich auf einen schon lackierten Bereich fährt, können Lacktropfen auf andere Teile der Leiterplatte spritzen. Dadurch könnten lackfreie Flächen durch Lacktropfen bedeckt werden, was die Leiterplatte unbrauchbar macht. Durch sorgfältiges Wählen der Reihenfolge von Lackstreifen kann dieses Spritzen vermieden werden, und
• die Summe der Fahrtzeiten zwischen den Streifen mini¬ miert wird.
Um die Reihenfolge zu Berechnen wird eine lokale Suchheuris- tik benutzt. Erst wird eine Startreihenfolge generiert, bei der kein Spritzen vorkommt. Diese Startlösung wird durch fol- gende Modifizierungsschritte verbessert : • Ein Teilintervall der Streifen wird aus der Reihenfolge gelöscht, und die Streifen werden einzeln wieder an ei¬ ner Position hinzugefügt, wo weiterhin kein Spritzen verursacht wird und die Fahrtzeit nach dem Einfügen minimal ist. Wenn alle gelöschten Streifen wieder hinzugefügt werden können und die Gesamtzeit besser geworden ist, wird die neue Lösung übernommen.
• Ein Teilintervall der Streifen wird aus der Reihenfolge gelöscht und umgekehrt wieder an der gleichen Stelle eingefügt. Wenn die neue Reihenfolge kein Spritzen verursacht und die Gesamtzeit besser geworden ist, wird die neue Lösung übernommen.
In den Lösungsansatz fließen folgende Ideen ein:
• allgemeine Lackierrichtungen werden mit einer globale Optimierungsmethode (in fast allem Fällen) optimal bestimmt ,
• die Auswahl der Streifen in der Erstlösung wird global optimiert,
• spezielle lokale Verbesserungen liefern eine Lösung, die aus elektrotechnischer Sicht optimal ist,
• kürzeste Wege zwischen Punkten werden optimal bestimmt,
• die Reihenfolgeoptimierung vermeidet Spritzen und minimiert Fahrtzeiten gleichzeitig
Vorteile des automatischen Lösungsansatzes basierend auf MILP:
• globaler Optimierungsansatz für die Berechnung der Bereiche und Streifen,
• fehlerfreie Lösung (im Vergleich zur manuellen Planung),
• Planungsaufwand wird erheblich reduziert,
• der Lackiervorgang der Maschine ist wesentlich schneller, d.h. bessere Qualität der Lackierung, • Einsatz von Üblichen MILP-Solvern möglich.
Verfahren und System zur Bestimmung von Verfahrwegen von Lackierrobotern, insbesondere für die Elektronikfertigung.
Durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming, MILP) , wird in einem hierarchischen Ansatz eine zu lackierende Fläche in horizontal und in vertikal zu lackierende Bereiche und Streifen zerlegt, die in vorteilhafter weise von einem Lackierroboter verfahren werden.
zugszeichen
R Lackierroboter
LP1, LP2 Leiterplatte
Ά, A' Ausschnitt einer Leiterplatte
HB1 - HB4 , HB1 Horizontaler Lackierbereich VB1 - VB5,VB4 Vertikaler Lackierbereich VW Verfahrweg
HS1 - HS7 Horizontaler Lackierstreifen VS1 Vertikaler Lackierstreifen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Verfahrwegen (VW) von Lackierrobotern (R) , insbesondere für die Elektronikfertigung, umfassend die folgenden Schritte:
al) Bestimmung von Parametern einer zu verfahrenden und zu lackierenden Leiterplatte (LP1,LP2);
a2) Bestimmung von Parametern für den Lackierroboter
(R) ;
a3) Festlegen von Sicherheits- und Nebenbedingungen für das Verfahren und Lackieren der Leiterplatte (LP1,LP2);
b) Modellieren der zu lackierenden Flächen der Leiterplatte (LP1,LP2) als eine Vereinigung von Rechtecken, wobei die Kanten der Rechtecke parallel zu den Achsen eines karte- sischen Koordinatensystems der Leiterplatte (LP1,LP2) ange¬ ordnet sind;
c) Generieren von Lackierrichtungen für das Verfahren der zu lackierenden Rechtecke durch Gemischt Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming) ,
wobei die zu lackierende Fläche in horizontal (HB1 -
HB4 , HB1 ' ) und in vertikal (VB1 - VB5,VB4') zu lackierende Bereiche zerlegt wird;
d) Generieren von Lackstreifen (HS1 - HS7, VS1) für je¬ den zusammenhängenden zu lackierenden Bereich (HB1 - HB4,HB1',VB1 - VB5,VB4') je Lackierrichtung durch Gemischt
Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt c weiterhin umfasst:
Erstellen eines Gitters der Leiterplatte (LP1,LP2), so dass jede Zelle der Leiterplatte (LP1,LP2) entweder komplett in einer zu lackierenden Fläche liegt, oder außerhalb; und Minimieren der Summen der Längen der Gitterkanten nach einer der folgenden Bedingungen:
die zwei Zellen zu beiden Seiten der Gitterkante gehören zu der zu lackierenden Fläche, aber die Lackierrich- tungen beider Zellen sind unterschiedlich, oder
nur eine der zwei Zellen zu beiden Seiten der Gitterkante gehört zu der zu lackierenden Fläche, und die Lackierrichtung und die Kantenrichtung dieser Zellen sind unterschiedlich .
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt d weiterhin umfasst :
Erstellen je einer Liste von allen horizontal (HS1 - HS7) und von allen vertikalen Kandidaten (VS1) für eine Lack- Streifenauswahl, wobei die Lackstreifen (HS1 - HS7, VS1) ent¬ weder an den Eckpunkten des entsprechenden zu lackierenden Bereiches (HB1 - HB4,HB1',VB1 - VB5,VB4') oder an anderen schon generierten Lackstreifen (HS1 - HS7, VS1) ausgerichtet sind, und bezüglich der Nebenbedingungen zulässig sind; und Auswählen von zu lackierenden Streifen durch Gemischt
Ganzzahlige Lineare Programmierung (Mixed Integer Linear Programming) , wobei mindestens ein vorgegebener Prozentsatz der Leiterplattenfläche (LP1,LP2) mit den ausgewählten Lackstrei¬ fen (HS1 - HS7, VS1) bedeckt werden kann, wobei überlappende Streifen minimiert werden und wobei die Gesamtlaufzeit, die zum Durchfahren der ausgewählten Lackstreifen nötig ist, minimiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei Schritt d) weiterhin umfasst:
Verkürzen eines Streifens (HS1 - HS7, VS1), wenn dadurch die bedeckte Fläche nicht verkleinert wird, oder Verlängern eines Streifens (HS1 - HS7, VS1), wenn dadurch andere überlappende Streifen verkürzt werden und die Gesamtdurchlaufzeit kleiner wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei Schritt d) weiterhin umfasst:
Verschieben eines Streifens, wenn dadurch die bedeckte Fläche vergrößert wird oder die bedeckte Fläche gleich bleibt, aber die Überlappungen reduziert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei Schritt d) weiterhin umfasst:
Hinzufügen eines Streifens, wenn dadurch andere Streifen (HS1 - HS7, VS1) verkürzt oder eliminiert werden können, und die Durchlaufzeit kleiner wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend:
Bestimmen der kürzesten Wege zwischen allen Randpunkten unterschiedlicher Lackierstreifen (HS1 - HS7, VS1) unter Be- rücksichtigung von Beschleunigungs- und Bremsweg des Lackierroboters (R) .
8. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend:
Bestimmen der Fahrtwege (VW) des Lackierroboters (R) , wobei die Streifen (HS1 - HS7, VS1) in eine Reihenfolge gebracht werden, die ein Spritzen vermeiden und wobei die Summe der Fahrtzeiten zwischen den Streifen (HS1 - HS7, VS1) minimiert wird.
9. Computerlesbares Medium oder Computerprogrammprodukt, umfassend Anweisungen, welche, wenn sie auf einem geeigneten Computer ausgeführt werden, den Computer dazu bringen, das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen .
10. System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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