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通过为SMT生产线建模来提高产量
录入时间:2019/5/21 12:00:44

作者:Gregory VanceROCKWELL AUTOMATION公司, Todd Vick,环球仪器公司

电子组装制造工程师面临的主要挑战之一是如何使用SMT设备来调整产量。在通常情况下,SMT设备供应商会要求客户用少量的产品(5到10种产品)来模拟他们设备的生产能力。困难的是,如果工程师是在多品种、小批量制造环境中工作,他可能需要知道新设备对1000种甚至更多种类产品的影响。目前,还没有哪种模拟工具能够有效地模拟这种制造环境。在2015年的《IPC国际电子互连技术路线图(International Technology Roadmap for Electronics Interconnections)》中就明确了这一点,它的表述是,“为了更好地应对不断增加的互连密度的需求,和响应市场希望从组装设备投资成本中获得更高的回报率的要求,在制造行业内不断改进建模与模拟的工具和软件是有必要的。在这个领域内的要求包括更好的负载平衡方法和提高设备的利用率。确定各条组装生产线上负载保持平衡的工具需要能够灵活处理制造商目前面临的各种组装类型混合的要求”。[1]

RockwellAutomation公司和环球仪器公司合作开发出一种工具,能够模拟生产多品种产品的生产线SMT生产线不同配置所产生的影响。用来建模的信息包括每个面板的元件贴装数和每小时的元件贴装数。有了这些工具,就可以对电子组装工厂进行分析、找出改进方案,并进行“假设分析”来模拟设备变化所产生的影响。

 

SMT生产线建模的目的

1. 为产品混合生产确定合适的设备。

2. 确定产品是否以它们应有的速度运行。

3.确定电子组装产品是否是在最优的生产线配置上制造。在有多条生产线配置的工厂中这一点极其重要。

 

开发SMT设备模型

1. 发现设备循环时间过长

 环球仪器公司运行模拟样本产品生产后,发现观察到的循环时间比模拟的循环时间长两到三倍。这就需要对为什么会产生这种情况的原因进行重点研究。改进工作就是进行筹划工艺和观察产品的建造。发现了影响产品循环时间的几个问题,具体包括:

1. 元件库的贴装速度变慢。

2. 由于没有足够的吸嘴来拾起和安放不同产品所需要的元件封装,因此安放臂或贴放头之间是不平衡的。

3.吸嘴和主轴被绕过。

4. 从单一的元件输入进行大量的贴放。

5. 面板进出设备的传输速度变慢。

6. 在SMT生产线上各个设备之间的优化与元件分开做得不好。

7. 操作人员的变动反映到工艺中。

影响循环时间的最大问题是,当设备或生产线正在生产的产品需要的元件封装混在一起,符合需要的有用吸嘴数量不足。为了最大化在线移动产品的灵活性,相同类型的设备配备有标准吸嘴配置。仅在需要新的组件时才更改吸嘴配置。为了解决这个问题,我们进行了定期的吸嘴检查,以确保机器有足够的吸嘴可用于优化机器程序。。

根据以上问题来检查产品。一旦问题得到有效解决,我们观察到循环时间缩短了,与模拟的循环时间一致。

2.模拟的循环时间不能代表SMT设备的利用率

 

循环时间只表示产品运行时间与基准时间进行对比,但这并不能反映基于设备生产能力的设备利用率。可以用每小时贴装元装件的数量(CPH)来衡量贴装机的产量。

CPH=每块面板的贴装数/面板循环时间(小时)

制造商以两种方式为SMT设备提供CPH标准。第一种方法通常被称为“最大CPH”[2],它表示制造商能够达到的最大的贴装速度,第二种方法是根据“IPC 9850”[3],按照封装类型对CPH进行分类。“每块面板的贴装数”需要运行表1所列出的各种测试。

“IPC 9850”性能测试对于各种不同的设备型号和在不同制造商的设备之间相互比较很有用,但它们不一定能代表制造商正在建造的产品。通过比较表1和表2中总产品的样品复杂性,可以理解这种情况有多复杂。

T我们的思路是使用简单的回归法从开发“每块面板的贴装量”与CPH的关系的模型入手进行开发。一开始要用生产历史记录来研究这一关系。

研究CPH的设备数学模型

目前有一份包含生产的面板和用来生产订单所用的总时长的报告。可以用这份报告来计算SMT设备模型每块面板的平均CPH。使用带有平滑的曲线的散点图来观察设备模型的各个变量之间的关系。在散点图中,这条平滑的曲线与数据拟合,可以用它来探索两个变量之间的潜在关系,而不是像回归线那样,与特定的模型拟合。

“每块面板上的贴装量”和CPH之间存在某种关系,但有一些点并没有形成平滑的曲线。我们观察到的另一种情况是,实际的CPH值与制造商所声称的规范值相比变化很大。

由于是使用生产数据来模拟这种关系,因此,与前面提到的所有的7个问题有关的情况都代表性能的一部分,而且会在模型中增加噪点。另一个思路是使用来自制造商环球产品的模拟数据。这种产品的模拟信息包括:

1. 每块面板的贴装数

2. SMT设备的模拟循环时间

3.(计算出来的)CPH

这些信息会把来自生产和设备配置问题的噪点过滤掉,然后用这些信息建立一个实用的CPH方程式。有了模拟的循环时间数据,就可以着手研究“每块面板的贴装数”和CPH之间的关系。

 

散点图揭示了“每块面板贴装数”与CPH之间的关系。使用Pearson关联系数来评价两者之间的关系强度。0.536的关联系数被认为是中等强度,P值为0.000表示两者的关系具有统计学意义。这表明“每块面板贴装数”是个用来预测CPH的很好的因子。

使用散点图可以确定红色光滑曲线变平的拐点。把超过这个拐点的“每块面板贴装数”数据点的CPH值的平均值标注为这台模型设备的“最大CPH”。对于这台SMT设备,“最大CPH”是32,311,“每块面板的贴装数”达到300甚至更高。这个“最大CPH”比较接近一些设备按照IPC 9850 1608四块电路板测试速率执行IPC 9850 1608四块电路板测试模拟的37000 CPH[2]。

使用简单回归分析得到一条拟合线图,得到一个方程式,曲线的倾斜部分达到“最大CPH”值。对于这台SMT设备,二次方程提供最好的拟合。

在进行回归分析时,需要回顾R-Square和残差图,以确定方程式是否很好地拟合原始数据。

在拟合线图中的R-Sq项表示用CPH方程式计算的预测因子(每块面板的贴装数)的变化的大小。R-Sq项越接近100%,结果越好。这个模型的R-Sq(adj)项是69%。因为打算用这个模型作为产品在指定SMT设备上的运行状态是好还是不好的晴雨表,所以这个R-Sq项是可接受的。

 

数据点和拟合曲线之间的差异被称为剩余误差。剩余误差表示回归方程式没有说明的错误或者变化量的大小。这里要核实四种情况,以确定在模型中不存在异常的数据点。这四种情况是:

1. 正常的图:剩余误差形成一条直线。

2. 直方图:剩余误差看上去形成一条正常的曲线。

3.相对拟合:剩余误差包含在一条直的带状上,在图中看不出明显的图案。

4. 相对顺序:剩余误差看上去在统计控制中。

针对Rockwell Automation公司使用的所有其他SMT设备型号,完成这项检查的“每块面板的贴装数”与CPH关系的过程,确定“最大CPH”和用回归方程式(线性、二次或三次方程式)建立上升到“最大CPH”的斜线的模型。

最终的生产线模型

生产线模型包含三部分:

1. 工厂产品输入。

2. 产品CPH和循环时间的计算。

3.产品影响分析。

工厂产品输入是指:

1. 产品编号。

2. SMT生产线名称(如果在工厂中有多条生产线配置,这一点很重要)。

3.产品的处理侧:上面或下面。

4. 预测的产品面板量(PPV),建议预测四到六个月的PPV,以满足小批量产品生产的要求。合计这些产品面板预测量来确定预测的总的面板量(TPV)。

5.从生产线上的每台SMT设备获得的每块面板贴装数。

a.为了更好地做出后续的假设分析方案,建议按照送料器的宽度(4毫米、8 毫米、12 毫米等)来定义每台设备每块面板的贴装数。

b.可以计算出每块面板的总贴装量。

6. 产品观测循环时间(POCT)表示产品在组装生产线上生产时观察到的循环时间限制。

CPH和循环时间计算:

1.在生产线上的各种SMT设备的回归方程式和“最大CPH”。

a. 根据每块面板的实际贴装数,计算出产品的CPH(PCPH)和产品的循环时间(PCT)。在生产线运行时,这些是在这条生产线上可能会生产出来的产品。

b. 在生产线上每台设备的“最大CPH”之和表示这条生产线的CPH。

2. 面板转移到SMT设备的工作仓里的典型时间。通常是2-6秒。

3. 典型的模板印刷机和回流焊炉面板到面板的间隔时间。

产品影响分析(输出):

1. 生产线限制的循环时间(LCCT)是生产线对设备循环时间的限制。如果在生产线上受到限制的设备贴装机,因为在转移面板时设备不生产产品,所以需要增加典型的面板转移时间。(很多SMT设备可以选择预先拾起元件来减少面板转移时间的影响。在配置生产线模型时,假定不启用这一特性。)

2. 在运行这个产品时SMT设备的CPH净损失(NCLM)。这表示在运行产品时,因为对生产线和面板转移时间的其他限制,根据设备没有拾起和贴装元件的总的时间计算出潜在的CPH损失。

NCLM =每台设备的净CPH损失

PCT =一台设备的产品循环时间

LCCT=生产线限制的循环时间

MaxCPH=这台设备的最大CPH

PCPH=这台设备的产品CPH

 

3.产品运行生产线的CPH (PRLCPH)。它表示在生产线运行时按照这条SMT生产线配置的产品潜在的CPH。

 

PRLCPH = 产品运行生产线的CPH

LineCPH =生产线的CPH

NCLM =每台设备的净CPH损失

4. 生产线CPH能力的百分率(%LCC)。这表示按照这条生产线配置,这个产品的生产线CPH能力利用的百分比。

%LCC =生产线CPH能力利用百分率

PRLCPH =产品的生产线运行CPH

LineCPH =生产线的CPH

5. 面板总量百分比(PV%)。这表示这个产品的面板数量在这个工厂面板总量(TPV)中的百分比。

PV% =产品的面板数量在工厂面板总量中的百分比

PPV=产品面板数量

TPV =工厂面板总量

6. CPH分类(CPHC)。这是在运行时根据%LCC分配给产品的权重。

 

a. 如果 %LCC < 25%,CPHC = 10

b. 如果25% < %LCC < 50%,CPHC = 7

c. 如果 50% < %LCC < 75% ,CPHC = 3

d. 如果 %LCC > 75%,则 CPHC = 1

 

%LCC =生产线CPH能力百分率

CPHC = CPH的分类

 

7. 容量分类(VC)。这表示按照面板容量在工厂面板总量中的百分比确定的产品权重。总的面板容量(TPV)分为三部分:产品的面板容量代表这座工厂的总的面板容量的前40%、中间的40%和后面的20%。

 

a. 前 40% VC = 10

b.中间 40% VC = 4

c.后 20% VC = 1

VC =容量分类

 

8.(CPHCxVC)产品。产品的权重是从1到100,这表示容量和CPH利用率在这条生产线上对产品进行排序。这是优化因子;数字越大,表示按照生产线配置和它的面板容量,对提高CPH利用率的影响就越大。

 

9. 产品循环时间比(PCTR)。对于一个产品,这个比值是观察到的循环时间(POCT)与计算的生产线约束的循环时间(LCCT)之比。PCTR大于1.0表示产品运行情况比计算出来的潜力低。在理想情况下,这个值应该在0.8到1.2之间,这表示在这个模型中的典型错误。

 

PCTR = 产品循环时间比

POCT = 观察到的产品循环时间

LCCT = 生产线约束的循环时间

结果与结论

1、可以使用SMT设备和生产线的模型来快速评估产量和CPH利用率,为整条生产线选择最好的设备。利用附加的表格,预估可以反映更换设备的投资回报。在现有生产线上更换两台SMT设备时,生产线模型预估的产品的运行时间每月将减少44小时(减少32%)。

 

2、使用(CPHC x VC)和产品周期时间比(PCTR),工程师就能够通过生产线来评估整座工厂,识别出最好的改进产品的机会。在评价SMT生产线时,确定并优化产品循环时间比(PCTR)比较大的八种产品,每月节省136小时的产品运行时间(减少30%)。

3、通过评估(CPHC x VC)和对生产线配置进行头脑风暴,工程师就可以进行假设分析来确保产品以最佳的生产线配置生产,最大限度提高生产能力利用率和产量。在选择购买具有什么样能力的SMT设备时,需要考虑的重要因素是“每块面板的贴放数”和“预测的面板容量”。

 现在的设备制造商拥有各种信息,他们能够计算设备的CPH方程式并将结果与客户共享,补充“IPC-9850”和“制造商的最大的CPH”的数值。供应商可以和客户一起了解在SMT生产线上的不同的设备对他们的所有产品的影响。

参考文献

1. 2015 IPC International Technology Roadmap for Electronic Interconnections, 2015, pp. E1-68.

2. GS-426-00 Rev. D, Genesis Platform GC120Q, GC-60D, GI-14D, GX11D, GC30S, GX-11S General Specification, 2009, pp. 45.

3. IPC-9850, Surface Mount Placement Equipment characterization, 2002, Form 9850-F1 Performance.

 编者按:本文最初发表在2016年《SMTA国际学报》上。

 

作者简介:

Gregory Vance是Rockwell自动化公司印刷电路板组装高级制造团队的高级项目工程师。

Todd Vick是环球仪器公司表面贴装市场推广总监。

 

 


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