X企業(yè)SMT車間中AGV適應(yīng)性應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：F252 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.13714/j.cnki.1002-3100.2025.12.010

Abstract：TakingSMTproductionworkshopastheresearchobject，inorderturtherimproveproductioneficiencyreduce productioncosts，asolutionforAGVadaptabiltyselectionworkshoadaptabilitydesignisproposedfortheintroduction AGVtransportvehiclesintheproductionlogisticsprocessFirstlybasedonthediferentnavigation，driving，loadingmodes AGVtransportvehicles，acharacteristicanalysisisconducted.Withpracticalityastheprinciple，themosteconomicalAGV transportvehicleisselectedwhilemetingproductionneedsSecondly，basedontheselectionspecifictypesAGVtrasport vehicles，AntColonyOptiizationisusedtooptimizethepathlayingmagneticstrips，inodertoachevethgoalducingosts. Key words： production logistics; AGV application; Ant Colony Optimization

1研究背景

隨著中國智造2025的提出，中國的電子信息業(yè)與電子制造業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，電子制造業(yè)作為國內(nèi)的重要產(chǎn)業(yè)，在生產(chǎn)端和消費(fèi)端都有著舉足輕重的地位，生產(chǎn)端方面，隨著電子產(chǎn)品向集約化、小型化發(fā)展，電子制造業(yè)成為與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能與5G深度融合的產(chǎn)業(yè)；在消費(fèi)端方面，手機(jī)、電腦、新能源汽車、儀器儀表等產(chǎn)品備受消費(fèi)者青睞。本文聚焦于電子制造業(yè)中的SMT（表面貼裝技術(shù)，Surface Mount Technology）生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)——SMT車間伴隨著電子制造業(yè)的進(jìn)步而發(fā)展，尤其隨著電子產(chǎn)品對(duì)集成度、功能和可靠性的要求不斷提高。傳統(tǒng)的SMT產(chǎn)業(yè)在物料流動(dòng)過程中上、下料均需要人工操作，不光產(chǎn)生大量不必要的搬運(yùn)，耗費(fèi)人力成本并且還會(huì)增加運(yùn)輸管理成本，所以引人AGV（自動(dòng)引導(dǎo)車，AutomatedGuided Vehicle），能夠減少搬運(yùn)浪費(fèi)，直接節(jié)省人力成本，減少靜電和灰塵處理成本，保證生產(chǎn)連續(xù)性從而降低人力成本。但現(xiàn)階段SMT的加工車間，有部分企業(yè)因?yàn)槌杀締栴}沒有配備AGV來實(shí)施物流運(yùn)輸，所以應(yīng)用AGV運(yùn)輸?shù)膬r(jià)值性是本文的核心。

2相關(guān)理論

2.1蟻群算法

蟻群算法（Ant Colony Optimization，ACO）是一種模擬自然界螞蟻覓食行為的優(yōu)化算法，屬于群體智能（Swarm Inteli-gence）的一類。最初用于解決最短路徑問題，后來，蟻群算法在許多組合優(yōu)化問題中取得了很好的應(yīng)用，特別是在圖論、旅行商問題（TSP）、排程問題、網(wǎng)絡(luò)路由等方面[2]。

2.2基本原理

蟻群算法模擬了螞蟻通過信息素（化學(xué)物質(zhì)）的傳遞和更新來實(shí)現(xiàn)在覓食的過程中尋找到最優(yōu)路徑3]。

2.3蟻群算法的數(shù)學(xué)模型

蟻群算法的核心在于如何調(diào)整信息素的濃度。設(shè)信息素濃度為 τ_ij ，螞蟻在路徑上的選擇概率為 P_ij ，則螞蟻選擇路徑的概率可以表示如下。

其中： τ_ij 是從節(jié)點(diǎn) i 到節(jié)點(diǎn) j 路徑上的信息素濃度值； τ_iS 是節(jié)點(diǎn) i 到節(jié)點(diǎn) s 路徑上的信息素濃度值； η_ij 是啟發(fā)式信息（距離的倒數(shù)）； α 和 β 分別是控制信息素和啟發(fā)式信息的影響程度（權(quán)重）； S∈allowed ， s 為下一個(gè)可行節(jié)點(diǎn)，而allowed為下一可行節(jié)點(diǎn)的集合。

信息素更新公式如下。

τ_ij=（1-ρ）τ_ij+Δτ_ij

其中： ρ 為螞蟻信息素的揮發(fā)系數(shù)； m 為螞蟻的數(shù)量； Q 為信息素濃度，是一個(gè)常數(shù)； L_k 為螞蟻 k 所走的全部路徑長度；Δτ_ij^k 為螞蟻 k 本次迭代在路徑 （i，j） 上的信息素增加量； Δτ_ij 為所有的信息素增加量。

2.4改進(jìn)蟻群算法

傳統(tǒng)螞蟻算法容易陷入貪心算法的陷阱進(jìn)人到局部最優(yōu)的局面，本文通過引人不同類型的蟻群來增強(qiáng)算法的多樣性和搜索能力從而達(dá)到對(duì)于全局的搜素，避免算法落入貪心陷阱，即陷入局部最優(yōu)解。

具體步驟如下。

第一步，假設(shè)有 N 只螞蟻。每只螞蟻的當(dāng)前位置和路徑分別表示為 p_i 和 P_i ，其中 ， p_i∈χ 表示螞蟻 i 當(dāng)前的位置， χ 為解空間； 表示螞蟻i到達(dá)的路徑， χ_t 表示螞蟻搜索過程中所走的步數(shù)。

第二步，定義不同類型的蟻群，每個(gè)蟻群有不同的行為特征，其表現(xiàn)是每個(gè)蟻群有自己的信息權(quán)重、信息素重要度。

蟻群1：偏向于對(duì)于全局路徑的搜索，螞蟻的行為是隨機(jī)的，且依賴于當(dāng)前的信息素分布；蟻群1中的螞蟻的路徑概率公式表示如下。

其中， τ（p_i^t，p_i^t+1）^α 表示從 p_i^t 到 p_i^t+1 的信息素濃度， α 是信息素濃度權(quán)重， η（p_i^t+1） 是啟發(fā)式函數(shù)，表示從當(dāng)前位置到下一個(gè)位置的預(yù)期優(yōu)越性，啟發(fā)式函數(shù)一般都是距離的倒數(shù)， β 是啟發(fā)式函數(shù)的權(quán)重。

蟻群2：偏向于向已知的最短路徑前進(jìn)，即在蟻群1所探索的領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的探索，主要通過局部信息素來引導(dǎo)搜索路徑。蟻群2中的螞蟻的路徑概率公式表示如下。

其中， N（p_i^t） 是當(dāng)前位置 p_i^t 的鄰域解集，局部搜索依賴于更新后的信息素分布，進(jìn)行更局部的探索。

第三步，信息素更新規(guī)則。

信息素的更新主要包括兩個(gè)部分，一是信息素的揮發(fā)，另外就是信息素的增加。信息素根據(jù)揮發(fā)系數(shù)（ 0lt;ρlt;1 ）減少，信息素?fù)]發(fā)表示如下。

ρ?τ（p_i^t，p_i^t+1）?τ（p_i^t，p_i^t+1）

如果螞蟻 i 找到了一個(gè)更好的解，那么信息素將增加，信息素增加表示如下。

τ（p_i^t，p_i^t+1）+Δτ?τ（p_i^t，p_i^t+1）

Δτ 是與螞蟻i所找到的解質(zhì)量（適應(yīng)度）相關(guān)信息素增加量，通常表示如下。

其中： f（p_i^t） 是螞蟻 i 路徑解的適應(yīng)度，適應(yīng)度越高，信息素增加量越大。

第四步，蟻群優(yōu)化過程。

優(yōu)化過程由全局搜索和局部搜索交替進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)。每一輪迭代，先進(jìn)行全局搜索，然后進(jìn)行局部搜索，再更新信息素，從而找到最優(yōu)解。

3SMT車間概述

SMT車間顧名思義就是以SMT為生產(chǎn)加工核心的車間。SMT，全稱為Surface Mount Technology，即表面貼裝技術(shù)。它是一種將電子元器件直接貼裝在印刷電路板（PCB）表面的工藝。與傳統(tǒng)的插針式組裝方法（DIP）相比，SMT技術(shù)具有更高的組裝密度能夠組裝體積更小、重量更輕的電子產(chǎn)品。同時(shí)，由于元器件直接貼裝在PCB表面，減少了連接器的使用，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

現(xiàn)階段，該SMT生產(chǎn)車間中物料流動(dòng)、上料、下料均需要人工操作，對(duì)生產(chǎn)過程的清潔度、靜電處理、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本都產(chǎn)生了一定的負(fù)面作用。

3.1生產(chǎn)流程介紹

SMT的核心生產(chǎn)工藝流為上料、錫膏印刷、SPI錫膏檢測(cè)、表面貼裝、回流焊接、AOI檢測(cè)、功能測(cè)試、下料。[4其中依靠的主要核心設(shè)備為上料機(jī)、錫膏印刷機(jī)、貼片機(jī)、回流焊爐、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀、錫膏測(cè)厚儀、接駁臺(tái)、傳送臺(tái)、下料機(jī)。

3.2生產(chǎn)車間布局

生產(chǎn)車間結(jié)構(gòu)清晰，其中主要有生產(chǎn)加工區(qū)、生產(chǎn)緩沖區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、辦公區(qū)（見圖1）。生產(chǎn)加工區(qū)由10個(gè)生產(chǎn)加工設(shè)備集群構(gòu)成，每個(gè)生產(chǎn)集群中包含上料機(jī)、錫膏印刷機(jī)、貼片機(jī)、回流焊爐、自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀、錫膏測(cè)厚儀、接駁臺(tái)、傳送臺(tái)、下料機(jī)，生產(chǎn)緩沖區(qū)的設(shè)立主要是因?yàn)殪o電和清潔度對(duì)表面貼裝技術(shù)有著非常大的影響，靜電會(huì)輕易地?fù)舸╇娮釉骷磺鍧嵆潭葧?huì)影響加工設(shè)備的精度，從而造成成品質(zhì)量隱患，所以預(yù)留出一定獨(dú)立的空間進(jìn)行靜電、除塵處理，即所謂的生產(chǎn)緩沖區(qū)；存儲(chǔ)區(qū)分為兩個(gè)板塊，一個(gè)是原料存儲(chǔ)區(qū)，用來存放電子元器件和PCB板材，另一個(gè)板塊是成品板材存儲(chǔ)區(qū)。

3.3生產(chǎn)車間物料流

所有的物料均存儲(chǔ)于物料倉庫中，當(dāng)生產(chǎn)線有需求時(shí)，由倉庫配料，并通過不同的方式運(yùn)輸至生產(chǎn)線邊上，等待加工。由于所有設(shè)備通過接駁臺(tái)和傳送臺(tái)連接，PCB通過上料機(jī)上料后，由接駁臺(tái)和傳送臺(tái)從上料機(jī)傳送到錫膏印刷工序，錫膏印刷完成后傳送到SPI檢測(cè)儀檢測(cè)，合格的產(chǎn)品將傳送到貼片工序進(jìn)行貼片加工，貼片后傳送到AOI檢測(cè)儀進(jìn)行爐前檢測(cè)，然后傳送到回流焊爐，最后經(jīng)過爐后檢測(cè)和功能測(cè)試，完成所有加工工序，貼裝完成后，PCBA通過下料機(jī)下料后由AGV小車運(yùn)送到完工品倉庫。物料從上料機(jī)到下板的整個(gè)過程是全自動(dòng)化的，不需要其他設(shè)備輔助物料和半完工品流動(dòng)。

4SMT車間設(shè)計(jì)

4.1 AGV運(yùn)輸車的引入

AGV即自動(dòng)導(dǎo)引車適用于需要重復(fù)移動(dòng)作業(yè)的場(chǎng)景，引入AGV可以幫助車間通過自動(dòng)化的方式，提高物流運(yùn)輸速度，進(jìn)而加快生產(chǎn)效率；利用少人化的特性，減少人工成本來達(dá)到進(jìn)一步控制生產(chǎn)成本的效果；同時(shí)因?yàn)樯偃嘶匦裕档土饲鍧嵟c靜電的處理難度，進(jìn)而減少了管理成本、大大降低了產(chǎn)品的故障率[5]。

4.2 AGV運(yùn)輸車選取

AGV的選取要遵循實(shí)用性原則，根據(jù)生產(chǎn)特性來決定，目的是在采購成本最低的情況下，滿足生產(chǎn)需求。

針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)運(yùn)輸車的屬性（見表1）分類進(jìn)行篩選，從而選取一個(gè)具體構(gòu)成屬性最適合生產(chǎn)實(shí)際的運(yùn)輸車，以達(dá)到采購成本最低的目的。AGV的選取方式有如下幾種。

4.2.1 導(dǎo)航方式

相較于攝像頭和圖像識(shí)別技術(shù)的視覺導(dǎo)航AGV、利用加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量的慣性導(dǎo)航AGV以及地磁導(dǎo)航的AGV，地磁導(dǎo)航 AGV整體成本要更低一些，即使在運(yùn)行的靈活度上有些欠缺，但由于SMT車間不會(huì)頻繁更改設(shè)備布局，所以地磁導(dǎo)航可以在降低生產(chǎn)成本的前提下，滿足生產(chǎn)需要。綜上，在導(dǎo)航構(gòu)成屬性上選取地磁導(dǎo)航方式。

4.2.2 驅(qū)動(dòng)方式

輪式構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，運(yùn)作穩(wěn)定，但在復(fù)雜崎嶇的地形上適應(yīng)性差。而履帶式結(jié)構(gòu)，適應(yīng)能力較強(qiáng)，價(jià)格較高并且運(yùn)

行速度較慢，運(yùn)行噪音大。SMT車間中，不存在復(fù)雜、崎嶇的地形，并且穩(wěn)定、速率快、成本低，更能適應(yīng)生產(chǎn)需要，所以在驅(qū)動(dòng)方式上要選擇輪式AGV。

4.2.3載貨方式

背負(fù)型AGV專門貨物的搬運(yùn)，適用于短途運(yùn)輸，成本低；叉車型，除了搬運(yùn)貨物外，還能夠?qū)⑽锲范讯庠诟咛帲粻恳涂梢誀恳鄠€(gè)載物單位，適合長距離、大量貨物搬運(yùn)，但由于這兩種運(yùn)載方式體積太大，不符合車間集約化要求，所以優(yōu)先考慮背負(fù)型AGV。

4.2.4載重能力

輕型和重型，除了在體積上的差別，還有就是機(jī)械結(jié)構(gòu)的差別，輕型往往載重在幾百千克以下，而重型的載重可達(dá)到幾噸或更多，成本也隨著載重能力的上升而上升，本文的應(yīng)用環(huán)境是SMT生產(chǎn)車間，運(yùn)載貨物為PCB板和電子元器件，沒有過高載重的需求，所以選擇輕型AGV。

4.2.5控制方式

相較于通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的AGV，自主控制不依賴人工干預(yù)，完全依靠自身的傳感器、算法、導(dǎo)航系統(tǒng)來執(zhí)行任務(wù)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中功能冗余過高，徒增生產(chǎn)成本。 表2選取結(jié)果表

4.2.6充電方式

充電式與換電式成本不相上下，而換電式能夠更快地使AGV運(yùn)輸車投入運(yùn)用，更能適應(yīng)車間的生產(chǎn)需求。

綜上所述，應(yīng)該選取一個(gè)磁帶導(dǎo)航、輪式驅(qū)動(dòng)、背負(fù)型載貨、換電式的輕型AGV運(yùn)輸車。選取結(jié)果見表2。

4.3車間設(shè)計(jì)

車間的設(shè)計(jì)建立在AGV選取的基礎(chǔ)上。由于在導(dǎo)航設(shè)計(jì)上采用的是磁帶導(dǎo)航AGV，需要在地面鋪設(shè)磁帶，以便AGV運(yùn)輸車可以在車間流暢運(yùn)行，所以要根據(jù)改進(jìn)蟻群算法的路徑計(jì)算，來設(shè)計(jì)磁帶鋪設(shè)。為了車間中的生產(chǎn)不存在原料堆積，采用雙車道設(shè)計(jì)，以便于在上料與下料的過程中，不存在AGV運(yùn)輸車沖突的現(xiàn)象。

4.3.1 上料通道的設(shè)計(jì)

將上料等待區(qū)作為生產(chǎn)車間的坐標(biāo)點(diǎn)，將生產(chǎn)車間坐標(biāo)化，如圖2所示。

其中原料存儲(chǔ)區(qū)出口為坐標(biāo)1（28.7，22），生產(chǎn)加工設(shè)備集群1—10的坐標(biāo)分別是（3，30.8）（3，25.4）（3，20）（3，14.5）（3，9.5）（3，4）（17.2，30.8）（17.2，25.4）（17.2，20）（17.2，14.5）。

利用公式（3），通過各個(gè)坐標(biāo)的關(guān)系建立上料的路徑矩陣，如表3所示。

圖2生產(chǎn)布局坐標(biāo)化圖

對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行選取，其中螞蟻數(shù)量 N 為100；迭代次數(shù)為200；信息素 q 的權(quán)重為1；啟發(fā)式信息的權(quán)重為2；信息素?fù)]發(fā)率為0.1；蟻群1占比70% ，蟻群2占比 30% 。

如圖3所示，經(jīng)過python計(jì)算出最優(yōu)路徑順序?yàn)椋˙estPath）：[O，10，9，8，7，1，2，3，4，5，6]。據(jù)計(jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)下列路徑 （見圖4）。

4.3.2 下料通道的設(shè)計(jì)

經(jīng)過錫膏印刷、SPI檢測(cè)、表面貼裝、回流焊接、AOI檢測(cè)、板功能測(cè)試后，PCB板被放置在防靜電的周轉(zhuǎn)箱中，等待AGV小車的運(yùn)輸，下料通道的設(shè)計(jì)與上料通道類似，但是不同點(diǎn)在于將周轉(zhuǎn)箱所在的位置作為坐標(biāo)點(diǎn)。生產(chǎn)加工設(shè)備集群1、2、3、4、5、6、7、8、9、10的周轉(zhuǎn)箱區(qū)域的坐標(biāo)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著A（11.5，30.8）;B（11.5，25.4）;C（11.5，20）；D（11.5，14.5）；E（11.5，9.54）；F（11.5，4.04）；H（25.8，30.8）；I（25.8，25.4）;J（25.8，20.16）；K（25.8，14.5）；L（28.7，13.7）。

利用公式（3），通過各個(gè)坐標(biāo)的關(guān)系建立下料的路徑矩陣，如表4所示。

對(duì)算法參數(shù)進(jìn)行選取，其中螞蟻數(shù)量 N 為 100 ；迭代次數(shù)為200；信息素權(quán)重 α 為1；啟發(fā)式信息的權(quán)重 β 為2；信息素?fù)]發(fā)率為0.1；蟻群1占比 70% ，蟻群2占比 30% 。

如圖5所示，經(jīng)過python計(jì)算出最優(yōu)路徑順序?yàn)椋˙estPath）：[5，4，3，2，1，0.6，7，8，9，10]。據(jù)計(jì)算的結(jié)果，路徑設(shè)計(jì)為 60.58m （具體見圖6）。

5總結(jié)

AGV的運(yùn)用將會(huì)在人工成本、生產(chǎn)效率、物料搬運(yùn)和庫存管理成本方面帶來諸多正面反饋。

首先，在人工成本方面，相較于之前的SMT車間采用人工搬運(yùn)電子元器件和PCB板材，尤其是在生產(chǎn)線之間的物流運(yùn)輸AGV能夠自動(dòng)化執(zhí)行這些任務(wù)，從而減少人工搬運(yùn)，節(jié)省勞動(dòng)力成本。在該SMT車間中，物流運(yùn)輸人員占據(jù) 25% （20人），按照每名工人5000元的工資計(jì)算，AGV系統(tǒng)至少能夠替代 50% （10人）的人工搬運(yùn)工作，因此在人工成本方面直接節(jié)約60萬元/年，間接方面還降低了人工搬運(yùn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤或損壞，像員工靜電處理不當(dāng)導(dǎo)致電子元器件損壞而返工，或運(yùn)輸位置錯(cuò)誤等問題，該SMT生產(chǎn)車間由人工搬運(yùn)造成的物料受損達(dá)到150000元，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的物料損壞率為 5% ，相當(dāng)于損失90000元/年。

其次，在生產(chǎn)效率提升方面，SMT生產(chǎn)車間的人工需求主要集中在物流方面，AGV的引人進(jìn)一步提升了生產(chǎn)車間的自動(dòng)化率。并且AGV可以不受人為因素影響，如休息、工作效率降低等，從而將生產(chǎn)物流的波動(dòng)降到最低狀態(tài)。

最后，在物料搬運(yùn)和庫存管理成本方面，引入AGV后，節(jié)省了時(shí)間成本和增加了產(chǎn)值，進(jìn)一步優(yōu)化了生產(chǎn)節(jié)奏，從而使庫存積壓和物料過度存儲(chǔ)減少 10% 。按照該SMT每年采購的原材料和組件500萬元來算，每年可以節(jié)約50000元。

將上述各項(xiàng)成本節(jié)約加總可知，引入AGV后的年度總額為74萬元/年。根據(jù)引入AGV系統(tǒng)的初期投資為200萬元（設(shè)備購置、安裝調(diào)試以及系統(tǒng)集成費(fèi)）來看，投資回收期為2.7年。綜合來看，AGV的引人不僅能有效降低人工成本，還能提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化庫存管理，并減少設(shè)備損耗和物料損壞，從而顯著降低整體運(yùn)營成本。

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