Hvordan Delta Robotics optimerer og strømliner processer til elektronikproduktion

Delta-robotter er relativt små robotter, der anvendes til håndtering af fødevarer til emballering, lægemidler til indkapsling og elektronik til samling. Robotternes præcision og høje hastighed gør dem ideelle til disse applikationer. Deres parallelle kinematik muliggør denne hurtige og præcise bevægelse og giver dem samtidig et edderkoppeagtigt udseende, der adskiller sig fra robotter med leddelte arme.

Figur 1: Anvendelse af robotarmen i en elektronikproduktionslinje med belysningseffekt. - arkivfoto (Billedkilde: Phuchit - Getty Images)

Delta-robotter er normalt (men ikke altid) monteret i loftet for at kunne flytte samle- og pakkelinjer ovenfra. De har et meget mindre arbejdsvolumen end en knækarm og har meget begrænsede muligheder for at få adgang til trange rum. Når det er sagt, er deres stivhed og repeterbarhed en fordel i forbindelse med højpræcisionsbehandling af sarte emner - herunder halvledere, der samles.

Delta-robotter i kontekst

Industrirobotter kategoriseres bredt som mobile robotter, serielle manipulatorer eller parallelle manipulatorer.

Mobile robotter omfatter autonome jordbaserede køretøjer (AGV'er) og automatiserede gaffeltrucks, der primært er programmeret til at flytte materialer rundt på fabrikker og lagre.

Robotter, der klassificeres som serielle manipulatorer, har en kæde af kinematiske forbindelser, der forbinder en fast base med en endeeffektor; disse robotter omfatter ledarme og kartesiske robotter. Da stivheden og positionsnøjagtigheden for hvert led er afhængig af det foregående led, er serielle manipulatorer mindre og mindre nøjagtige og stive, jo længere leddet er fra basen. Selv om der er undtagelser, har denne morfologi tendens til at begrænse nøjagtigheden af seksakse-robotter til nogle få millimeter ... og efter at have bevæget sig hurtigt til en ny position og stoppet, vil sådanne robotters endeffektorer svinge i et stykke tid, før de falder til ro.

En type seriel manipulator, der anvendes i mange af de samme applikationer som delta-robotter, er den selektivt eftergivelige leddelte robotarm eller SCARA-robot. De er mekanisk set ret enkle med to reolute led, der er justeret, så deres akser er parallelle med hinanden, og en tredje lineær akse. De to revolute led giver X-Y-positionering i et enkelt plan, mens den tredje lineære akse giver bevægelse i Z-retningen. Selv om de ikke har samme præcision som delta-robotter, er SCARA-robotter relativt billige og kan udføre opgaver ret hurtigt - selv i trange rum.

Figur 2: En delta-robot er en type parallelmanipulator med tre parallelogrammer, der alle er forbundet til et enkelt stift legeme i endeeffektorenden. Hvert parallelograms base aktiveres i en enkelt frihedsgrad i forhold til robottens base. Delta-robotter er typisk monteret i loftet for at styre transportbånd eller arbejdsemner ovenfra. (Billedkilde: Wikimedia Commons)

I modsætning til serielle manipulatorer har robotter, der er klassificeret som parallelle manipulatorer (herunder delta-robotter), flere kinematiske forbindelser, der forbinder endeeffektoren med basen. En sådan morfologi giver en meget stærkere, stivere og lettere struktur end serierobotter. Deres lette og alligevel stive struktur gør det muligt for delta-robotter at accelerere hurtigt og levere meget korte cyklustider. En anden type parallelmanipulator er Stewart-platformen eller hexapoden; disse giver maksimal stivhed, præcision og hastighed - ofte for at korrigere for vibrationer i realtid i præcisionsoptiske applikationer.

Figur 3: Her ses en visionsladet arbejdscelle, der anvender delta-robotter, SCARA-robotter og mobile robotter. Delta-robotten er i rustfrit stål og IP-67-klassificeret. (Billedkilde: KUKA)

Typisk betjenes hvert parallelogram på en delta-robot af en roterende elmotor via lineær betjening. (Billige delta-robotter fra Igus Drylin-serien bruger en mindre almindelig lineær drevkonfiguration.) Koblingen af parallelogrammer begrænser endeeffektoren til kun at bevæge sig i translationsbevægelse. Det giver de samme bevægelsesgrader som en kartesisk maskine med tre akser, men med en meget stivere og lettere struktur. En ekstra fordel ved denne konfiguration er, at drivmotorernes masse er placeret i basen (typisk loftmonteret), så alle robottens bevægelige dele er passive letvægtsstrukturelementer. Nogle delta-robotter har yderligere roterende akser monteret i serie på endeeffektoren for at opnå fire, fem eller seks aksers bevægelse.

Oversigt over delta-robotanvendelser

Delta-robotter anvendes i vid udstrækning i pick-and-place-applikationer til elektronikmontage samt fødevare- og medicinalemballage. Når en delta-robot kører over et eller flere transportbånd eller mobile samleplatforme, transporteres emnerne ind i robottens arbejdsvolumen. Herefter identificerer et visionssystem delens nøjagtige placering og orientering for at vejlede robotten om, hvor og hvordan den skal gribe fat i eller på anden måde operere på delen.

Figur 4: Denne servomotor-drevne delta-robot bevæger sig med 200 cyklusser pr. minut i tre frihedsgrader plus en rotationsakse. En styring kan styre disse robotters akser med en responstid på 2 sek. for at synkronisere med transportbånd og andre opgaver. En anden delta-robot er Quattro; den har fire i stedet for tre parallelogrammer, der forbinder basen med endeeffektoren for at opnå høj stivhed og positioneringsnøjagtighed ved høje hastigheder. (Billedkilde: Omron Automation)

Delta-robotten kan således samle en genstand op og derefter flytte den til det ønskede sted. Dernæst kan den sætte genstanden ned på det ønskede sted og i den ønskede retning. En delta-robot kan f.eks. plukke elektroniske komponenter, der er placeret tilfældigt på et transportbånd, og samle dem på et printkort, der præsenteres for arbejdscellen via et andet transportbånd.

Flere delta-robotter arbejder ofte samtidig langs en linje med to parallelle transportbånd i kontinuerlig bevægelse til pluk og placering i farten. Centraliserede styresystemer koordinerer systemerne i sådanne installationer - med stor afhængighed af maskinsyn til at informere robotstyringsrutiner. Hver enkelt pick and place-operation kan tage kun en brøkdel af et sekund at gennemføre.

Med flere delta-robotter, der arbejder på samme tid, er det muligt at samle og emballere meget hurtigt.

Delta-anvendelser, der er specifikke for elektronikfremstilling

Elektronikproduktion er afhængig af delta-robotter til transport og håndtering af printplader (PCB'er) og komponenter, PCB-montage og enhedsmontering.

PCB'er er lagdelt med ikke-ledende substrater og kobberlag. Kredsløbslayouts trykkes typisk på printkortet med litografi; derefter ætses resten af kobberlaget kemisk væk. Derefter påføres ikke-ledende loddemasker for at forhindre loddebroer mellem tæt placerede komponenter og kobberbaner. PCB-montage omfatter placering og lodning af komponenter med gennemgående huller eller SMT-komponenter (Surface Mount Technology). Ældre PCB'er anvendte kun gennemgående komponenter, men det er nu ualmindeligt. Gennemhulskomponenter har ledninger, der er indsat gennem huller i printkortet og loddet på den modsatte side for at opnå større mekanisk styrke, men denne ekstra proces gør dem vanskeligere at samle. Det er ikke underligt, at SMT-komponenter nu dominerer for mindre komponenter; de er meget bedre egnet til højt automatiseret volumenproduktion. Når det er sagt, er der ofte stadig behov for montering i gennemgående huller til større komponenter som f.eks. kondensatorer, transformatorer og stik.

Figur 5: Elektronikplader kører på et transportbånd gennem en samlearbejdscelle. (Billedkilde: Getty Images)

Ved begge former for fastgørelse af PCB-komponenter kan maskinsynsudstyr, der supplerer en delta-robot, kontrollere komponentvariationen og orienteringen før installation på printpladen. For at opnå en høj gennemløbskapacitet kan robotplukke- og placeringshovedet være designet til at behandle flere komponenter ad gangen. En robot kan også påføre loddepasta, og en anden kan påføre varme for at forbinde de installerede komponenter elektrisk. Ellers kan komponenterne fastgøres ved hjælp af en bølgelodningsteknik ... selv om maskinerne til dette er dyre og bedst egnet til fremstilling af meget store serier. Endnu dyrere er det, at komponenter, der er for store til indsætningsmaskiner, ofte monteres manuelt på halvlederplader. Det kan også være nødvendigt at påføre lodning manuelt på vanskeligt tilgængelige steder mellem komponenterne.

I sidstnævnte tilfælde kan delta-robotter erstatte manuelle operationer for at placere større komponenter og lodde mellem komponenterne.

Delta-robotter kan også være langt billigere og langt nemmere at konfigurere end kartesiske pick-and-place-maskiner. Sidstnævnte er trods alt store og tunge - i lighed med CNC-værktøjsmaskiner. Kartesiske systemer er vanskelige at flytte, og efter at de er blevet flyttet, kan det være nødvendigt med en kostbar og tidskrævende rekalibrering. Delta-robotter er derimod små og lette nok til at kunne flyttes ret ofte. Efter opsætning på det nye sted skal de blot køre en simpel selvkalibreringsrutine og derefter genoptage driften.

Figur 6: Nogle delta-robotter manøvrerer gennem fem akser for at orientere objekter af alle typer. Den viste IRB 365 kan sortere, fodre, plukke, omorientere og placere 1-kg-produkter med 120 plukninger pr. minut - og opfylder dermed kravene til produktionsfaciliteter, der har brug for høj gennemløbskapacitet og effektivitet. Systemet, der styres af en kompakt delta-robotcontroller kaldet OmniCore, tilbyder effektiv bevægelseskontrol, digital tilslutningsmulighed og mere end tusind programmerede funktioner. (Billedkilde: ABB)

Der er mange muligheder for Delta-robotter. Codian Robotics specialiserer sig udelukkende i delta-robotter i modsætning til de fleste industrielle robotproducenter, der primært producerer knækarmsrobotter. Leverandørens delta-robotter har en nyttelast på mellem 1,5 og 125 kg til at samle små elektroniske dele til mange langt større konstruktioner. Et partnerskab med Mitsubishi Electric kombinerer Codian delta-robotter med Mitsubishi-controllere.

ABB's delta-robotter fremstilles under FlexPicker-mærket. Den nuværende model er IRB 360, en delta-robot med to ekstra roterende akser i serie ved endeeffektoren for at opnå femakset bevægelse. Disse robotter er optimeret til pick and place-operationer.

Fanuc fremstiller delta-robotter i to serier. M-serien omfatter både små robotter, der bruges til samling af små dele (oftest elektronik) og større robotter. Robotter i M-serien fås i tre, fire og fem-akse konfigurationer. Robotter i DR-3iB-serien er større fireakse-robotter, der er designet til pluk- og pakningsprocesser med bevægelseshastigheder på op til 5,5 m/sek. og en nyttelast på op til 8 kg.

Konklusion

Delta-robotter leverer prisbillig og fleksibel automatisering til elektronikproduktion. De giver ofte højere hastighed og større fleksibilitet end andre robotter og automatiserede pick-and-place-maskiner.