Hoe deltarobotica de fabricageprocessen van elektronica optimaliseert en stroomlijnt

Deltarobots zijn relatief kleine robots die worden gebruikt bij de behandeling van levensmiddelen voor verpakking, farmaceutische producten voor omhulling en elektronica voor assemblage. Door hun precisie en hoge snelheid zijn de robots bij uitstek geschikt voor deze toepassingen. Hun parallelle kinematica maakt deze snelle en nauwkeurige beweging mogelijk en geeft hen een spinachtig uiterlijk dat heel anders is dan dat van robots met gelede armen.

Afbeelding 1: Het gebruik van de robothefboom in de elektronicaproductielijn met het verlichtingseffect. - stockfoto (Bron afbeelding: Phuchit - Getty Images)

Deltarobots zijn gewoonlijk (maar niet altijd) aan het plafond bevestigd om assemblage- en verpakkingslijnen van bovenaf te kunnen bewegen. Ze hebben een veel kleiner werkvolume dan een knikarm, en een zeer beperkt vermogen om toegang te krijgen tot kleine ruimtes. Toch zijn hun stijfheid en herhaalbaarheid troeven bij de uiterst precieze bewerking van delicate werkstukken - waaronder halfgeleiders die worden geassembleerd.

Deltarobots in de context

Industriële robots worden globaal gecategoriseerd als mobiele robots, seriële manipulatoren of parallelle manipulatoren.

Mobiele robots omvatten autonome grondvoertuigen (AGV's) en geautomatiseerde vorkheftrucks die voornamelijk zijn geprogrammeerd om materialen te verplaatsen in fabrieken en magazijnen.

Robots die zijn ingedeeld als seriële manipulators hebben een keten van kinematische verbindingen die een vaste basis verbinden met een eindeffector; deze robotica omvatten gelede armen en cartesische robots. Omdat de stijfheid en positienauwkeurigheid van elke hefinrichting afhankelijk is van de voorgaande hefinrichting, zijn seriële manipulatoren steeds nauwkeuriger en stijver naarmate de hefinrichting zich verder van de basis bevindt. Hoewel er uitzonderingen zijn, beperkt deze morfologie de nauwkeurigheid van robots met zes assen tot enkele millimeters ... en na een snelle verplaatsing naar een nieuwe positie en het stoppen, zullen de eindeffectoren van dergelijke robots enige tijd oscilleren voordat ze tot rust komen.

Een type seriële manipulator dat in veel van dezelfde toepassingen wordt gebruikt als deltarobots is de selectieve gelede robotarm of SCARA-robot. Ze zijn mechanisch gezien vrij eenvoudig, met twee draaikoppelingen die zo zijn gericht dat hun assen parallel lopen, en een derde lineaire as. De twee revolute gewrichten zorgen voor X-Y-positionering in één vlak, terwijl de derde lineaire as zorgt voor beweging in de Z-richting. Hoewel zij de precisie van deltarobots kunnen missen, zijn SCARA's relatief goedkoop en kunnen zij taken vrij snel uitvoeren, zelfs in kleine ruimtes.

Afbeelding 2: Een deltarobot is een type parallelle manipulator met drie parallellogrammen die allemaal verbonden zijn met één star lichaam aan het einde van de effector. De basis van elk parallellogram wordt bediend in één vrijheidsgraad ten opzichte van de basis van de robot. Deltarobots worden gewoonlijk aan het plafond gemonteerd om transportbanden of werkstukken van bovenaf aan te sturen. (Bron afbeelding: Wikimedia Commons)

In tegenstelling tot seriële manipulators hebben robots die als parallelle manipulators zijn ingedeeld (waaronder deltarobots) meerdere kinematische verbindingen tussen de eindeffector en de basis. Een dergelijke morfologie zorgt voor een veel sterkere, stijvere en lichtere structuur dan seriële robottypes. Dankzij hun lichte maar stijve structuur kunnen deltarobots snel versnellen om zeer korte cyclustijden te leveren. Een ander type parallelle manipulator is het Stewart platform of de hexapod; deze leveren maximale stijfheid, precisie en snelheid - vaak om trillingen in real time te corrigeren in toepassingen voor precisie-optiek.

Afbeelding 3: Hier ziet u een met visie uitgeruste werkcel die gebruik maakt van deltarobots, SCARA-robots en mobiele robots. De deltarobot is van roestvrij staal en heeft een IP-67-classificatie. (Bron afbeelding: KUKA)

Gewoonlijk wordt elk parallellogram op een deltarobot aangedreven door een roterende elektromotor via lineaire aandrijving. (Goedkope deltarobots uit de Igus Drylin-serie gebruiken een minder gebruikelijke lineaire aandrijvingsconfiguratie). De koppeling van parallellogrammen beperkt de eindeffector tot uitsluitend translatie. Dat geeft dezelfde bewegingsgraden als een drieassige cartesische machine, maar met een veel stijvere en lichtere structuur. Een bijkomend voordeel van deze configuratie is dat de massa van de aandrijfmotoren zich in de (meestal aan het plafond bevestigde) basis bevindt, zodat alle bewegende delen van de robot passieve lichtgewicht structurele elementen zijn. Sommige deltarobots hebben extra roterende assen die in serie zijn gemonteerd op de eindeffector om bewegingen met vier, vijf of zes assen mogelijk te maken.

Overzicht van toepassingen van deltarobots

Deltarobots worden veel gebruikt in pick-and-place-toepassingen voor elektronica-assemblage en voor het verpakken van levensmiddelen en geneesmiddelen. Wanneer een deltarobot over een of meer transportbanden of mobiele assemblageplatforms werkt, worden voorwerpen vervoerd of anderszins getransporteerd in het werkvolume van de robot. Vervolgens identificeert een visiesysteem de exacte locaties en oriëntaties van de onderdelen om de robot te helpen bepalen waar en hoe hij het onderdeel moet vastgrijpen of anderszins bewerken.

Afbeelding 4: Deze servomotorgestuurde deltarobot beweegt tot 200 cycli per minuut in drie vrijheidsgraden (DOF's) plus een rotatieas. Een besturing kan de assen van deze robots bevelen met een reactietijd van 2 seconden om te synchroniseren met transportbanden en andere taken. Een andere delta-robot is de Quattro; deze heeft vier in plaats van drie parallellogrammen die de basis verbinden met de eindeffector, voor een hoge stijfheid en positioneringsnauwkeurigheid bij hoge snelheden. (Bron afbeelding: Omron Automation)

De deltarobot kan dus een voorwerp oppakken en het vervolgens verplaatsen naar de gewenste locatie. Vervolgens kan hij het voorwerp op de beoogde plaats en oriëntatie neerzetten. Een deltarobot kan bijvoorbeeld willekeurig op een transportband georiënteerde elektronische componenten verzamelen en deze assembleren op een printplaat die via een tweede transportband aan de werkcel wordt aangeboden.

Meerdere deltarobots werken vaak tegelijkertijd langs een lijn met twee parallelle, continu bewegende transportbanden voor "on-the-fly pick-and-place". Gecentraliseerde besturingssystemen coördineren de systemen van dergelijke installaties - waarbij sterk wordt vertrouwd op machinevisie om de robotbesturingsroutines te informeren. Elke afzonderlijke pick-and-place operatie kan slechts een fractie van een seconde in beslag nemen.

Met meerdere deltarobots tegelijk is zeer snelle assemblage en verpakking mogelijk.

Delta gebruikt specifiek voor de fabricage van elektronica

Elektronicafabrikanten vertrouwen op deltarobots voor het transport en de handling van printplaten (PCB's) en componenten, de assemblage van PCB's en de assemblage van apparaten.

PCB's zijn gelaagd met niet-geleidende substraten en koperlagen. Circuit lay-outs worden meestal met lithografie op de printplaat gedrukt; vervolgens wordt de rest van de koperlaag chemisch weg geëtst. Vervolgens worden niet-geleidende soldeermaskers aangebracht om soldeerbruggen tussen dicht bij elkaar geplaatste componenten en kopersporen te voorkomen. Bij PCB-assemblage worden componenten met doorlopende gaten of met behulp van oppervlaktetechnologie (SMT) geplaatst en vervolgens gesoldeerd. Oudere printplaten gebruikten alleen componenten met doorlopende gaten, maar dit is nu ongebruikelijk. Bij componenten met doorlopende gaten worden de draden door de gaten in de printplaat gestoken en aan de andere kant gesoldeerd voor meer mechanische sterkte, maar dit extra proces maakt ze moeilijker te assembleren. Geen wonder dat SMT-componenten nu domineren voor kleinere onderdelen; zij zijn veel beter geschikt voor sterk geautomatiseerde volumefabricage. Voor grotere onderdelen zoals condensatoren, transformatoren en connectoren is echter vaak nog enige montage door middel van gaten nodig.

Afbeelding 5: Elektronische printplaten rijden op een transportband door een assemblagewerkcel. (Bron afbeelding: Getty Images)

Voor beide soorten bevestiging van PCB-componenten kan machinevision in aanvulling op een delta robot de variatie en oriëntatie van de component controleren voordat deze op de printplaat wordt geïnstalleerd. Voor een hoge verwerkingscapaciteit kan de pick-and-place-kop van de robot worden ontworpen om meerdere onderdelen tegelijk te verwerken. Een gerobotiseerde eindeffector kan ook soldeerpasta aanbrengen, en een andere kan warmte toepassen om de geïnstalleerde componenten elektrisch te verbinden. Anders kunnen onderdelen worden bevestigd met een golfsoldeertechniek. Hoewel machines hiervoor duur zijn en het meest geschikt voor zeer grote hoeveelheden. Nog duurder is dat componenten die te groot zijn voor invoegmachines vaak handmatig op halfgeleiderborden worden gemonteerd. Ook kan het nodig zijn handmatig soldeer aan te brengen op moeilijk bereikbare plaatsen tussen componenten.

Voor dit laatste kunnen delta robots handmatige handelingen vervangen om grotere componenten te plaatsen en tussen componenten te solderen.

Deltarobots zijn ook veel goedkoper en veel gemakkelijker te configureren dan pick-and-place-machines van het cartesiaanse type. Deze laatste zijn immers groot en zwaar - vergelijkbaar met CNC-bewerkingsmachines. Cartesiaanse systemen zijn moeilijk te verplaatsen, en na verplaatsing kan herijking kostbaar en tijdrovend zijn. Deltarobots daarentegen zijn klein en licht genoeg om zich vrij vaak te verplaatsen. Nadat ze op de nieuwe locatie zijn ingesteld, voeren ze gewoon een eenvoudige zelfkalibreringsroutine uit en hervatten ze de werking.

Afbeelding 6: Sommige deltarobots manoeuvreren via vijf assen om alle soorten objecten te oriënteren. De hier getoonde IRB 365 kan producten van 1 kg sorteren, invoeren, verzamelen, heroriënteren en plaatsen met een snelheid van 120 slagen per minuut - en voldoet daarmee aan de eisen van productiefaciliteiten die een hoge verwerkingscapaciteit en efficiëntie vereisen. Het systeem wordt bestuurd door een compacte delta-robotbesturing, de OmniCore, en biedt een krachtige bewegingsbesturing, digitale connectiviteit en meer dan duizend geprogrammeerde functies. (Bron afbeelding: ABB)

Deltarobotopties in overvloed. Codian Robotics is uitsluitend gespecialiseerd in deltarobots, in tegenstelling tot de meeste industriële robotfabrikanten die voornamelijk knikarmrobots produceren. De deltarobots van de leverancier hebben een draagvermogen van 1,5 tot 125 kg voor de assemblage van kleine elektronische onderdelen tot veel grotere ontwerpen. Een partnerschap met Mitsubishi Electric koppelt Codian deltarobots aan Mitsubishi-controllers.

De deltarobots van ABB worden geproduceerd onder het merk FlexPicker. Het huidige model is de IRB 360, een deltarobot met twee roterende hulpassen in serie aan de eindeffector voor beweging over vijf assen. Deze robots zijn geoptimaliseerd voor pick and place-operaties.

Fanuc produceert deltarobots in twee reeksen. De M-serie omvat zowel kleine robots voor de assemblage van kleine onderdelen (meestal elektronica) als grotere robots. Robots uit de M-serie zijn verkrijgbaar in configuraties met drie, vier en vijf assen. De robots van de DR-3iB-serie zijn grotere vierassige robots die ontworpen zijn voor pick- en verpakkingswerkzaamheden, met bewegingssnelheden tot 5,5 m/sec en een nuttige last tot 8 kg.

Conclusie

Deltarobots bieden betaalbare en flexibele automatisering voor de productie van elektronica. Zij bieden vaak een hogere snelheid en meer flexibiliteit dan andere robotica en automatische pick-and-place machines.