Hvordan Delta Robotics optimaliserer og effektiviserer elektronikkproduksjonsprosesser

Delta-roboter er relativt små roboter som brukes til å håndtere matvarer for emballasje, legemidler for innkapsling og elektronikk for montering. Robotenes presisjon og høye hastighet gjør dem ideelle for disse bruksområdene. Deres parallelle kinematikk muliggjør denne raske og nøyaktige bevegelsen, samtidig som de gir dem et edderkopplignende utseende som er ganske forskjellig fra det til leddede armeroboter.

Bilde 1: Bruk av robotleddarm i en elektronikkproduksjonslinje med belysningsffekt. - arkivfoto (Bildekilde: Phuchit • Getty Images)

Delta-roboter er vanligvis (men ikke alltid) takmonterte, siden de oftest benyttes til å jobbe med flytting og montering ovenfra, på pakkelinjer . De har et mye mindre arbeidsvolum enn en leddet arm, og svært begrenset evne til å få tilgang til trange rom. Når det er sagt, er deres stivhet og repeterbarhet eiendeler i høy presisjonsbehandling av delikate arbeidsstykker – inkludert halvledere som blir montert.

Delta-roboter i sammenheng

Industriroboter er generelt kategorisert som mobile roboter, serielle manipulatorer eller parallelle manipulatorer.

Mobile roboter inkluderer autonome bakkekjøretøyer (AGV-er) og automatiserte gaffeltrucker som primært er programmert til å flytte materialer rundt i fabrikker og lagre.

Roboter klassifisert som serielle manipulatorer har en kjede av kinematiske koblinger som forbinder en fast base til en endeeffektor; disse robotene inkluderer leddede armer og kartesiske roboter. På grunn av at stivheten og posisjonsnøyaktigheten til hver leddforbindelse er avhengig av den tidligere leddforbindelsen, er seriemanipulatorer avtagende nøyaktige og stive jo lenger leddforbindelsen er fra basen. Selv om det er unntak, har denne morfologien en tendens til å begrense nøyaktigheten til seksaksede roboter til noen få millimeter ... og etter raskt å ha flyttet til en ny posisjon og stoppet, vil slike roboters endeeffektorer svinge i noe tid før de stopper opp.

En type seriell manipulator som brukes i mange av de samme utrustning som delta-roboter, er den selektive leddede robotarmen som elastisk ettergivende eller SCARA-roboten. De er mekanisk ganske enkle med to roterende ledd innrettet slik at deres akser er parallelle med hverandre og en tredje lineær akse. De to roterende leddene gir XY-posisjonering i et enkelt plan, mens den tredje lineære aksen gir bevegelse i Z-retningen. Selv om de kan mangle presisjonen til delta-roboter, er SCARA-er relativt lave kostnader og kan utføre oppgaver ganske raskt – selv i trange rom.

Bilde 2: En delta-robot er en type parallellmanipulator med tre parallellogrammer som alle er koblet til et enkelt stivt legeme ved endeeffektorenden. Basen til hvert parallellogram aktiveres i en enkelt frihetsgrad i forhold til robotens base. Delta-roboter er vanligvis takmonterte, siden de oftest benyttes til å jobbe på transportbånd, ovenfra. (Bildekilde: Wikimedia Commons)

I motsetning til serielle manipulatorer har roboter klassifisert som parallelle manipulatorer (innbefattet delta-roboter) flere kinematiske koblinger som forbinder endeeffektoren med basen. En slik morfologi gir en mye sterkere, stivere og lettere struktur enn serielle robottyper. Den lette, men stive strukturen gjør at delta-roboter raskt kan akselerere og levere svært korte syklustider. En annen type parallell manipulator er Stewart-plattformen eller hexapoden; disse gir maksimal stivhet, presisjon og hastighet – ofte for å korrigere for vibrasjoner i sanntid i utrustninger med presisjonsoptikk.

Bilde 3: Her er en maskinsyn-lastet arbeidscelle som benytter delta-roboter, SCARA-roboter og mobile roboter. Delta-roboten er i rustfritt stål og er IP-67-klassifisert. (Bildekilde: KUKA)

Typisk blir hvert parallellogram på en delta-robot aktivert av en roterende elektrisk motor via lineær aktivering. (Lavkostnads delta-roboter fra Igus Drylin-serien bruker en mindre vanlig lineær drivkonfigurasjon.) Koblingen av parallellogrammer begrenser endeeffektoren til bare translasjonsbevegelse. Det gir de samme bevegelsesgradene som en tre-akse kartesisk maskin, men med en mye stivere og lettere struktur. En ytterligere fordel med denne konfigurasjonen er at massen av drivmotorene er plassert i (vanligvis takmontert) base, slik at alle robotens bevegelige deler er passive lette strukturelle elementer. Noen delta-roboter har ytterligere roterende akser montert i serie ved ende-effektoren for å tilveiebringe fire-, fem- eller seks-akses bevegelse.

Oversikt over delta-robotutrustninger

Delta-roboter er mye brukt i utrustninger som plukkroboter (pick-and-place) for elektronikkmontering, samt til pakking med emballasje i matproduksjon og farmasøytisk produksjon. Når en delta-robot opererer over en eller flere sa eller mobile monteringsplattformer, blir gjenstander transportert eller på annen måte ført inn i robotens arbeidsområde. Deretter identifiserer et maskinsyn-system (synssystem) delenes nøyaktige plasseringer og orienteringer for å veilede roboten om hvor og hvordan man skal gripe eller på annen måte operere på delen.

Bilde 4: Denne servomotordrevne delta-roboten beveger seg med 200 sykluser per minutt i tre frihetsgrader (DOF) pluss en rotasjonsakse. En styreenhet kan styre disse robotenes akser med 2 ms responstid for å synkronisere med transportbånd og andre oppgaver. Er annen delta-robot er faktisk Quattro; den har fire parallellogrammer som forbinder basen til endeeffektoren, i stedet for tre. Dette er for å levere høy stivhet og posisjonsnøyaktighet ved høye hastigheter. (Bildekilde: Omron Automation)

Så kan delta-roboten plukke opp en gjenstand og deretter flytte den til ønsket sted. Deretter kan det sette elementet ned på målstedet og -retningen (orienteringen). For eksempel kan en delta-robot plukke ut elektroniske komponenter som er tilfeldig orientert på et transportbånd og montere dem på et kretskort som presenteres for arbeidscellen via et andre transportbånd.

Flere delta-roboter arbeider ofte samtidig langs en linje med to parallelle kontinuerlig bevegelige transportbånd for plukkrobot (pick-and-place). Sentraliserte styringsystemer koordinerer systemene til slike installasjoner – med stor avhengighet av maskinsyn for å informere robotkontrollrutiner. Hver enkelt operasjon med plukking og plassering (automatisk bestykning) kan ta bare en brøkdel av et sekund å fullføre.

Med flere delta-roboter i drift samtidig, er det mulig med svært rask montering og pakking.

Delta ved spesifik bruk til elektronikkproduksjon

Elektronikkproduksjon er avhengig av delta-roboter for transport og håndtering av trykte kretskort (PCB-er) og komponenter, kretskort-montasje og enhetsmontering.

Kretskort (PCB) er lagdelt med ikke-ledende substrater og kobberlag. Kretsoppsett trykkes vanligvis på kortet med litografi; deretter blir resten av kobberlaget kjemisk etset bort. Ikke-ledende loddemasker blir så påført for å forhindre at loddemetall danner bro mellom nærliggende komponenter og kobberspor. Kretskortmontering innebærer plassering og deretter lodding av komponenter for hullmontering eller overflatemontering (surface mount technology – SMT) . Eldre kretskort brukte bare komponenter for hullmontering, men dette er nå uvanlig. Komponenter for hullmontering har ledere innsatt gjennom et hull i kortet og er loddet på motsatt side for større mekanisk styrke, men denne ekstra prosessen gjør dem vanskeligere å montere. Ikke rart at overflatemonterte komponenter (SMT-komponenter) nå dominerer i forhold til mindre komponenter; de er mye bedre egnet til høyt automatisert volumproduksjon. Når det er sagt, er det ofte fortsatt nødvendig med bruk av hullmonterte komponenter i noen tilfeller, dette er for større komponenter som kondensatorer, transformatorer og kontakter.

Bilde 5: Elektronikk-kort føres gjennom en monteringsarbeidscelle på et transportbånd. (Bildekilde: Getty Images)

For begge typer komponentfesting på kretskort kan maskinsyn som utfyller en delta-robot, kontrollere komponentvariasjonen og orienteringen før installasjon på kortet. For høy gjennomstrømning kan plukkrobot-hodet konstrueres for å behandle flere komponenter om gangen. En robotendeeffektor kan også påføre loddepasta, og enda en robot kan påføre varme for å elektrisk forbinde de installerte komponentene. Ellers kan komponenter festes ved hjelp av en smelteloddingsmetoden... selv om maskiner for dette er dyre og best egnet for produksjon av svært store volumer. Noe som er enda dyrere, er at komponenter som er for store for monteringsmaskiner ofte monteres manuelt på kretskort med halvledere. Loddemetall kan også måtte påføres manuelt på steder som er vanskelige å nå mellom komponentene.

For sistnevnte kan delta-roboter erstatte manuelle operasjoner for å plassere større komponenter og lodde mellom komponenter.

Delta-roboter kan også være mye billigere og mye enklere å konfigurere enn plukkroboter (pick-and-place maskiner / plukkemaskiner) av kartesisk type. Tross alt, er sistnevnte store og tunge – i likhet med CNC-maskinverktøy. Kartesiske systemer er vanskelige å flytte, og etter flytteing kan de kreve kostbar og tidkrevende omkalibrering. I motsetning til dette er delta-roboter små og lette nok, til å flytte ganske ofte. Etter oppsett på det nye stedet kjører de ganske enkelt en enkel selvkalibreringsrutine og gjenopptar deretter driften.

Bilde 6: Noen delta-roboter manøvrerer i fem akser for å orientere objekter av alle typer. IRB 365 som er vist her, kan sortere, mate, plukke, omorientere (snu) og plassere 1 kg produkter med 120 plukkoperasjoner per minutt – som tilfredsstiller kravene til produksjonsanlegg som trenger høy gjennomstrømning og effektivitet. Systemet styres av en kompakt delta-robotstyring, kalt OmniCore, den tilbyr ytelsesbevegelseskontroll, digital tilkobling og mer enn tusen programmerte funksjoner. (Bildekilde: ABB)

Det florerer med alternativer med delta-roboter. Codian Robotics spesialiserer seg bare på delta-roboter, i motsetning til de fleste industrielle robotprodusenter som hovedsakelig produserer ledd-arm-roboter. Leverandørens delta-roboter tilbyr nyttelaster fra 1,5 til 125 kg for å utføre montering av små elektroniske deler til mange langt større konstruksjoner. Et Mitsubishi Electric-partnerskap kobler Codian delta-roboter med Mitsubishi-styringer.

ABBs delta-roboter produseres under varemerket FlexPicker. Den nåværende modellen er IRB 360, en delta-robot med to ekstra roterende akser i serie ved endeeffektoren for femaksebevegelse. Disse robotene er optimalisert for operasjoner med automatisk bestykning (plukkemaskiner).

FANUC produserer delta-roboter i to ulike serier. M-serien inkluderer små roboter som brukes til montering av små deler (oftest elektronikk), samt større roboter. Roboter i M-serien er tilgjengelige i konfigurasjoner med tre, fire og fem akser. Robotene i DR-3iB-serien er større fireaksede roboter designet for plukking og pakking, med bevegelseshastigheter på opptil 5,5 m/sek og nyttelast på opptil 8 kg.

Konklusjon

Delta-roboter tilbyr rimelig og fleksibel automatisering for elektronikkproduksjon. De gir ofte høyere hastighet og mer fleksibilitet enn andre robotikk og automatiserte plukkroboter (pick-and-place maskiner / plukkemaskiner).