Optymalizacja i usprawnienie procesu produkcji elektroniki dzięki robotom delta

Roboty delta to stosunkowo niewielkie roboty używane do transportu bliskiego artykułów spożywczych do pakowania, farmaceutyków do umieszczania w osłonkach i elektroniki do montażu. Precyzja i wysoka prędkość tych robotów sprawia, że idealnie sprawdzają się w tych zastosowaniach. Ich równoległa kinematyka umożliwia szybki i dokładny ruch, a jednocześnie nadaje im wygląd przypominający pająka, który znacznie różni się od robotów z ramionami przegubowymi.

Ilustracja 1: zastosowanie dźwigniowego ramienia robotycznego na linii produkcyjnej elektroniki wraz z oświetleniem. - zdjęcie z banku obrazów (źródło ilustracji: Phuchit • Getty Images)

Roboty delta są zazwyczaj (choć nie zawsze) montowane na suficie, aby umożliwić obsługę ruchomych linii montażowych i pakujących od góry. Mają one znacznie mniejszą wydajność roboczą niż ramię przegubowe i bardzo ograniczoną możliwość dostępu do ciasnych przestrzeni. Jednak ich sztywność i powtarzalność są atutami w precyzyjnej obróbce delikatnych przedmiotów - w tym montowanych półprzewodników.

Roboty delta w kontekście

Roboty przemysłowe są ogólnie klasyfikowane jako roboty mobilne, manipulatory szeregowe lub manipulatory równoległe.

Roboty mobilne obejmują autonomiczne pojazdy naziemne (AGV) i zautomatyzowane wózki widłowe, które są zaprogramowane głównie do przemieszczania materiałów w fabrykach i magazynach.

Roboty zaliczane do manipulatorów szeregowych posiadają łańcuch kinematycznych dźwigni łączących nieruchomą podstawę z efektorem końcowym. Ta robotyka obejmuje ramiona przegubowe i roboty kartezjańskie. Ponieważ sztywność i dokładność pozycjonowania każdej dźwigni zależy od dźwigni poprzedniej, dokładność i sztywność manipulatorów szeregowych zmniejsza się im dalej dźwignia znajduje się od podstawy. Chociaż są wyjątki, ta morfologia zwykle ogranicza dokładność sześcioosiowych robotów do kilku milimetrów, a po szybkim przejściu do nowej pozycji i zatrzymaniu, efektory końcowe takich robotów będą oscylować przez jakiś czas, zanim się ustabilizują.

Jednym z typów manipulatorów szeregowych używanych w wielu takich samych zastosowaniach jak roboty delta jest przegubowe ramię robota o selektywnej podatności, czyli robot SCARA. Mechanicznie są one dość proste - posiadają dwa przeguby obrotowe ustawione tak, że ich osie są równoległe do siebie i z trzecią osią liniową. Dwa przeguby obrotowe zapewniają pozycjonowanie XY w jednej płaszczyźnie, podczas gdy trzecia oś liniowa zapewnia ruch w kierunku Z. Chociaż może im brakować precyzji robotów delta, roboty SCARA są stosunkowo niedrogie i mogą dość szybko wykonywać zadania - nawet w ciasnych przestrzeniach.

Ilustracja 2: robot delta jest typem manipulatora równoległego z trzema równoległowodami połączonymi z jednym członem sztywnym na końcu efektora. Podstawa każdego równoległowodu jest uruchamiana w jednym stopniu swobody względem podstawy robota. Roboty delta są zwykle montowane na suficie, aby umożliwić obsługę przenośników lub elementów od góry. (Źródło ilustracji: Wikimedia Commons)

W przeciwieństwie do manipulatorów szeregowych, roboty klasyfikowane jako manipulatory równoległe (w tym roboty typu delta) posiadają wiele dźwigni kinematycznych łączących efektor końcowy z podstawą. Taka morfologia zapewnia znacznie mocniejszą, sztywniejszą i lżejszą konstrukcję niż w przypadku robotów typu szeregowego. Lekka, a zarazem sztywna konstrukcja pozwala robotom na duże przyspieszenia, zapewniając bardzo krótkie czasy cyklu. Innym typem manipulatora równoległego jest platforma Stewarta lub sześcionóg. Zapewnia ona maksymalną sztywność, precyzję i szybkość - często w celu korygowania drgań w czasie rzeczywistym w zastosowaniach optyki precyzyjnej.

Ilustracja 3: gniazdo produkcyjne wyposażone w system wizyjny, w którym pracują roboty delta, roboty SCARA i roboty mobilne. Robot delta jest wykonany ze stali nierdzewnej i ma stopień ochrony IP-67. (Źródło ilustracji: KUKA)

Zazwyczaj każdy równoległowód w robocie delta jest uruchamiany przez wirujący silnik elektryczny, którego ruch obrotowy jest zamieniany na liniowy. (Niedrogie roboty delta z serii Igus Drylin wykorzystują mniej powszechną konfigurację napędu liniowego). Połączenie równoległowodów ogranicza efektor końcowy tylko do ruchu translacyjnego. Daje to takie same stopnie ruchu jak trzyosiowa maszyna kartezjańska, ale ma znacznie sztywniejszą i lżejszą konstrukcję. Dodatkową zaletą tej konfiguracji jest to, że masa silników napędowych znajduje się w podstawie (zwykle montowanej na suficie), dzięki czemu wszystkie ruchome części robota są pasywnymi, lekkimi elementami konstrukcyjnymi. Niektóre roboty delta mają dodatkowe osie obrotowe zamontowane szeregowo na efektorze końcowym, aby zapewnić ruch w czterech, pięciu lub sześciu osiach.

Przegląd zastosowań robotów delta

Roboty delta są szeroko stosowane w montażu maszynowym elektroniki, a także przy pakowaniu żywności i farmaceutyków. Gdy robot delta pracuje nad jednym lub kilkoma przenośnikami lub ruchomymi platformami montażowymi, elementy są przenoszone lub transportowane do przestrzeni roboczej robota. Następnie system wizyjny identyfikuje dokładne położenia i orientacje części, aby wskazać robotowi, gdzie i jak chwycić lub w inny sposób manipulować częścią.

Ilustracja 4: napędzany serwosilnikiem robot delta porusza się z prędkością 200 cykli na minutę w trzech stopniach swobody (DOF) plus oś obrotowa. Kontroler może sterować osiami tych robotów z czasem reakcji wynoszącym 2 milisekundy, aby synchronizować je z przenośnikami i wykonywać inne zadania. Innym robotem typu delta jest Quattro. Jest on wyposażony w cztery zamiast trzech równoległowodów łączących podstawę z efektorem końcowym, aby zapewnić wysoką sztywność i dokładność pozycjonowania przy dużych prędkościach. (Źródło ilustracji: Omron Automation)

Robot delta potrafi podnieść element, a następnie przenieść go w wymagane miejsce. Następnie może ustawić przedmiot w docelowym miejscu i orientacji. Na przykład robot delta może pobierać komponenty elektroniczne rozmieszczone losowo na taśmie przenośnika i montować je na płytce drukowanej dostarczonej do stanowiska roboczego za pośrednictwem drugiego przenośnika taśmowego.

Wiele robotów typu delta często pracuje jednocześnie wzdłuż linii z dwoma równolegle poruszającymi się w sposób ciągły przenośnikami taśmowymi w celu montażu maszynowego na bieżąco. Scentralizowane systemy sterowania koordynują układy takich instalacji w dużym stopniu polegając na widzeniu maszynowym dostarczającym informacji do procedur sterowania robotami. Wykonanie każdej pojedynczej operacji montażu maszynowego może zająć zaledwie ułamek sekundy.

Dzięki kilku robotom delta pracującym w tym samym czasie możliwy jest bardzo szybki montaż i pakowanie.

Zastosowania robotów delta specyficzne dla produkcji elektroniki

Produkcja elektroniki wykorzystuje roboty delta do transportu i manipulacji płytek drukowanych (PCB) i komponentów, a także montażu płytek drukowanych i urządzeń.

Płytki drukowane mają strukturę warstwową złożoną z nieprzewodzących podłoży i warstw miedzi. Układy obwodów są zwykle drukowane na płytce z wykorzystaniem litografii, po czym reszta warstwy miedzi jest chemicznie wytrawiana. Następnie nakładane są nieprzewodzące maski lutownicze, aby zapobiec powstawaniu mostków lutowniczych między blisko położonymi elementami i miedzianymi ścieżkami. Montaż płytki drukowanej polega na umieszczeniu, a następnie lutowaniu elementów w technologii montażu przelotowego lub powierzchniowego (SMT). W starszych płytkach drukowanych (PCB) wykorzystywano tylko komponenty montowane przelotowo, ale obecnie jest to rzadkość. W przypadku komponentów montowanych przelotowo odprowadzenia są przekładane przez otwory w płytce i lutowane po przeciwnej stronie, aby zapewnić większą wytrzymałość mechaniczną, ale ten dodatkowy proces utrudnia ich montaż. Nic dziwnego, że komponenty montowane powierzchniowo (SMT) dominują teraz w przypadku mniejszych komponentów. Znacznie lepiej nadają się one do wysoce zautomatyzowanej produkcji masowej. Tym niemniej w przypadku większych elementów, takich jak kondensatory, transformatory i złącza, często nadal wymagany jest montaż przelotowy.

Ilustracja 5: płytki elektroniczne jadą na przenośniku przez montażowe gniazdo produkcyjne. (Źródło ilustracji: Getty Images)

W przypadku obu rodzajów mocowania komponentów na płytce drukowanej, system wizyjny uzupełniający robota delta może sprawdzać zmienność i orientację komponentów przed montażem na płytce. Aby uzyskać wysoką przepustowość, zrobotyzowana głowica do montażu maszynowego może być zaprojektowana do przetwarzania kilku komponentów jednocześnie. Robotyczny efektor końcowy może również nakładać pastę lutowniczą, a jeszcze inny może dostarczać ciepło w celu elektrycznego połączenia zainstalowanych komponentów. W przeciwnym razie komponenty można łączyć techniką lutowania na fali, chociaż maszyny do tego są drogie i najlepiej nadają się do produkcji na dużą skalę. Jeszcze bardziej kosztowny jest ręczny montaż na płytkach półprzewodnikowych komponentów, które są zbyt duże dla maszyn wstawiających. Lutowie może również wymagać ręcznego nałożenia w trudno dostępnych miejscach między komponentami.

W tym drugim przypadku roboty delta mogą zastąpić czynności ręczne wykonywane w celu umieszczenia większych komponentów i lutowania między komponentami.

Roboty delta mogą być również znacznie tańsze i znacznie łatwiejsze w konfiguracji niż kartezjańskie urządzenia do montażu maszynowego. W końcu te ostatnie są duże i ciężkie - podobnie jak obrabiarki CNC. Systemy kartezjańskie są trudne do przenoszenia, a po przeniesieniu mogą wymagać kosztownej i czasochłonnej ponownej kalibracji. Natomiast roboty delta są małe i wystarczająco lekkie, aby dość często je przemieszczać. Po ustawieniu w nowej lokalizacji po prostu przeprowadzają nieskomplikowaną procedurę samokalibracji, a następnie wznawiają pracę.

Ilustracja 6: niektóre roboty delta manewrują w pięciu osiach w celu ustawienia różnego rodzaju elementów. Pokazany tutaj robot IRB 365 może sortować, podawać, pobierać, zmieniać orientację i umieszczać produkty o masie 1kg z szybkością 120 pobrań na minutę - spełniając wymagania zakładów produkcyjnych wymagających dużej przepustowości i wydajności. Sterowany przez kompaktowy kontroler robota typu delta o nazwie OmniCore system oferuje wydajne sterowanie ruchem, łączność cyfrową i ponad tysiąc zaprogramowanych funkcji. (Źródło ilustracji: ABB)

Istnieje wiele opcji robotów delta. Firma Codian Robotics specjalizuje się wyłącznie w robotach delta, w przeciwieństwie do większości producentów robotów przemysłowych, którzy produkują głównie roboty z ramionami przegubowymi. Roboty delta tego dostawcy oferują udźwig od 1,5 do 125kg w zastosowaniach od montażu drobnych części elektronicznych po wiele znacznie większych projektów. W ramach współpracy z firmą Mitsubishi Electric, roboty delta firmy Codian wyposażono w kontrolery Mitsubishi.

Roboty delta firmy ABB są produkowane pod marką FlexPicker. Bieżący model to IRB 360, robot typu delta z dwiema pomocniczymi osiami obrotowymi połączonymi szeregowo w efektorze końcowym, co zapewnia ruch w pięciu osiach. Wspomniane roboty zostały zoptymalizowane pod kątem operacji montażu maszynowego.

Firma Fanuc produkuje roboty delta w dwóch seriach. Seria M obejmuje zarówno małe roboty służące do montażu małych części (najczęściej elektroniki), jak i większe roboty. Roboty z serii M są dostępne w konfiguracjach trzy-, cztero- i pięcioosiowych. Roboty z serii DR-3iB to większe czteroosiowe roboty o prędkości ruchu do 5,5m/s i udźwigu do 8kg, przeznaczone do operacji pobierania i pakowania.

Podsumowanie

Roboty delta umożliwiają niedrogą i elastyczną automatyzację produkcji elektroniki. Często zapewniają wyższą prędkość i większą elastyczność niż inne roboty i zautomatyzowane urządzenia do montażu maszynowego.