Optimierung von Prozessen in der Elektronikfertigung mit Deltarobotern

Deltaroboter sind relativ kleine Roboter, die bei der Handhabung von Lebensmitteln für die Verpackung, von Arzneimitteln für die Umhüllung und von Elektronik für die Montage eingesetzt werden. Dank ihrer Präzision und hohen Geschwindigkeit sind die Roboter für diese Anwendungen bestens geeignet. Ihre parallele Kinematik ermöglicht eine schnelle und präzise Bewegung und verleiht ihnen ein spinnenartiges Aussehen, das sich von dem der Gelenkarmroboter deutlich unterscheidet.

Abbildung 1: Der Einsatz eines Knickarmroboters in der Elektronikfertigung mit Lichteffekt. - Archivfoto (Bildquelle: Phuchit - Getty Images)

Deltaroboter werden in der Regel (aber nicht immer) an der Decke montiert, um Montage- und Verpackungslinien von oben zu bedienen. Sie haben ein viel kleineres Arbeitsvolumen als ein Gelenkarm und können nur sehr begrenzt in enge Räume vordringen. Ihre Steifigkeit und Wiederholgenauigkeit sind jedoch von Vorteil bei der hochpräzisen Bearbeitung empfindlicher Werkstücke - einschließlich der Montage von Halbleitern.

Deltaroboter im Kontext

Industrieroboter werden grob in mobile Roboter, serielle Manipulatoren und Parallelmanipulatoren eingeteilt.

Zu den mobilen Robotern gehören autonome Bodenfahrzeuge (AGVs) und automatisierte Gabelstapler, die in erster Linie für den Materialtransport in Fabriken und Lagern programmiert sind.

Roboter, die als serielle Manipulatoren klassifiziert werden, haben eine Kette kinematischer Verbindungen, die eine feste Basis mit einem Endeffektor verbinden; zu diesen Robotern gehören Gelenkarme und kartesische Roboter. Da die Steifigkeit und die Positionsgenauigkeit jedes Gestänges von dem vorhergehenden Gestänge abhängt, sind Serienmanipulatoren umso genauer und steifer, je weiter das Gestänge von der Basis entfernt ist. Es gibt zwar Ausnahmen, aber diese Morphologie beschränkt die Genauigkeit von Sechs-Achsen-Robotern auf wenige Millimeter ... und nach dem schnellen Anfahren einer neuen Position und dem Anhalten schwingen die Endeffektoren solcher Roboter eine Zeit lang, bevor sie vollständig eingependelt sind.

Ein Typ von Serienmanipulatoren, der in vielen der gleichen Anwendungen wie Deltaroboter eingesetzt wird, ist der Roboterarm mit selektiver Nachgiebigkeit oder SCARA-Roboter. Sie sind mechanisch recht einfach, mit zwei Drehgelenken, deren Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind, und einer dritten linearen Achse. Die beiden Drehgelenke ermöglichen die X-Y-Positionierung in einer einzigen Ebene, während die dritte Linearachse die Bewegung in Z-Richtung ermöglicht. Auch wenn ihnen die Präzision von Deltarobotern fehlen kann, sind SCARAs relativ kostengünstig und können Aufgaben recht schnell ausführen - selbst auf engem Raum.

Abbildung 2: Ein Deltaroboter ist eine Art Parallelmanipulator mit drei Parallelogrammen, die alle mit einem einzigen starren Körper am Ende des Effektors verbunden sind. Die Basis eines jeden Parallelogramms wird in einem einzigen Freiheitsgrad relativ zur Basis des Roboters bewegt. Deltaroboter werden in der Regel an der Decke montiert, um an Förderbändern oder Werkstücken von oben zu arbeiten. (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Im Gegensatz zu seriellen Manipulatoren haben Roboter, die als Parallelmanipulatoren klassifiziert sind (einschließlich Deltaroboter), mehrere kinematische Verbindungen zwischen dem Endeffektor und der Basis. Diese Morphologie sorgt für eine viel stärkere, steifere und leichtere Struktur als bei seriellen Robotertypen. Dank ihrer leichten und dennoch steifen Struktur können Deltaroboter schnell beschleunigen und sehr kurze Zykluszeiten erreichen. Ein weiterer Typ von Parallelmanipulatoren ist die Stewart-Plattform oder der Hexapod; diese bieten maximale Steifigkeit, Präzision und Geschwindigkeit - oft zur Korrektur von Vibrationen in Echtzeit bei Anwendungen in der Präzisionsoptik.

Abbildung 3: Hier ist eine Arbeitszelle mit Bildverarbeitung zu sehen, in der Deltaroboter, SCARA-Roboter und mobile Roboter eingesetzt werden. Der Deltaroboter ist aus rostfreiem Stahl und entspricht der Schutzklasse IP-67. (Bildquelle: KUKA)

Typischerweise wird jedes Parallelogramm eines Deltaroboters von einem rotierenden Elektromotor über eine lineare Betätigung angetrieben. (Preisgünstige Deltaroboter aus der Drylin-Serie von Igus verwenden eine weniger verbreitete Konfiguration mit Linearantrieb) Durch die Kopplung der Parallelogramme ist der Endeffektor nur auf eine translatorische Bewegung beschränkt. Dadurch werden die gleichen Bewegungsgrade wie bei einer dreiachsigen kartesischen Maschine erreicht, allerdings mit einer viel steiferen und leichteren Struktur. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sich die Masse der Antriebsmotoren in der (in der Regel an der Decke montierten) Basis befindet, so dass alle beweglichen Teile des Roboters passive, leichte Strukturelemente sind. Einige Deltaroboter haben zusätzliche Drehachsen, die in Reihe am Endeffektor montiert sind, um vier-, fünf- oder sechsachsige Bewegungen zu ermöglichen.

Übersicht über Anwendungen von Deltarobotern

Deltaroboter werden häufig für Bestückungsanwendungen in der Elektronikmontage sowie in der Lebensmittel- und Pharmaverpackung eingesetzt. Wenn ein Deltaroboter über einem oder mehreren Förderbändern oder mobilen Montageplattformen arbeitet, werden Gegenstände in das Arbeitsvolumen des Roboters befördert oder auf andere Weise transportiert. Dann identifiziert ein Bildverarbeitungssystem die genauen Positionen und Ausrichtungen der Teile, um den Roboter anzuleiten, wo und wie er das Teil greifen oder anderweitig bearbeiten soll.

Abbildung 4: Dieser servomotorisch angetriebene Deltaroboter bewegt sich mit 200 Zyklen pro Minute in drei Freiheitsgraden (DOFs) plus einer Drehachse. Ein Controller kann die Achsen dieser Roboter mit einer Reaktionszeit von 2 Millisekunden steuern, um sie mit Förderanlagen und anderen Aufgaben zu synchronisieren. Ein weiterer Deltaroboter ist der Quattro, der über vier statt drei Parallelogramme verfügt, die die Basis mit dem Endeffektor verbinden, um eine hohe Steifigkeit und Positioniergenauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten zu erreichen. (Bildquelle: Omron Automation)

So kann der Deltaroboter einen Gegenstand aufnehmen und ihn dann an den gewünschten Ort bringen. Als Nächstes könnte er den Gegenstand am Zielort und in der Zielrichtung ablegen. Ein Deltaroboter kann zum Beispiel elektronische Bauteile in zufälliger Anordnung auf einem Förderband aufnehmen und sie auf einer Leiterplatte montieren, die der Arbeitszelle über ein zweites Förderband zugeführt wird.

Mehrere Deltaroboter arbeiten oft gleichzeitig entlang einer Linie mit zwei parallelen, sich kontinuierlich bewegenden Förderbändern für die gleichzeitige Entnahme und Bestückung. Zentralisierte Steuerungssysteme koordinieren die Systeme solcher Anlagen, wobei die Robotersteuerungsroutinen in hohem Maße von der maschinellen Bildverarbeitung abhängen. Jeder einzelne Bestückungsvorgang kann nur den Bruchteil einer Sekunde in Anspruch nehmen.

Mit mehreren Deltarobotern, die gleichzeitig arbeiten, ist eine sehr schnelle Montage und Verpackung möglich.

Verwendungen von Deltarobotern speziell für die Elektronikfertigung

In der Elektronikfertigung werden Deltaroboter für den Transport und die Handhabung von Platinen und Komponenten, die Platinenbestückung und die Gerätemontage eingesetzt.

Platinen sind mit nichtleitenden Substraten und Kupferschichten beschichtet. Die Schaltungslayouts werden in der Regel lithografisch auf die Platine gedruckt; anschließend wird der Rest der Kupferschicht chemisch weggeätzt. Anschließend werden nichtleitende Lötmasken aufgebracht, um Lotbrücken zwischen eng positionierten Bauteilen und Kupferbahnen zu verhindern. Bei der Platinenbestückung werden die Bauteile per Durchkontaktierung oder Oberflächenmontage (SMT) platziert und anschließend verlötet. Bei älteren Leiterplatten wurden ausschließlich Bauteile für die Durchkontaktierung verwendet, was heute jedoch nicht mehr üblich ist. Bei durchkontaktierten Bauteilen werden die Leitungen durch Löcher in der Platine geführt und auf der gegenüberliegenden Seite verlötet, um eine höhere mechanische Festigkeit zu erreichen, aber dieser zusätzliche Prozess erschwert die Montage. Kein Wunder, dass SMT-Bauteile heute bei kleineren Bauteilen dominieren; sie eignen sich viel besser für die hochautomatisierte Serienfertigung. Dennoch ist bei größeren Bauteilen wie Kondensatoren, Transformatoren und Steckverbindern oft noch eine Durchkontaktierung erforderlich.

Abbildung 5: Elektronikboards laufen auf einem Förderband durch eine Montagearbeitszelle. (Bildquelle: Getty Images)

Bei beiden Arten der Befestigung von Komponenten kann die maschinelle Bildverarbeitung in Verbindung mit einem Deltaroboter die Variation und Ausrichtung der Komponenten vor dem Einbau in die Leiterplatte überprüfen. Für einen hohen Durchsatz kann der Bestückungskopf so ausgelegt sein, dass er mehrere Bauteile gleichzeitig verarbeiten kann. Ein Roboter-Endeffektor kann auch Lötpaste auftragen, und ein weiterer kann Hitze zuführen, um die installierten Komponenten elektrisch zu verbinden. Andernfalls können die Bauteile mit einer Wellenlöttechnik angebracht werden, wobei die entsprechenden Maschinen teuer sind und sich am besten für die Herstellung von Großserien eignen. Noch kostspieliger ist die Tatsache, dass Bauteile, die zu groß für Bestückungsautomaten sind, oft manuell auf Halbleiterplatten montiert werden. Auch an schwer zugänglichen Stellen zwischen den Bauteilen muss das Lot unter Umständen manuell aufgebracht werden.

Bei letzteren können Deltaroboter manuelle Vorgänge ersetzen, um größere Bauteile zu platzieren und zwischen den Bauteilen zu löten.

Deltaroboter können auch weitaus kostengünstiger und einfacher zu konfigurieren sein als kartesische Bestückungsautomaten. Letztere sind nämlich groß und schwer - ähnlich wie CNC-Werkzeugmaschinen. Kartesische Systeme lassen sich nur schwer verschieben und erfordern nach der Verschiebung eine kostspielige und zeitaufwändige Neukalibrierung. Im Gegensatz dazu sind Deltaroboter klein und leicht genug, um relativ häufig den Standort zu wechseln. Nach der Einrichtung am neuen Standort führen sie lediglich eine einfache Selbstkalibrierung durch und nehmen dann den Betrieb wieder auf.

Abbildung 6: Einige Deltaroboter manövrieren durch fünf Achsen, um Objekte aller Art zu orientieren. Der hier gezeigte IRB 365 kann pro Minute 120 Objekte mit einem Gewicht von jeweils 1 kg sortieren, zuführen, kommissionieren, neu ausrichten und platzieren und erfüllt damit die Anforderungen von Produktionsstätten, die einen hohen Durchsatz und eine hohe Effizienz benötigen. Das System wird von einem kompakten Deltaroboter-Controller namens OmniCore gesteuert und bietet eine leistungsfähige Bewegungssteuerung, digitale Anschlussmöglichkeiten und mehr als tausend programmierte Funktionen. (Bildquelle: ABB)

Optionen für Deltaroboter gibt es viele. Codian Robotics ist ausschließlich auf Deltaroboter spezialisiert, im Gegensatz zu den meisten Industrieroboterherstellern, die hauptsächlich Gelenkarmroboter herstellen. Die Deltaroboter dieses Anbieters bieten Traglasten von 1,5 bis 125 kg, um die Montage von winzigen elektronischen Bauteilen bis hin zu vielen weitaus größeren Konstruktionen durchzuführen. Eine Partnerschaft mit Mitsubishi Electric verbindet Codian-Deltaroboter mit Mitsubishi-Steuerungen.

Die Deltaroboter von ABB werden unter der Marke FlexPicker hergestellt. Das aktuelle Modell ist der IRB 360, ein Deltaroboter mit zwei in Reihe geschalteten Hilfsdrehachsen am Endeffektor für eine fünfachsige Bewegung. Diese Roboter sind für Bestückungsvorgänge optimiert.

Fanuc stellt Deltaroboter in zwei Baureihen her. Die M-Serie umfasst kleine Roboter, die für die Montage von Kleinteilen (meist Elektronik) verwendet werden, sowie größere Roboter. Die Roboter der M-Serie sind in drei-, vier- und fünfachsigen Konfigurationen erhältlich. Bei den Robotern der Serie DR-3iB handelt es sich um größere vierachsige Roboter, die für Kommissionier- und Verpackungsvorgänge mit Bewegungsgeschwindigkeiten von bis zu 5,5 m/s und Traglasten von bis zu 8 kg konzipiert sind.

Fazit

Deltaroboter bieten eine kostengünstige und flexible Automatisierung für die Elektronikfertigung. Sie bieten oft eine höhere Geschwindigkeit und mehr Flexibilität als andere Roboter und automatische Bestückungsautomaten.