Les robots delta optimisent et rationalisent les processus de fabrication électronique

Les robots delta sont des robots relativement petits, utilisés pour manipuler des produits alimentaires en vue de leur emballage, des produits pharmaceutiques en vue de leur conditionnement et des produits électroniques en vue de leur assemblage. Grâce à leur haute précision et leur haute vitesse, les robots sont parfaitement adaptés à ces applications. Leur cinématique parallèle permet le mouvement rapide et précis tout en leur conférant un aspect arachnéen qui se distingue nettement de celui des robots à bras articulé.

Figure 1 : Utilisation d'un bras robotique dans la chaîne de production électronique avec effet de lumière. - Photo d'archives (Source de l'image : Phuchit • Getty Images)

Les robots delta sont généralement (mais pas toujours) montés au plafond pour contrôler les lignes d'assemblage et de conditionnement mobiles par le haut. Ils ont un volume de fonctionnement beaucoup plus réduit qu'un bras articulé et une capacité très limitée d'accès aux espaces confinés. Leur rigidité et leur répétabilité sont toutefois des atouts pour le traitement de haute précision de pièces délicates, y compris les semi-conducteurs en cours d'assemblage.

Les robots delta en contexte

Les robots industriels sont classés en trois grandes catégories : robots mobiles, manipulateurs sériels et manipulateurs parallèles.

Les robots mobiles incluent les véhicules terrestres autonomes (AGV) et les chariots élévateurs automatisés qui sont principalement programmés pour déplacer des matériaux dans les usines et les entrepôts.

Les robots classés comme manipulateurs sériels présentent une chaîne de liaisons cinématiques reliant une base fixe à un effecteur terminal ; cette robotique inclut les bras articulés et les robots cartésiens. Étant donné que la rigidité et la précision de position de chaque liaison dépendent de la liaison précédente, les manipulateurs sériels sont de moins en moins précis et rigides à mesure que la liaison est éloignée de la base. Bien qu'il y ait des exceptions, cette morphologie tend à limiter la précision des robots à six axes à quelques millimètres… et après un déplacement rapide vers une nouvelle position et un arrêt, les effecteurs terminaux de ces robots oscillent pendant un certain temps avant de se stabiliser.

Un type de manipulateur sériel utilisé dans bon nombre des mêmes applications que les robots delta est le bras robotique articulé à flexibilité sélective ou robot SCARA. Ils sont mécaniquement assez simples avec deux articulations rotoïdes alignées de manière à ce que leurs axes soient parallèles, et un troisième axe linéaire. Les deux articulations rotoïdes fournissent le positionnement X-Y dans un seul plan tandis que le troisième axe linéaire fournit le mouvement dans la direction Z. Bien qu'ils puissent manquer de la précision des robots delta, les robots SCARA sont relativement peu coûteux et peuvent exécuter des tâches assez rapidement, même dans des espaces confinés.

Figure 2 : Un robot delta est un type de manipulateur parallèle avec trois parallélogrammes tous reliés à un seul corps rigide à l'extrémité de l'effecteur terminal. La base de chaque parallélogramme est actionnée selon un seul degré de liberté par rapport à la base du robot. Les robots delta sont généralement montés au plafond pour contrôler les convoyeurs ou les pièces par le haut. (Source de l'image : Wikimedia Commons)

Contrairement aux manipulateurs sériels, les robots classés comme manipulateurs parallèles (y compris les robots delta) ont de multiples chaînes cinématiques reliant l'effecteur terminal à la base. Une telle morphologie donne une structure beaucoup plus solide, plus rigide et plus légère que celle des types de robots sériels. Leur structure légère mais rigide permet aux robots delta d'accélérer rapidement pour atteindre des temps de cycle très courts. Un autre type de manipulateurs parallèles est la plateforme de Stewart ou hexapode ; ils offrent une rigidité, une précision et une vitesse maximales, souvent pour corriger les vibrations en temps réel dans les applications d'optique de précision.

Figure 3 : Cellule de travail avec capacité de vision utilisant des robots delta, des robots SCARA et des robots mobiles. Le robot delta est en acier inoxydable et répertorié IP-67. (Source de l'image : KUKA)

Typiquement, chaque parallélogramme sur un robot delta est actionné par un moteur électrique rotatif via un actionnement linéaire. (Les robots delta à bas prix de la série Drylin d'Igus utilise une configuration d'entraînement linéaire moins courante.) Le couplage des parallélogrammes contraint l'effecteur terminal aux seuls mouvements de translation. Cela donne les mêmes degrés de mouvement qu'une machine cartésienne à trois axes mais avec une structure beaucoup plus rigide et plus légère. Un avantage supplémentaire de cette configuration est que la masse des moteurs d'entraînement est située dans la base (généralement montée au plafond), de sorte que toutes les pièces mobiles du robot sont des éléments structurels légers passifs. Certains robots delta ont des axes rotatifs supplémentaires montés en série sur l'effecteur terminal pour fournir un mouvement à quatre, cinq ou six axes.

Vue d'ensemble des applications de robots delta

Les robots delta sont largement utilisés dans les applications d'assemblage automatisé pour l'assemblage électronique ainsi que pour le conditionnement alimentaire et pharmaceutique. Lorsqu'un robot delta fonctionne sur un ou plusieurs convoyeurs ou plateformes d'assemblage mobiles, les articles sont acheminés dans la zone de travail du robot. Ensuite, un système de vision identifie les emplacements et orientations exacts des pièces pour guider le robot sur la manière de localiser et de saisir la pièce, ou de l'actionner.

Figure 4 : Ce robot delta entraîné par un servomoteur se déplace à 200 cycles par minute sur trois degrés de liberté (DOF) plus un axe de rotation. Un contrôleur peut commander les axes de ces robots avec un temps de réponse de 2 ms pour se synchroniser avec les convoyeurs et d'autres tâches. Le Quattro est un autre robot delta ; il a quatre parallélogrammes au lieu de trois reliant la base à l'effecteur terminal afin de garantir une rigidité et une précision de positionnement élevées à haute vitesse. (Source de l'image : Omron Automation)

Ainsi, le robot delta peut prélever un objet, puis le déplacer vers l'emplacement requis. Ensuite, il peut placer l'article à l'emplacement et dans l'orientation cibles. Par exemple, un robot delta peut prélever des composants électroniques orientés de manière aléatoire sur un tapis roulant et les assembler sur un circuit imprimé présenté à la cellule de travail via un deuxième tapis roulant.

Plusieurs robots delta travaillent souvent simultanément le long d'une chaîne avec deux convoyeurs parallèles en mouvement continu pour un prélèvement et un placement à la volée. Les systèmes de contrôle centralisés coordonnent les systèmes de ces installations, en s'appuyant largement sur la vision artificielle pour informer les routines de contrôle des robots. Chaque opération individuelle de prélèvement et de placement ne peut prendre qu'une fraction de seconde.

Avec plusieurs robots delta fonctionnant en même temps, un assemblage et un conditionnement très rapides sont possibles.

Utilisation de robots delta à des fins spécifiques de fabrication électronique

La fabrication électronique s'appuie sur des robots delta pour le transport et la manipulation des circuits imprimés et des composants, l'assemblage des circuits imprimés et l'assemblage des dispositifs.

Les circuits imprimés sont recouverts de substrats non conducteurs et de couches de cuivre. Les motifs des circuits sont généralement imprimés sur la carte par lithographie ; puis le reste de la couche de cuivre est gravé chimiquement. Des masques de soudure non conducteurs sont ensuite appliqués pour empêcher les ponts de soudure entre les composants étroitement placés et les pistes de cuivre. L'assemblage des circuits imprimés implique de placer puis de souder des composants à montage traversant ou à montage en surface (CMS). Les circuits imprimés plus anciens n'utilisaient que des composants traversants, mais cette pratique est désormais peu courante. Les composants traversants sont dotés de sorties à insérer dans des orifices sur la carte et sont soudés sur le côté opposé pour une plus grande résistance mécanique, mais ce processus supplémentaire complique l'assemblage. Il n'est donc pas étonnant que les composants CMS dominent désormais pour les composants plus petits ; ils sont beaucoup mieux adaptés à la fabrication en volume hautement automatisée. Le montage traversant est toutefois souvent encore nécessaire pour les composants plus grands tels que les condensateurs, les transformateurs et les connecteurs.

Figure 5 : Cartes électroniques circulant sur un convoyeur traversant une cellule d'assemblage. (Source de l'image : Getty Images)

Pour les deux types de montage de composants sur circuits imprimés, la vision artificielle en complément d'un robot delta peut vérifier la variation et l'orientation des composants avant leur installation sur la carte. Pour un rendement élevé, la tête d'assemblage automatisé robotique peut être conçue pour traiter plusieurs composants à la fois. Un effecteur terminal robotique peut également appliquer de la pâte à braser, et un autre encore peut appliquer de la chaleur pour connecter électriquement les composants installés. Sinon, les composants peuvent être fixés par une technique de soudure à la vague… bien que les machines utilisées à cet effet soient chères et mieux adaptées à la fabrication à très haut volume. Les composants trop volumineux pour les machines d'insertion sont souvent assemblés manuellement sur les cartes à semi-conducteurs, ce qui est encore plus coûteux. Il peut également être nécessaire d'appliquer manuellement la soudure dans les endroits difficilement accessibles entre les composants.

Dans ce dernier cas, les robots delta peuvent remplacer les opérations manuelles pour placer des composants plus grands et souder entre les composants.

Les robots delta peuvent également être beaucoup moins coûteux et beaucoup plus faciles à configurer que les machines d'assemblage automatisé de type cartésien. En effet, ces derniers sont volumineux et lourds, comme les machines-outils à commande numérique. Les systèmes cartésiens sont difficiles à déplacer, et après avoir été déplacés, ils peuvent nécessiter un réétalonnage long et coûteux. En revanche, les robots delta sont suffisamment petits et légers pour être déplacés assez fréquemment. Après l'installation dans le nouvel emplacement, ils exécutent simplement une routine d'auto-étalonnage simple, puis reprennent le fonctionnement.

Figure 6 : Certains robots delta manœuvrent sur cinq axes pour orienter des objets de tous types. L'IRB 365 présenté ici peut trier, charger, prélever, réorienter et placer des produits de 1 kg à 120 prélèvements par minute, répondant ainsi aux exigences des installations de production exigeant un haut rendement. Commandé par un contrôleur de robot delta compact appelé OmniCore, le système offre un contrôle de mouvement performant, une connectivité numérique et plus d'un millier de fonctions programmées. (Source de l'image : ABB)

Les options de robot delta abondent. Codian Robotics se spécialise exclusivement dans les robots delta, contrairement à la plupart des fabricants de robots industriels qui produisent principalement des robots à bras articulés. Les robots delta de ce fournisseur offrent des charges utiles de 1,5 kg à 125 kg, leur permettant d'assembler aussi bien de minuscules pièces électroniques que de nombreuses conceptions beaucoup plus grandes. Un partenariat avec Mitsubishi Electric permet d'associer des robots delta de Codian à des contrôleurs de Mitsubishi.

Les robots delta d'ABB sont produits sous la marque FlexPicker. Le modèle actuel est l'IRB 360, un robot delta avec deux axes rotatifs auxiliaires en série sur l'effecteur terminal pour un mouvement à cinq axes. Ces robots sont optimisés pour les opérations d'assemblage automatisé.

Fanuc produit des robots delta en deux gammes. La série M inclut de petits robots utilisés pour l'assemblage de petits composants (le plus souvent électroniques) ainsi que des robots plus grands. Les robots de la série M sont disponibles en configurations à trois, quatre et cinq axes. Les robots de la série DR-3iB sont des robots à quatre axes plus grands conçus pour les opérations de prélèvement et de conditionnement, avec des vitesses de mouvement jusqu'à 5,5 m/s et des charges utiles jusqu'à 8 kg.

Conclusion

Les robots delta permettent une automatisation abordable et flexible pour la fabrication électronique. Ils offrent souvent une vitesse plus élevée et une plus grande flexibilité que d'autres robots et machines d'assemblage automatisé.