Hur Delta Robotics optimerar och effektiviserar processer för elektroniktillverkning

Delta-robotar är relativt små robotar som används för att hantera livsmedel för förpackning, läkemedel för inkapsling och elektronik för montering. Robotarnas precision och höga hastighet gör dem perfekta för dessa tillämpningar. Deras parallella kinematik möjliggör denna snabba och exakta rörelse samtidigt som den ger dem ett spindelliknande utseende som skiljer sig från robotar med ledade armar.

Figur 1: Användning av den länkade robotarmen i en elektronikproduktionslinje med belysningseffekt. - arkivbild (Bildkälla: Phuchit - Getty Images)

Deltarobotar är vanligtvis (men inte alltid) takmonterade för att kunna flytta monterings- och förpackningslinjer uppifrån. De har en mycket mindre arbetsvolym än en ledad arm och mycket begränsade möjligheter att komma in i trånga utrymmen. Deras styvhet och repeterbarhet är dock en fördel vid högprecisionsbearbetning av ömtåliga arbetsstycken - inklusive halvledare som monteras.

Delta-robotar i ett sammanhang

Industrirobotar kan delas in i mobila robotar, seriella manipulatorer och parallella manipulatorer.

Mobila robotar omfattar autonoma markfordon (AGV) och automatiserade gaffeltruckar som i första hand är programmerade för att flytta material i fabriker och lager.

Robotar som klassificeras som seriella manipulatorer har en kedja av kinematiska länkningar som förbinder en fast basenhet med en ändverktyg; detta inkluderar robotar med ledade armar och kartesiska robotar. Eftersom styvheten och lägesnoggrannhet i respektive länkning är beroende av den föregående länkningen, är seriella manipulatorer allt mindre noggranna och styva ju längre bort länken befinner sig från basenheten. Även om det finns undantag tenderar denna uppbyggnad att begränsa noggrannheten hos robotar med sex axlar till några få millimeter ... och efter att snabbt ha förflyttat sig till en ny position och stannat, kommer robotarnas ändverktyg att vibrera en kort stund innan de stabiliseras.

En typ av seriell manipulator som används i många av de tillämpningar som delta-robotar används i, är den selektivt följsamma ledade robotarmen, eller (SCARA-roboten). De är mekaniskt sett ganska enkla med två gångjärnsleder som är parallella med varandra och en tredje linjär axel. De två gångjärnslederna ger X-Y-positionering i ett plan medan den tredje linjära axeln ger rörelse i Z-riktningen. Även om de inte har samma precision som Delta-robotar är SCARA-robotar relativt billiga och kan utföra uppgifter ganska snabbt - även i trånga utrymmen.

Figur 2: En delta-robot är en typ av parallell manipulator med tre parallellogram som alla är anslutna till en enda styv bas i ändverktygets ände. Basen för respektive parallellogram aktiveras i en enda frihetsgrad i förhållande till robotens bas. Delta-robotar är vanligtvis takmonterade för att hantera transportband eller arbetsstycken ovanifrån. (Bildkälla: Wikimedia Commons)

I motsats till seriella manipulatorer har robotar som klassificeras som parallella manipulatorer (inklusive delta-robotar) flera kinematiska kopplingar som förbinder ändverktyget med basen. En sådan uppbyggnad ger en mycket starkare, styvare och lättare struktur än seriella robottyper. Delta-robotarnas lätta men ändå styva struktur medför att Delta-robotar snabbt kan accelerera för att leverera mycket korta cykeltider. En annan typ av parallell manipulator är Stewart-plattformen eller hexapoden, som ger maximal styvhet, precision och snabbhet - ofta för att korrigera vibrationer i realtid i tillämpningar för precisionsoptik.

Figur 3: Här visas en bildfylld arbetscell med Delta-robotar, SCARA-robotar och mobila robotar. Delta-roboten är tillverkad i rostfritt stål och har IP-67-klassificering. (Bildkälla: KUKA)

Typiskt sett aktiveras respektive parallellogram på en Delta-robot av en roterande elmotor via linjär aktivering. (Delta-robotar med lågt pris i Drylin-serien från Igus Drylin använder en mer ovanlig linjär drivningskonfiguration.) Kopplingen av parallellogrammen begränsar ändverktyget till enbart translationell rörelse. Det ger samma frihetsgrad som en kartesisk maskin med tre axlar, men med en mycket styvare och lättare struktur. Ytterligare en fördel med den här konfigurationen är att drivmotorernas massa är placerad i basen (vanligtvis takmonterad), så att robotens samtliga rörliga delar är passiva, lätta konstruktionsdelar. Vissa Delta-robotar har ytterligare roterande axlar monterade i serie vid ändverktyget för att ge rörelse i fyra, fem eller sex axlar.

Översikt över tillämpningar för Delta-robotar

Delta-robotar används ofta i plock- och placeringstillämpningar vid elektronikmontering samt för livsmedels- och läkemedelsförpackningar. När en Delta-robot arbetar över ett eller flera transportband eller mobila monteringsplattformar transporteras föremålen in i robotens arbetsvolym. Sedan identifierar ett bildsystem delarnas exakta placering och riktning för att vägleda roboten om var och hur den ska gripa tag i eller på annat sätt arbeta med delen.

Figur 4: Den här servomotordrivna Delta-roboten rör sig med 200 cykler per minut i tre frihetsgrader plus en rotationsaxel. En styrenhet kan styra robotarnas axlar med en svarstid på 2 ms för att synkronisera med transportörer och andra uppgifter. En annan Delta-robot är Quattro, som har fyra i stället för tre parallellogram som förbinder basen med ändverktyget för att ge hög styvhet och positioneringsnoggrannhet i höga hastigheter. (Bildkälla: Omron Automation)

Delta-roboten kan alltså plocka upp ett föremål och sedan flytta det till den plats där det behövs. Därefter kan den ställa ner föremålet på målplatsen i den avsedda riktningen. En Delta-robot kan exempelvis plocka upp elektroniska komponenter som är slumpmässigt placerade på ett transportband och montera dessa på ett kretskort som presenteras för arbetscellen via ett andra transportband.

Flera Delta-robotar arbetar ofta samtidigt längs en linje med två parallella ständigt rörliga transportband för att plocka och placera i farten. Centraliserade styrsystem samordnar systemen i sådana installationer - med stor tillit till maskinseende för att informera robotens styrningsrutiner. Varje enskild plock- och placeringsoperation kan ta bara en bråkdel av en sekund att genomföra.

Med flera Delta-robotar som arbetar samtidigt kan man åstadkomma mycket snabb montering och paketering.

Delta-robotar används specifikt inom elektroniktillverkning

Elektroniktillverkning är beroende av Delta-robotar för transport och hantering av kretskort och komponenter, kretskortmontering och montering av enheter.

Mönsterkorten har flera lager av icke-ledande substrat och kopparlager. Kretsklayouter skrivs vanligtvis ut på mönsterkortet med litografi, varefter resten av kopparskiktet etsas bort kemiskt. Icke-ledande lödmasker appliceras sedan för att förhindra lödbryggor mellan tätt placerade komponenter och kopparbanor. Vid montering av kretskort placeras och löds sedan komponenter med genomgående hål eller ytmontering. Äldre kretskort använde endast komponenter med genomgående hål, men detta är numera ovanligt. Komponenter med genomgående hål har ledare som förs ner genom hålen i kretskortet och löds på motsatt sida för att öka den mekaniska hållfastheten, men denna extra process gör dem svårare att montera. Det är inte konstigt att ytmonterade komponenter nu är dominerande för mindre komponenter; de är mycket bättre lämpade för högautomatiserad volymtillverkning. Det innebär att det ofta krävs viss montering med genomgående hål för större komponenter som kondensatorer, transformatorer och kontaktdon.

Figur 5: Kretskort som åker på ett transportband genom en arbetscell för montering. (Bildkälla: Getty Images)

För båda typerna av montering av kretskortskomponenter kan maskinseende som kompletterar en Delta-robot kontrollera komponenternas variation och riktning innan de monteras på kretskortet. För hög genomströmning kan robotens plock- och placeringshuvud vara konstruerat för att bearbeta flera komponenter samtidigt. En robots ändverktyg kan även applicera lödpasta och en annan kan applicera värme för att ansluta de installerade komponenterna elektriskt. Annars kan komponenterna fästas med hjälp av våglödningsteknik ... men maskiner för detta är dyra och lämpar sig bäst för tillverkning i mycket stora volymer. Ännu dyrare är det att komponenter som är för stora för placeringsmaskiner ofta monteras manuellt på kretskort med halvledare. Lödning kan även behöva appliceras manuellt på svåråtkomliga ställen mellan komponenter.

I det senare fallet kan Delta-robotar ersätta manuella åtgärder för att placera större komponenter och lödning mellan komponenter.

Delta-robotar kan även vara mycket billigare och enklare att konfigurera än plock- och placeringsmaskiner av kartesisk typ. De senare är trots allt stora och tunga - i likhet med CNC-maskiner. Kartesiska system är svåra att flytta, och efter att de flyttats kan det krävas en kostsam och tidskrävande omkalibrering. I motsats till det, är Delta-robotar små och lätta nog att flyttas ganska ofta. När de har installerats på den nya platsen kör de bara en enkel självkalibreringsrutin och återupptar sedan driften.

Figur 6: Vissa Delta-robotar manövrerar i fem axlar för att placera olika typer av föremål i rätt riktning. IRB 365 som visas här kan sortera, mata, plocka, rikta om och placera produkter på 1 kg med 120 plockningar per minut - vilket uppfyller kraven för produktionsanläggningar som behöver hög genomströmning och effektivitet. Systemet styrs av en kompakt styrenhet för Delta-robotar som kallas OmniCore och erbjuder effektiv rörelsekontroll, digitala anslutningsmöjligheter och mer än tusen programmerade funktioner. (Bildkälla: ABB)

Det finns många varianter av Delta-robotar. Codian Robotics specialiserar sig enbart på Delta-robotar, till skillnad från de flesta tillverkare av industrirobotar som främst tillverkar robotar med ledade armar. Leverantörens Delta-robotar har en nyttolast på 1,5 till 125 kg för att kunna montera små elektroniska delar i konstruktioner som är mycket större. Ett partnerskap med Mitsubishi Electric kombinerar Delta-robotar från Codian med styrenheter från Mitsubishi.

ABB:s Delta-robotar tillverkas under varumärket FlexPicker. Den nuvarande modellen är IRB 360, en Delta-robot med två extra roterande axlar i serie vid ändverktyget för rörelse i fem axlar. Dessa robotar är optimerade för plockning och placering.

Fanuc tillverkar Delta-robotar i två olika serier. M-serien omfattar både små robotar som används för montering av smådelar (oftast elektronik) och större robotar. Robotarna i M-serien finns i konfigurationer med tre, fyra och fem axlar. Robotarna i DR-3iB-serien är större robotar med fyra axlar som är utformade för plockning och packning, med rörelsehastigheter på upp till 5,5 m/sek. och nyttolaster på upp till 8 kg.

Sammanfattning

Delta-robotar erbjuder prisvärd och flexibel automation för elektroniktillverkning. De har ofta högre hastighet och större flexibilitet än andra robotar och automatiserade plock- och placeringsmaskiner.