Jak delta robotika optimalizuje a zefektivňuje výrobní procesy elektroniky

Delta roboti jsou relativně malé stroje používané k balení potravin, umisťování léčiv do obalů a montáži elektroniky. Díky přesnosti a vysoké rychlosti jsou tito roboti pro takové aplikace ideální. Tento rychlý a přesný pohyb umožňuje paralelní kinematika, která jim zároveň dává vzhled pavouků, tedy zcela odlišný od robotů s kloubovým ramenem.

Obrázek 1: použití robotického spojovacího ramene ve výrobní lince elektroniky se světelným efektem. - stock photo (Zdroj obrázku: Phuchit • Getty Images)

Delta roboti jsou obvykle (i když ne vždy) namontovány na stropě, aby mohli obsluhovat pohyblivé montážní a balicí linky shora. Mají mnohem menší pracovní objem než kloubová ramena a velmi omezenou možnost přístupu do stísněných prostorů. To znamená, že jejich tuhost a opakovatelnost jsou předností při vysoce přesném zpracování jemných obrobků včetně montovaných polovodičů.

Delta roboti v kontextu

Průmysloví roboti jsou široce kategorizovány jako mobilní roboti, sériové manipulátory nebo paralelní manipulátory.

Mobilní roboti zahrnují autonomní pozemní vozidla (AGV) a automatizované vysokozdvižné vozíky, které jsou primárně naprogramovány k přesunu materiálů po továrnách a skladech.

Roboti klasifikovaní jako sériové manipulátory jsou vybaveni řetězcem kinematických článků spojujících pevnou základnu s koncovým efektorem. Tato robotika zahrnuje kloubová ramena a karteziánské roboty. Vzhledem k tomu, že tuhost a polohová přesnost každého článku závisí na předchozím článku, sériové manipulátory jsou tím přesnější a tužší, čím dále se článek nachází od základny. Ačkoli existují výjimky, tato morfologie má tendenci omezovat přesnost šestiosých robotů na několik milimetrů… a po rychlém přesunu do nové polohy a zastavení budou koncové efektory takových robotů před ustálením nějakou dobu oscilovat.

Jedním typem sériového manipulátoru, který se používá v mnoha stejných aplikacích jako delta roboti, je selektivně ovládané kloubové robotické rameno neboli SCARA robot. Tito roboti jsou mechanicky poměrně jednoduché, mají dva otočné klouby vyrovnané tak, aby jejich osy byly vzájemně rovnoběžné, a třetí lineární osu. Dva otočné klouby zajišťují polohování v osách X-Y v jedné rovině, zatímco třetí lineární osa zajišťuje pohyb ve směru osy Z. Ačkoli SCARA roboti mohou postrádat přesnost delta robotů, jsou relativně levné a mohou provádět úkoly poměrně rychle, dokonce i ve stísněných prostorech.

Obrázek 2: delta robot je typem paralelního manipulátoru se třemi rovnoběžníky, které jsou na konci koncového efektoru všechny připojeny k jedinému tuhému tělesu. Základna každého rovnoběžníku je ovládána v jediném stupni volnosti vzhledem k základně robota. Delta roboti jsou obvykle namontovány na stropě, aby mohli obsluhovat dopravníky či obrobky shora. (Zdroj obrázku: Wikimedia Commons)

Na rozdíl od sériových manipulátorů mají roboti klasifikovaní jako paralelní manipulátory (včetně delta robotů) mají více kinematických článků spojujících koncový efektor se základnou. Taková morfologie umožňuje mnohem pevnější, tužší a lehčí konstrukci než roboti sériových typů. Lehká a zároveň tuhá konstrukce umožňuje delta robotům rychle akcelerovat a poskytovat tak velmi krátké doby cyklu. Dalším typem paralelního manipulátoru je Stewartova platforma neboli hexapod; tyto manipulátory poskytují maximální tuhost, přesnost a rychlost, často pro korekci vibrací v reálném čase v aplikacích přesné optiky.

Obrázek 3: Zde je znázorněna pracovní buňka s viděním využívající delta, SCARA a mobilní roboty. Delta robot je vyroben z nerezové oceli a má krytí IP-67. (Zdroj obrázku: KUKA )

Každý rovnoběžník na delta robotovi je typicky ovládán rotačním elektromotorem prostřednictvím lineárního vybavování. (Nízkonákladoví delta roboti řady Igus Drylin používají méně běžnou konfiguraci lineárního pohonu). Spojení rovnoběžníků omezuje koncový efektor pouze na translační pohyb. Takové řešení poskytuje stejné stupně pohybu jako tříosý kartézský stroj, avšak s mnohem tužší a lehčí konstrukcí. Další výhodou této konfigurace je skutečnost, že hmotnost hnacích motorů je umístěna v základně (typicky namontované na stropě), takže všechny pohyblivé části robota jsou pasivní lehké konstrukční prvky. Někteří delta roboti používají další rotační osy namontované v sérii na koncovém efektoru, aby zajišťovaly pohyb ve čtyřech, pěti nebo šesti osách.

Přehled aplikací delta robotů

Delta roboti se široce používají aplikacích typu pick-and-place pro montáž elektroniky a balení potravin a léčiv. Pokud delta robot pracuje na jednom nebo více dopravnících nebo mobilních montážních platformách, položky jsou dopravovány nebo jinak přepravovány do pracovního prostoru robota. Systém počítačového vidění pak identifikuje přesné umístění a orientaci dílů, aby navedl robota na místo a způsob uchopení nebo jinou manipulaci s dílem.

Obrázek 4: Tento delta robot řízený servomotorem vykonává pohyb rychlostí 200 cyklů za minutu ve třech stupních volnosti (DOF) v a ose rotace. Řídicí jednotka může ovládat osy těchto robotů s dobou odezvy 2 ms pro synchronizaci s dopravníky a dalšími úkoly. Quattro je vlastně dalším delta robotem. Používá čtyři rovnoběžníky namísto tří, které spojují základnu s koncovým efektorem, čímž poskytuje vysokou tuhost a přesnost polohování při vysokých rychlostech. (Zdroj obrázku: Omron Automation)

Delta robot tedy může sebrat předmět a poté jej přesunout na požadované místo. Dále může umístit položku na cílové místo s požadovanou orientací. Delta robot může například vybírat elektronické součástky náhodně orientované na dopravním pásu a montovat je na obvodovou desku přenášenou do pracovní buňky pomocí druhého dopravníkového pásu.

Na lince se dvěma rovnoběžnými kontinuálními dopravníkovými pásy často pracuje současně více delta robotů provádějících operace typu pick and place za chodu. Systémy takových instalací jsou koordinovány centralizovanými řídicími systémy s velkou závislostí na strojovém vidění, které informuje o rutinách řízení robotů. Dokončení každé jednotlivé osazovací operace může trvat jen zlomek sekundy.

Několik současně pracujících delta robotů umožňuje velmi rychlou montáž a balení.

Speciální využití delta robotů ve výrobě elektroniky

Výroba elektroniky spoléhá na delta roboty pro přepravu a manipulaci s deskami tištěných spojů (PCB) a součástkami, montáže desek plošných spojů a montáže zařízení.

Desky plošných spojů obsahují vrstvy nevodivých substrátů a mědi. Nákresy obvodů jsou obvykle vytištěny na desce pomocí litografie, poté se zbytek měděné vrstvy chemicky odleptá. Poté jsou aplikovány nevodivé pájecí masky, aby se zabránilo přemostění těsně umístěných součástek a měděných vodivých cest pájkou. Montáž desek plošných spojů zahrnuje umístění a následné pájení součástek do průchozího otvoru nebo s technologií povrchové montáže (SMT). Starší desky plošných spojů používaly pouze součástky do průchozích otvorů, což je v současné době neobvyklé. Součástky do průchozích otvorů používají přívody zasunuté do otvorů v desce a připájené na opačné straně, což sice zajišťuje vyšší mechanickou pevnost, tento přídavný proces ale zároveň ztěžuje jejich montáž. Není divu, že u menších součástek nyní dominuje technologie SMT. Tyto součástky jsou mnohem vhodnější pro vysoce automatizovanou hromadnou výrobu. Znamená to, že u větších součástek, jako jsou kondenzátory, transformátory a konektory, je často stále vyžadována montáž do průchozích otvorů.

Obrázek 5: elektronické desky na dopravníku procházejí montážní pracovní buňkou. (Zdroj obrázku: Getty Images)

U obou způsobů montáže součástek na desku plošných spojů může strojové vidění doplňující delta robota před instalací součástek na desku zkontrolovat jejich variace a orientaci. Pro vysokou propustnost může být robotická snímací hlava navržena tak, aby zpracovávala několik součástek současně. Robotický koncový efektor může také aplikovat pájecí pastu a zároveň další může provádět elektrické spojování instalovaných součástek pomocí tepla. V opačném případě mohou být součástky připojovány technikou pájení vlnou… stroje pro tuto technologii jsou však drahé a nejlépe se hodí pro velmi velkoobjemovou výrobu. Ještě nákladnějším postupem je častá ruční montáž součástek, které jsou příliš velké pro osazovací stroje, na polovodičové desky. Zde může také vnikat potřeba ručního nanášení pájky na těžko přístupná místa mezi součástkami.

V druhém případě mohou delta roboti nahrazovat ruční operace umísťování větších součástek a pájení mezi nimi.

Delta roboti mohou být také mnohem méně nákladné a mnohem snadněji konfigurovatelné než pick and place stroje kartézského typu. Ty druhé jmenované jsou nakonec velké a těžké - podobně jako CNC obráběcí stroje. Kartézské systémy se obtížně pohybují a po přesunutí mohou vyžadovat nákladnou a časově náročnou rekalibraci. Naproti tomu delta roboti jsou dostatečně malí a lehcí na to, aby se poměrně často přemisťovali. Po nastavení v novém umístění jednoduše spustí jednoduchou samokalibrační rutinu a poté obnoví provoz.

Obrázek 6: Někteří delta roboti orientují objekty všech typů manévrováním v pěti osách. Robot IRB 365 na tomto obrázku dokáže třídit, podávat, vybírat, přeorientovávat a umísťovat 1kg produkty rychlostí 120 vychystávání za minutu, čímž splňuje požadavky výrobních zařízení vyžadujících vysokou průchodnost a efektivitu. Systém ovládaný kompaktním, delta robotickým řídicím systémem nazývaným OmniCore nabízí výkonnostní řízení pohybu, digitální konektivitu a více než tisíc naprogramovaných funkcí. (Zdroj obrázku: ABB)

Možnosti delta robotů jsou bohaté. Společnost Codian Robotics se na rozdíl od většiny výrobců průmyslových robotů, kteří vyrábějí především roboty s kloubovým ramenem, specializuje pouze na delta roboty. Delta roboti od tohoto dodavatele nabízejí užitečné zatížení 1,5 až 125 kg k provádění montáží od drobných elektronických součástek až po mnoho podstatně větších návrhů. Partnerství se společností Mitsubishi Electric spojuje delta roboty Codian s řídicími jednotkami Mitsubishi.

Delta roboti ABB se vyrábějí pod značkou FlexPicker. Současným modelem je delta robot IRB 360 se dvěma pomocnými rotačními osami v sérii na koncovém efektoru pro pohyb v pěti osách. Tito roboti jsou optimalizováni pro operace typu pick and place.

Společnost Fanuc vyrábí delta roboty ve dvou řadách. Řada M zahrnuje malé roboty používané pro montáž malých součástek (nejčastěji elektroniky) i větší roboty. Roboti řady M jsou dostupné ve tří, čtyř a pětiosých konfiguracích. Roboti řady DR-3iB jsou větší roboti se čtyřmi osami určení pro vychystávací a balicí operace s rychlostí pohybu až 5,5 m/s a nosností až 8 kg.

Závěr

Delta roboti poskytují dostupnou a flexibilní automatizaci výroby elektroniky. Často poskytují vyšší rychlost a větší flexibilitu než jiné robotické a automatizované stroje typu pick-and-place.