Elektronikai gyártási folyamatok optimalizálása és egyszerűsítése delta robotokkal

A delta robotok viszonylag kisméretű berendezések, amelyeket élelmiszerek csomagolására, gyógyszerek burkolására és elektronikai cikkek összeszerelésére használnak. Precizitásuknak és nagy sebességüknek köszönhetően kiválóan alkalmasak ilyen feladatokra. A gyors és pontos mozgásra való képességük párhuzamos kinematikájuknak köszönhető, pókszerű megjelenést kölcsönözve nekik, teljesen eltérve a csuklós karú robotokétól.

1. ábra: Elektronikai gyártósoron használt szerszámban végződő robotkarok világítással - stock fotó (kép: Phuchit - Getty Images)

A delta robotokat általában (bár nem mindig) mennyezetre szerelik, hogy felülről férjenek hozzá a gyártó- és csomagolósorokon mozgó munkadarabokhoz. Munkaterük sokkal kisebb, mint a csuklókaros robotoké és a zárt terekbe való behatolási képességük is nagyon korlátozott. Ennek ellenére merevségük és az általuk kínált ismételhető mozgás előnynek számít a kényes munkadarabok – köztük az összeszerelés alatt álló félvezető komponensek – nagy pontosságú manipulálásakor.

A delta robotok helye a világban

Általánosan nézve az ipari robotok a mobil robotok, a soros manipulátoros robotok vagy a párhuzamos manipulátoros robotok kategóriákba sorolhatók.

A mobil (vagy helyváltoztató) robotok közé tartoznak az autonóm földi járművek (AGV-k) és az automatizált targoncák, amelyeketet elsősorban anyagoknak gyárakban és raktárakban történő mozgatására programoznak be.

A soros manipulátoros robotnak minősülő robotok egy rögzített alapot és egy végberendezést összekötő kinematikai láncból állnak, és ezek közé tartoznak a csuklókaros és az egyenes vonalú mozgást végző (lineáris) robotok. Mivel a kinematikai lánc egyes tagjainak merevsége és pontos pozícionálhatósága függ az előző tagtól, a soros manipulátoros robotok pontossága és merevsége csökken az alaptól a végberendezés (effektor) irányába haladva. Bár vannak kivételek, ez a szerkezeti kialakítás és ennek kötöttsége miatt a hattengelyes robotok pontossága általában néhány milliméterre korlátozódik, és egy új pozícióba történő gyors elmozdulásuk és megállásuk után, az ilyen robotok effektorjai egy ideig még oszcillálnak a teljes nyugalomba kerülésük előtt.

A delta robotokkal sokszor azonos feladatokra használt soros manipulátoros robotok egyik típusa a szelektív feladatok elvégzésére kialakított csuklós robotkarú (vagy SCARA) robotok. Mechanikailag nagyon egyszerűek, kettő, egymással párhuzamos tengelyű csuklóval, és egy harmadik lineáris tengellyel rendelkeznek. A két csukló síkbeli X-Y pozicionálást biztosít, míg a harmadik lineáris tengely a Z irányú mozgást. Bár a SCARA-robotok nem rendelkeznek a delta robotok pontosságával, viszonylag alacsony költségűek, és meglehetősen gyorsan képesek végrehajtani a rájuk bízott feladatokat – még szűk helyeken is.

2. ábra: A delta robotok a párhuzamos manipulátoros robotok egyik típusa, amelyeknél a robotkarokat alkotó három paralelogramma egyetlen merev testhez, a végberendezéshez (effektorhoz) kapcsolódik. Az egyes paralelogrammák bázisa valójában egy egy szabadságfokú (lineárisan mozgatható) tag a robot alapjához képest. A delta robotok jellemzően mennyezetre szereltek, hogy felülről férjenek hozzá a szállítószalagokhoz vagy a munkadarabokhoz (kép: Wikimedia Commons)

A soros manipulátoros robotokkal ellentétben a párhuzamos manipulátoros robotoknál (beleértve a delta robotokat is) a végberendezés és az alap közötti kapcsolat több kinematikai láncon keresztül áll fenn. Ennek a kialakításuknak köszönhetően szerkezetileg sokkal erősebbek, merevebbek és könnyebbek a soros manipulátoros típusú robotoknál. Könnyű, mégis merev szerkezetüknek köszönhetően a delta robotok gyorsulása igen nagy, így nagyon rövid ciklusidőket tudnak biztosítani. A párhuzamos manipulátoros robotok másik típusa a Stewart platform vagy hexapod robotok. Ezek maximális merevséget, pontosságot és sebességet biztosítanak – gyakran használják őket rezgések valós idejű korrigálására precíziós optikai berendezésekben.

3. ábra: A képen egy delta robotokat, SCARA robotokat és mobil robotokat tartalmazó, gépi látást alkalmazó munkacella látható. A delta robot rozsdamentes acélból készült és IP-67-es védettségű (kép: KUKA)

A delta robotok minden egyes paralelogramma tagját jellemzően egy forgó elektromotor hajtja egy lineáris működtető elem segítségével. (Az Igus Drylin sorozatához tartozó olcsóbb delta robotoknál egy kevésbé elterjedt lineáris meghajtású konfigurációt alkalmaznak.) A paralelogrammák összekapcsoltsága miatt a végberendezés csak transzlációsan (síkban) mozoghat. Ebből adódóan ezek a robotok szabadságfoka megegyezik a háromtengelyes egyenes vonalú mozgást végző (lineáris) robotokéval, de egy sokkal merevebb és könnyebb szerkezettel. További előnye ennek a konfigurációnak, hogy a hajtómotorok (a jellemzően a mennyezetre szerelt) alapban találhatók, tehát tömegük csak elhanyagolható mértékben játszik szerepet a kinematikai lánc mozgatásában, így a robot összes mozgó alkatrésze passzív, könnyűszerkezetes szerkezeti elem. Egyes delta robotoknál további forgótengelyeket szerelnek sorosan a végberendezéshez, a négy, öt vagy hat tengelyes mozgás biztosítása érdekében.

A delta robotok felhasználási eseteinek áttekintése

A delta robotokat széleskörűen használják az elektronikai összeszerelési, valamint az élelmiszer- és gyógyszeripari csomagoláskor szükséges felszedési és elhelyezési (pick-and-place) feladatokhoz. Amikor egy delta robot egy vagy több szállítószalag vagy mobil összeszerelő platform felett működik, a tárgyakat szállítószalagon vagy valamilyen más módon juttatják a robot munkaterén belülre. Ezután egy látórendszer azonosítja az alkatrészek pontos helyét és irányát, ami alapján a robot feldolgozó egysége eldönti, hol és hogyan szükséges megfogni vagy más módon manipulálni az alkatrészt, és ennek megfelelő irányítási parancsokat ad.

4. ábra: Ez a szervomotoros delta robot percenként 200 mozgási ciklusra képes, három szabadságfokkal és egy forgástengellyel. Vezérlőjük 2 mikroszekundumos válaszidővel tudja vezérelni a robotok tengelyeit a szállítószalagokkal és más feladatokkal való szinkronizáláshoz. Sőt, létezik egy másik, három helyett négy paralelogrammás kialakítású delta robot, a Quattro, melynek az ilyen felépítése nagy merevséget és pozicionálási pontosságot biztosít rendkívül nagy sebességgel (kép: Omron Automation)

A delta robot tehát képes felvenni egy tárgyat, majd a kívánt helyre mozdíthatja azt, majd ezután a tárgyat a kívánt irányba forgatva a célhelyre helyezheti. Például egy delta robot képes felvenni a szállítószalagra véletlenszerű pozícióban felkerülő elektronikus alkatrészeket, majd azokat elforgatni a megfelelő irányba és áthelyezni a munkacellán belüli másik szállítószalagon lévő nyomtatott áramköri lapra, további szerelési feladatok elvégése céljából.

Gyakran használnak egyszerre több delta robotot olyan gyártósorokon, amelyek két párhuzamosan és folyamatosan mozgó szállítószalagot tartalmaznak, menet közbeni gyors felszedéshez és elhelyezéshez. Az ilyen berendezések rendszereit központosított vezérlőrendszerek koordinálják – a robotok irányítását tekintve nagymértékben a gépi látásra hagyatkozva. Minden egyes felszedési és elhelyezési ciklust a robot a másodperc töredéke alatt képes elvégezni.

Több delta robot egyidejű működése nagyon gyors összeszerelést és csomagolást tesz lehetővé.

Delta robotok jellemző felhasználása az elektronikai gyártásban

Az elektronikai gyártás a nyomtatott áramköri lapok (NyÁK-ok) és alkatrészek szállításában és kezelésében, valamint az alkatrészeknek az áramköri lapokra való rászerelésében a delta robotokra támaszkodik.

A nyomtatott áramköri lapok nem vezető szubsztrátumokból és rézrétegekből állnak. Az áramköri rajzolatokat általában litográfiai eljárással nyomtatják a lemezre, majd a felesleges rézréteget kémiai maratással távolítják el. Ezután nem vezető forrasztási maszkokat alkalmaznak, hogy megakadályozzák a szorosan elhelyezkedő alkatrészek és a réz vezetősávok forrasztóanyaggal történő áthidalását, vagyis a nem kívánt kapcsolatok létrehozását. A nyomtatott áramköri lapok összeszerelése magában foglalja a furatszerelt vagy felületszerelt (SMT) technológiás gyártásra tervezett alkatrészek elhelyezését, majd forrasztását. A régebbi nyomtatott áramköri lapokon csak furatszerelt alkatrészeket használtak, de ez ma már nem gyakori. A furatszerelt alkatrészek kivezetéseit a NyÁK-on lévő lyukakba helyezik, és a nagyobb mechanikai szilárdság érdekében a lemez ellenkező oldalán forrasztják őket, de ez az extra művelet megnehezíti az összeszerelésüket. Nem csoda, hogy a kisebb alkatrészek esetében ma már az SMT-alkatrészek dominálnak, mivel ezek sokkal alkalmasabbak a nagymértékben automatizált sorozatgyártásra. Ennek ellenére gyakran még mindig szükség van némi furatszerelési technológiás szerelésre a nagyobb alkatrészek, például kondenzátorok, transzformátorok és csatlakozók beépítésekor.

5. ábra: Elektronikai áramköri lapok haladása egy összeszerelő gyártósor szállítószalagán (kép: Getty Images)

Mindkét típusú NyÁK-alkatrész rögzítésekor a gépi látással segített delta robotok ellenőrizni tudják az alkatrész variációját és orientációját a lemezre való felszerelés előtt. A nagy átmenőteljesítmény érdekében a robot felszedő és elhelyező feje kialakíható úgy, hogy egyszerre több alkatrészt is manipulálni tudjon. Az egyik robot végberendezése (effektora) fel tudja hordani a forraszpasztát, míg egy másik hőt sugározhat a kártyára szerelendő alkatrészek elektromos kötéseinek kialakításához. Egyébként az alkatrészeket hullámforrasztásos technikával is rögzíthetik, bár az ehhez szükséges gépek drágák, és leginkább a nagyon nagy volumenű gyártásra alkalmasak. Még költségesebb, ha a beillesztőgépekhez túl nagy méretű alkatrészeket gyakran kézzel kell rászerelni az áramköri lapokra, és előfordulhat továbbá, hogy az alkatrészek közötti nehezen hozzáférhető helyeken is kézzel kell forrasztani.

Ez utóbbiaknál a nagyobb alkatrészek elhelyezésekor és az alkatrészek közötti forrasztáskor a kézi műveletek kiválthatók delta robotokkal.

A delta robotok gyakran sokkal kevésbé költségesek és sokkal könnyebben konfigurálhatók, mint a lineáris típusú pick-and-place gépek. Ez utóbbiak ellen szól az is, hogy nagyok és nehezek – hasonlóan a CNC-szerszámgépekhez. A lineáris rendszereket nehéz mozgatni, és mozgatásuk után költséges és időigényes újrakalibrálásukra lehet szükség. Ezzel szemben a delta robotok elég kicsik és könnyűek ahhoz, hogy viszonylag gyakran át lehessen helyezni őket. Az új helyre történő telepítés után egyszerűen lefuttatnak egy egyszerű önkalibrációs rutint, majd folytatni tudják a működésüket.

6. ábra: Egyes delta robotok öt tengelyes mozgatással és orientálással bármilyen típusú tárgy manipulálására képesek. Az itt látható IRB 365 1 kg-os termékek válogatására, adagolására, felszedésére, orientálására és elhelyezésére képes percenként 120 felszedéssel – kielégítve a nagy átmenőteljesítményt és hatékonyságot igénylő gyártóüzemek követelményeit. A delta robotokra kifejlesztett OmniCore nevű kompakt vezérlő által vezérelt rendszer nagy teljesítményű mozgásvezérlést, digitális csatlakoztathatóságot és több mint ezer programozott funkciót kínál (kép: ABB)

A delta robotokat illetően bőséges választék áll rendelkezésre. A Codian Robotics kizárólag delta robotokra specializálódott, ellentétben a legtöbb ipari robotgyártóval, amelyek elsősorban csuklós karú robotokat gyártanak. A gyártó delta robotjai 1,5 és 125 kg közötti hasznos terhelhetőséget kínálnak, így az apró elektronikai alkatrészek szerelését számos, jóval nagyobb méretű és tömegű konstrukciók esetén is képesek elvégezni. A Mitsubishi Electric a Codian delta robotokat Mitsubishi vezérlőkkel párosítja.

Az ABB delta robotjai a FlexPicker márkanév alatt készülnek. A jelenlegi modell, az IRB 360 egy olyan delta robot, amelynek végberendezése két soros kiegészítő forgástengellyel rendelkezik, ami öttengelyes mozgatást tesz lehetővé. Ezeket a robotokat a pick and place műveletekre optimalizálták.

A Fanuc kétféle delta robotot gyárt. Az M-sorozat tartalmaz apró munkadarabok (leggyakrabban elektronikai alkatrészek) szerelésére használt kisméretű robotokat, valamint nagyobb méretű robotokat is. Az M-sorozatú robotok három, négy és öttengelyes konfigurációkban kaphatók. A DR-3iB sorozatú robotok nagyobb, négytengelyes robotok, amelyeket komissiózási és csomagolási műveletekhez terveztek, akár 5,5 m/s mozgatási sebességgel és akár 8 kg hasznos teherbírással.

Összegzés

Delta robotokkal az elektronikai gyártás megfizethetően és rugalmasan automatizálható. Gyakran nagyobb sebességet és nagyobb rugalmasságot biztosítanak, mint más robotok és az automatizált felszedő és elhelyező (pick-and-place) gépek.