Miten deltarobotit optimoivat ja virtaviivaistavat elektroniikan valmistusprosesseja

Deltarobotit ovat suhteellisen pieniä robotteja, joita käytetään elintarvikkeiden ja lääkkeiden pakkaamiseen sekä elektroniikan kokoamiseen. Robottien tarkkuuden ja nopeuden ansiosta ne soveltuvat ihanteellisesti näihin käyttötarkoituksiin. Niiden rinnakkaisrakenteinen kinematiikka mahdollistaa nopeat ja tarkat liikkeet ja antaa roboteille hämähäkkimäisen ulkonäön, joka on varsin erilainen kuin nivelvarsirobotin.

Kuva 1: Robottikäsivarsi käytössä elektroniikan tuotantolinjalla valaistuksella. – Kuvituskuva (kuvan lähde: Phuchit • Getty Images)

Deltarobotit on yleensä (ei tosin aina) kiinnitetty kattoon ja ne hoitavat liikkuvia kokoonpano- ja pakkauslinjoja ylhäältä päin. Niiden työskentelytila on paljon pienempi kuin nivelvarren, ja niillä on erittäin rajallinen pääsy ahtaisiin tiloihin. Siitä huolimatta niiden jäykkyys ja toistotarkkuus ovat hyödyllisiä herkkien työkappaleiden tarkassa käsittelyssä, mukaan lukien puolijohteiden kokoaminen.

Deltarobotit kontekstissa

Teollisuusrobotit luokitellaan yleisesti ottaen liikkuviksi roboteiksi, sarjamanipulaattoreiksi tai rinnakkaisiksi manipulaattoreiksi.

Liikkuvia robotteja ovat autonomiset ajoneuvot (AGV) ja automaattitrukit, jotka on ohjelmoitu ensisijaisesti siirtämään materiaaleja tehtaissa ja varastoissa.

Sarjamanipulaattoreiksi luokitelluissa roboteissa kinemaattinen kytkentäketju yhdistää kiinteän alustan työkaluun. Näitä robotteja ovat muun muassa nivelvarsirobotit ja karteesiset robotit. Koska jokaisen linkin jäykkyys ja paikannustarkkuus riippuvat edellisestä linkistä, sarjamanipulaattoreiden tarkkuus ja jäykkyys laskevat sitä enemmän, mitä kauempana linkki on alustasta. Vaikka tästä onkin poikkeuksia, tämä muoto rajoittaa yleensä kuusiakselisten robottien tarkkuuden muutamaan millimetriin, ja kun tällainen robotti on siirtynyt nopeasti toiseen paikkaan ja pysähtynyt, sen työkalut heiluvat jonkin aikaa ennen asettumista.

SCARA-robotti on eräs sarjamanipulaattorityyppi, jota käytetään monissa samoissa käyttökohteissa kuin deltarobotteja. Ne ovat mekaanisesti melko yksinkertaisia, ja niissä on kaksi pyörintäniveltä kohdistettuina siten, että niiden akselit ovat samansuuntaisia toistensa kanssa, sekä kolmas akseli, joka on lineaarinen. Kaksi pyörintäniveltä tarjoavat X–Y-asemoinnin yhdessä tasossa, kun taas kolmas lineaarinen akseli mahdollistaa liikkeen Z-suunnassa. Vaikka niillä ei olekaan deltarobottien tarkkuutta, SCARA-robotit ovat suhteellisen edullisia ja voivat suorittaa tehtäviä melko nopeasti, myös ahtaissa tiloissa.

Kuva 2: Deltarobotti on yksi rinnakkaisrakenteisen manipulaattorin tyyppi, jossa on kolme suunnikasta, jotka kaikki yhdistyvät yhteen jäykkään ala-alustaan työkalun päässä. Jokaisen suunnikkaan päätä liikutetaan yhden vapausasteen mukaisesti suhteessa robotin alustaan. Deltarobotit on tyypillisesti asennettu kattoon, josta ne käsittelevät kuljettimia tai työkappaleita ylhäältä päin. (Kuvan lähde: Wikimedia Commons)

Toisin kuin sarjamanipulaattoreissa, rinnakkaisrakenteisiksi manipulaattoreiksi luokitelluissa roboteissa (mukaan lukien deltarobotit) on useita kinemaattisia linkkejä, jotka yhdistävät työkalun alustaan. Tällainen rakenne on paljon vahvempi, jäykempi ja kevyempi kuin sarjarobottien. Niiden kevyt mutta jäykkä rakenne mahdollistaa deltarobottien nopean kiihtyvyyden, minkä ansiosta niiden toimintajaksot ovat erittäin lyhyitä. Stewart-alusta tai heksapodi on toinen rinnakkaisrakenteisen manipulaattorin tyyppi. Ne tarjoavat maksimaalisen jäykkyyden, tarkkuuden ja nopeuden, jota usein käytetään tärinän reaaliaikaiseen korjaamiseen tarkkuusoptiikkasovelluksissa.

Kuva 3: Kuvassa on konenäköä hyödyntävä työsolu, jossa käytetään deltarobotteja, SCARA-robotteja ja liikkuvia robotteja. Deltarobotti on ruostumatonta terästä ja IP-67-luokiteltu. (Kuvan lähde: KUKA)

Deltarobotin kutakin suunnikasta liikutetaan tyypillisesti pyörivällä sähkömoottorilla lineaarisesti. (Igus-yrityksen Drylin-sarjan edullisissa deltaroboteissa käytetään harvinaisempaa lineaarista konfiguraatiota.) Suunnikkaiden kytkentätapa rajoittaa työkalun liikkeen yhdensuuntaiseksi. Tällä saadaan samat vapausasteet kuin kolmiakselisessa karteesisessa robotissa, mutta paljon jäykemmällä ja kevyemmällä rakenteella. Tämän rakenteen lisäetuna on se, että käyttömoottoreiden massa sijaitsee (tyypillisesti kattoon asennetussa) alustassa, joten kaikki robotin liikkuvat osat ovat passiivisia ja kevyitä rakenteellisia elementtejä. Joidenkin deltarobottien ala-alustassa on sarjaan asennettuja pyöriviä lisäakseleita, joilla saadaan aikaan neljä, viisi tai kuusi liikeakselia.

Deltarobottien käyttökohteiden yleiskatsaus

Deltarobotteja käytetään laajalti elektroniikan kokoonpanon ladontasovelluksissa sekä elintarvikkeiden ja lääkkeiden pakkaamisessa. Kun deltarobotti toimii yhden tai useamman kuljettimen tai siirrettävän kokoonpanoalustan yläpuolella, esineet kulkevat liukuhihnalla tai ne tuodaan muuten robotin työskentelytilaan. Tämän jälkeen konenäköjärjestelmä tunnistaa osien tarkat sijainnit ja asennot kertoakseen robotille, mistä ja miten sen tulee tarttua osaan tai tehdä sille jokin toimenpide.

Kuva 4: Tämä servomoottoria käyttävä deltarobotti suorittaa 200 toimintajaksoa minuutissa kolmessa vapausasteessa (DOF) sekä pyörimisakselilla. Ohjain voi komentaa näiden robottien akseleita 2 ms:n vasteajalla kuljettimien ja muiden tehtävien kanssa synkronointia varten. Quattro on toisenlainen delta-robotti, jossa on kolmen sijasta neljä suunnikasta, jotka yhdistävät alustan työkaluun, mikä takaa suuren jäykkyyden ja paikannustarkkuuden suurilla nopeuksilla. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Deltarobotti voi siis poimia esineen ja siirtää sen sitten tarvittavaan paikkaan. Seuraavaksi esine voidaan asettaa haluttuun paikkaan ja asentoon. Deltarobotti voi esimerkiksi poimia kuljetushihnalla satunnaisissa asennoissa olevia elektroniikkakomponentteja ja asentaa ne piirilevylle, joka tuodaan työsoluun toista kuljetinhihnaa pitkin.

Useampi deltarobotti työskentelee usein samanaikaisesti linjalla, jossa on kaksi samansuuntaista jatkuvasti liikkuvaa kuljetinhihnaa, suorittaen ladontaa lennosta. Keskitetyt ohjausjärjestelmät koordinoivat tällaisia kokoonpanojärjestelmiä luottaen vahvasti konenäköön robottien ohjausrutiinien tarvitsemien tietojen hankkimisessa. Jokainen yksittäinen ladontaoperaatio (poiminta ja sijoitus) voidaan suorittaa vain sekunnin murto-osassa.

Kun samanaikaisesti käytetään useita deltarobotteja, erittäin nopea kokoonpano ja pakkaaminen on mahdollista.

Deltarobottien nimenomaiset käyttötavat elektroniikan valmistuksessa

Elektroniikan valmistus käyttää deltarobotteja piirilevyjen ja komponenttien siirtämiseen ja käsittelyyn sekä piirilevyjen ja laitteiden kokoonpanoon.

Piirilevyissä on kerroksina johtamatonta perusmateriaalia ja kuparikerroksia. Piirikaaviot tulostetaan tyypillisesti piirilevylle litografiaa käyttäen, minkä jälkeen loppu kuparikerroksesta syövytetään kemiallisesti pois. Tämän jälkeen piirilevy käsitellään johtamattomalla juotteenestopinnoitteella. Tämä estää juotteen muodostamat sillat lähekkäin olevien komponenttien ja kuparijohtimien välillä. Piirilevyjen kokoonpano sisältää läpiasennettavien tai pintakiinnitettävien (SMT) komponenttien sijoittamisen ja juottamisen. Vanhemmissa piirilevyissä käytettiin yleensä pelkästään läpiasennettavia komponentteja, mutta tämä on nykyisin harvinaista. Läpiasennettavissa komponenteissa on jalat, jotka asetetaan piirilevyn läpi kulkeviin reikiin ja jotka juotetaan vastakkaiselta puolelta, jolloin saavutetaan parempi mekaaninen lujuus, mutta tämä lisäprosessi tekee kokoonpanosta vaikeampaa. Ei siis ihme, että pienet komponentit käyttävät nykyisin useimmiten pintaliitostekniikkaa, sillä se soveltuu paljon paremmin pitkälle automatisoituun massatuotantoon. Siitä huolimatta kondensaattorien, muuntajien ja liittimien kaltaisia suurempia komponentteja varten tarvitaan usein yhä myös läpiasentamista.

Kuva 5: Elektroniikkapiirilevyt siirretään kuljetinhihnalla kokoonpanotyösolun läpi. (Kuvan lähde: Getty Images)

Molemmissa piirilevykomponenttien asennustavoissa deltarobottia täydentävä konenäkö voi tarkistaa komponenttien variaation ja asennon ennen asennusta piirilevylle. Tuotantokapasiteetin nostamiseksi robotin poiminta- ja sijoitustyökalu voidaan suunnitella käsittelemään useita komponentteja kerrallaan. Yksi robotin työkaluista voi syöttää juotospastaa ja toinen kuumentaa sen asennettujen komponenttien sähköistä liittämistä varten. Toinen vaihtoehto on, että komponentit kiinnitetään aaltojuottamistekniikkaa käyttäen, vaikka tähän tarkoitukseen suunnitellut koneet ovatkin kalliita ja soveltuvat parhaiten erittäin suuriin tuotantomääriin. Vielä kalliimpaa on se, miten asennusroboteille liian suurikokoiset komponentit asennetaan usein manuaalisesti puolijohdepiirilevyille. Juotettakin tulee ehkä lisätä manuaalisesti vaikeasti saavutettaviin paikkoihin komponenttien välissä.

Mitä tähän jälkimmäiseen ongelmaan tulee, deltarobotit voivat korvata manuaalisen asennuksen ja asentaa suuremmat komponentit sekä suorittaa juotoksen komponenttien välissä.

Deltarobotit voivat myös olla paljon edullisempia ja paljon helpompia konfiguroida kuin karteesiset ladontakoneet. Jälkimmäiset ovat loppujen lopuksi suuria ja painavia, samoin kuin CNC-työstökoneet. Karteesisia järjestelmiä on vaikea siirtää, ja siirron jälkeen ne voivat vaatia kalliin ja aikaa vievän uudelleenkalibroinnin. Deltarobotit sen sijaan ovat pieniä ja kevyitä, joten niitä voidaan siirtää melko usein. Uuteen paikkaan asentamisen jälkeen ne suorittavat vain yksinkertaisen itsekalibrointirutiinin ja jatkavat sitten toimintaa.

Kuva 6: Jotkin deltarobotit käyttävät viittä akselia voidakseen asemoida kaikentyyppisiä objekteja. Tässä esitetty IRB 365 voi lajitella, syöttää, poimia, suunnata uudelleen ja sijoittaa 1 kg:n painoisia tuotteita 120 poiminnan minuuttinopeudella. Se täyttää korkeaa tuotantokapasiteettia ja tehokkuutta vaativan tuotannon vaatimukset. Tämä kompaktin OmniCore-deltarobottiohjaimen ohjaama järjestelmä tarjoaa suorituskykyisen liikeohjauksen, digitaalisen yhdistettävyyden ja yli tuhat ohjelmoitua toimintoa. (Kuvan lähde: ABB)

Deltarobottivaihtoehtoja on runsaasti. Codian Robotics on erikoistunut pelkästään deltarobotteihin toisin kuin useimmat teollisuusrobottien valmistajat, jotka valmistavat pääasiassa nivelvarsirobotteja. Toimittajan deltarobotit tarjoavat 1,5–125 kg:n hyötykuorman aina pienien elektroniikkaosien kokoonpanosta moniin paljon suurempiin malleihin. Mitsubishi Electric ‑kumppanuus yhdistää Codianin deltarobotit Mitsubishin ohjaimiin.

ABB:n deltarobotteja valmistetaan FlexPicker-tuotemerkin alla. Nykyinen malli on IRB 360, deltarobotti, jonka työkalussa on kaksi pyörivää lisäakselia sarjassa viisiakselista liikettä varten. Nämä robotit on optimoitu ladontakäyttöön.

Fanuc valmistaa kahta deltarobottien tuotesarjaa. M-sarja sisältää pieniä robotteja, joita käytetään pienten osien (tavallisimmin elektroniikkaosien) kokoonpanoon, sekä suurempia robotteja. M-sarjan robotteja on saatavana kolmen, neljän ja viiden akselin konfiguraatioilla. DR-3iB-sarjan robotit ovat suurempia neliakselisia robotteja, jotka on suunniteltu poimintaan ja pakkaamiseen. Niiden liikenopeus on jopa 5,5 m/s ja hyötykuorma jopa 8 kg.

Yhteenveto

Deltarobotit tarjoavat edullisen ja joustavan automaatiovaihtoehdon elektroniikan valmistukseen. Ne tarjoavat usein korkeamman nopeuden ja enemmän joustavuutta kuin muut robotit ja automatisoidut ladontakoneet.