כיצד רובוטיקה Delta ממטבת ומפשטת תהליכי ייצור אלקטרוניקה

רובוטים Delta הם רובוטים קטנים יחסית המשמשים בטיפול בפריטי מזון לאריזה, תרופות לאריזה ואלקטרוניקה להרכבה. הדיוק והמהירות הגבוהה של הרובוטים עושים אותם למתאימים אידיאלית ליישומים אלה. הקינמטיקה המקבילית שלהם מאפשרת את התנועה המהירה והמדויקת הזאת תוך כדי מתן חזות דומה לעכביש, ששונה לגמרי מחזות רובוטים בעלי זרוע מפרקית (articulated-arm robots).

איור 1: השימוש בזרוע-קישור (linkage-arm) רובוטית בקו ייצור של אלקטרוניקה עם אפקט תאורה. - תמונת מלאי (מקור תמונה: Phuchit • Getty Images)

רובוטים Delta בדרך כלל (אם כי לא תמיד) מורכבים בתקרה כדי להוביל מלמעלה קווי הרכבה ואריזה נעים. הם בעלי נפח עבודה‏ הרבה יותר קטן מזרוע מפרקית‏, ויכולת מוגבלת מאוד לגשת לחללים מוקפים (confined spaces). עם זאת, הנוקשות והחזרתיות שלהם הן נכסים בעיבוד דיוק-גבוה של חלקים עדינים, כולל הרכבה של מוליכים-למחצה.

רובוטים Delta בקונטקסט

רובוטים תעשייתיים מסווגים באופן רחב כרובוטים ניידים, מניפולטורים טוריים או מניפולטורים מקביליים.

רובוטים ניידים כוללים כלי רכב קרקעיים אוטונומיים (AGVs‏) ומלגזות אוטומטיות המתוכנתים בעיקר להעביר חומרים ברחבי מפעלים ומחסנים.

רובוטים המסווגים כמניפולטורים טוריים הם בעלי שרשרת של קישורים קינמטיים המחברים‏ בסיס קבוע לאפקטור קצה; רובוטים אלה כוללים זרועות מפרקיות ורובוטים קארטזיים (cartesian robots). מאחר וקשיחות ודיוק מיקום של כל קישור תלוים בקישור הקודם, מניפולטורים טוריים יורדים בדיוק וקשיחות ככל שהקישור רחוק מהבסיס. אם כי ישנם חריגים, מורפולוגיה זו נוטה להגביל את הדיוק של רובוטים שישה-צירים למספר מילימטרים, ואחרי תנועה מהירה למקום חדש ועצירה, אפקטורי קצה של רובוטים כאלה יתנדנדו לפרק זמן מסוים לפני התייצבות.

סוג אחד של מניפולטור טורי המשמש ברבים מאותם יישומים כמו רובוטים Delta הוא רובוט זרוע מפרקית תאימות סלקטיבית או רובוט SCARA‏. הם פשוטים למדי מכנית, עם שני מפרקים revolute מכוונים כך שהצירים שלהם מקבילים אחד לשני ולציר ליניארי שלישי. שני מפרקי ה-revolute מספקים מיקום X‏-Y‏ במישור יחיד בעוד שהציר הליניארי השלישי מספק תנועה בכיוון Z. בעוד שהם יכולים להיות פחות מדויקים מרובוטים Delta, רובוטים SCARA הם זולים יחסית ויכולים לבצע משימות די מהר, אפילו בחללים מוקפים.

איור 2‏:‏ רובוט Delta הוא סוג של מניפולטור מקבילי עם שלוש מקביליות מחוברות לגוף ‏קשיח יחיד בקצה אפקטור הקצה. הבסיס של כל מקבילית מופעל בדרגת חופש יחידה ביחס לבסיס הרובוט.‏ רובוטים Delta בדרך כלל מורכבים בתקרה כדי להוביל מלמעלה מסועים או חלקים מיועדים לעיבוד. (מקור תמונה: Wikimedia Commons‏)

בניגוד למניפולטורים טוריים, רובוטים המסווגים כמניפולטורים מקביליים (כולל רובוטים Delta) הם בעלי קישורים קינמטיים המחברים את אפקטור הקצה לבסיס. מורפולוגיה כזאת מהווה מבנה הרבה יותר חזק, קשיח וקל מסוגי רובוט טוריים. מבנה קל המשקל ועם זאת הקשיח שלהם מאפשר לרובוטים Delta להאיץ במהירות ולספק זמני מחזור קצרים. סוג אחר של מניפולטור מקבילי הוא פלטפורמת ה-Stewart או משושה (hexapod); רובוטים אלה מספקים קשיחות, מהירות ודיוק גבוהים, לעיתים קרובות כדי לתקן עבור רעידות בזמן-אמת ביישומי אופטיקה מדויקת.

איור 3: מוצג כאן תא עבודה vision-laden המשתמש ברובוטים Delta, רובוטים SCARA‏ ורובוטים ניידים. רובוט ה-Delta עשוי מפלדת אל-חלד ומדורג IP-67. (מקור תמונה: Kuka‏)

בדרך כלל כל מקבילית ברובוט Delta מופעלת על ידי מנוע חשמלי‏ סיבובי באמצעות הפעלה לינארית. (רובוטים Delta עלות-נמוכה מסדרת ה-Igus Drylin משתמשים בתצורת דוחף-ליניארי פחות נפוצה.)‏ הצימוד של מקביליות מגביל את אפקטור הקצה לתנועה בה כל נקודה נעה באופן אחיד באותו הכיוון (translational motion). זה מקנה אותן דרגות תנועה כמו מכונה קרטזית שלושה-צירים אך עם מבנה הרבה יותר נוקשה וקל משקל. יתרון‏ נוסף של תצורה זו הוא שהמסה של מנועי ההנעה ממוקמת בבסיס (בדרך כלל מורכב בתקרה), כך שכל החלקים הנעים של הרובוט הם אלמנטים מבניים קלי-משקל פסיביים. לרובוטים Delta מסוימים יש צירים סיבוביים נוספים מורכבים בטור באפקטור הקצה כדי לספק תנועה בארבעה, חמישה או שישה צירים.

סקירה של יישומי רובוט Delta

רובוטים Delta משמשים באופן נרחב ביישומי Pick-and-Place עבור הרכבת אלקטרוניקה כמו גם אריזת מזון ותרופות. כשרובוט Delta פועל מעל פלטפורמת הרכבה ניידת או מסוע אחד או יותר, פריטים מוסעים או מובלים‏ אל תוך אזור העבודה של הרובוט. אחר כך מערכת ראייה מזהה את האוריינטציות והמיקומים המדויקים של החלק כדי להנחות את הרובוט היכן וכיצד לאחוז או כיצד לפעול על החלק.

איור 4‏: רובוט Delta מונע מנוע-סרוו זה נע ב-200 מחזורים לדקה בשלוש דרגות חופש (DOFs) ועוד ציר סיבוב. בקר יכול להורות לצירי רובוטים אלו להסתנכרן עם מסועים ומשימות אחרות עם זמן תגובה של 2 מילי-שניות. למעשה, רובוט Delta אחר הוא ה-Quattro; הוא בעל ארבע מקביליות במקום שלוש המחברות את הבסיס לאפקטור קצה ומספקות קשיחות ודיוק מיקום גבוה במהירויות גבוהות. (מקור תמונה: Omron Automation)

ובכן, רובוט ה-Delta יכול להרים פריט ואחר כך להעביר אותו למקום הדרוש. אחר כך יכול להוריד את הפריט במקום ובאוריינטציית היעד. לדוגמה, רובוט Delta יכול ללקט רכיבים אלקטרוניים הנמצאים באוריינטציה אקראית על‏ רצועת מסוע ולהרכיבם בלוח מעגל המובא לתא העבודה על ידי רצועת מסוע שניה.

רובוטים Delta מרובים עובדים לעיתים בו-זמנית לאורך קו עם שתי רצועות מסוע מקבילות הנעות ברציפות עבור On-the-Fly Pick-and-Place. מערכות בקרה מרכזיות מתאמות את המערכות המותקנות כך, עם הסתמכות כבדה על ראיית מכונה (MV) שתודיע לתוכניות בקרת רובוט. כל פעולת Pick-and-Place פרטנית יכולה להסתיים בשבריר שניה.

עם מספר רובוטים Delta הפועלים בו-זמנית, אפשרית הרכבה ואריזה מהירה ביותר.

שימושי Delta מיוחדים לייצור אלקטרוניקה

ייצור אלקטרוניקה מסתמך על רובוטים Delta עבור ההובלה והטיפול של לוחות מעגל מודפס (PCBs) ורכיבים, הרכבת PCB והרכבת התקן.

לוחות מעגל מודפס כוללים שכבות מצעים לא מוליכות ושכבות נחושת. מערכי מעגלים בדרך כלל מודפסים על הלוח בליתוגרפיה; אחר כך שארית שכבת הנחושת מוסרת על ידי צריבה כימית. מסכות הלחמה לא מוליכות מיושמות אחר כך כדי למנוע גישור סגסוגת-הלחמה בין רכיבים ממוקמים קרוב ופסי נחושת. הרכבת PCB כרוכה במיקום ואחר כך הלחמה של רכיבים בטכנולוגיית חור-עובר או הרכבה משטחית (SMT‏). לוחות PCB ישנים יותר השתמשו רק ברכיבים לחור-עובר, אך שיטה זו עכשיו איננה נפוצה. לרכיבי חור-עובר יש רגליים מוליכות המוחדרות בחורי הלוח ומולחמות בצד ההפוך עבור חוזק מכני גדול יותר, אך תהליך נוסף זה הופך אותם לקשים יותר להרכבה. אין זה פלא שרכיבי SMT‏ שולטים עכשיו‏ עבור רכיבים קטנים יותר; הם מתאימים הרבה יותר לייצור אוטומטי במידה רבה בנפח גדול. עם זאת, לעתים קרובות עדיין נדרשת הרכבה מסוימת בחור-עובר עבור רכיבים גדולים יותר כמו קבלים, שנאים ומחברים.

איור 5‏: לוחות אלקטרוניקה נעים על מסוע דרך תא עבודה של הרכבה. (מקור תמונה: Getty Images‏)

עבור שני הסוגים של הרכבת רכיב על לוח PCB, ראיית מכונה (MV)‏ המשלימה רובוט Delta יכולה לבדוק את סוג הרכיב ואוריינטציה לפני התקנה על הלוח. למען תפוקה גבוהה, הראש הרובוטי Pick-and-Place יכול להיות מתוכנן לעבד מספר רכיבים בו זמנית. אפקטור קצה‏ רובוטי יכול גם למרוח משחת לחם, ואחר נוסף לחמם כדי לגרום לחיבור חשמלי של הרכיבים המותקנים. באופן אחר, רכיבים יכולים להיות מחוברים על ידי טכניקת הלחמת-גל, אם כי מכונות עבור שיטה זו הן יקרות ומתאימות ביותר לייצור בנפח גדול מאוד. אפילו יקר יותר הוא להרכיב לפעמים ידנית רכיבים שהם גדולים מדי עבור מכונות תחיבה בלוחות מוליכים-למחצה. יכול להיות שיש גם למרוח ידנית סגסוגת-הלחמה במקומות קשים לגישה בין רכיבים.

במקרה האחרון, רובוטים Delta יכולים להחליף עבודה ידנית למיקום רכיבים גדולים יותר ולמרוח סגסוגת-הלחמה בין רכיבים.

רובוטים Delta יכולים להיות גם הרבה פחות יקרים והרבה יותר קלים להגדרת תצורה ממכונות Pick-and-Place מסוג קרטזי. אחרי הכל, האחרונים הם גדולים וכבדים, דומים למכונות עיבוד CNC. מערכות קרטזיות קשה להזיז, ולאחר הזזה יכולות להזדקק לכיול-מחדש יקר וגוזל זמן. לעומתן, רובוטים (Delta) הם קטנים וקלי משקל מספיק למיקום מחדש לעתים קרובות. לאחר התקנה במקום החדש, הם פשוט מריצים תוכנית כיול-עצמי ואחר כך מתחילים לפעול מחדש.

איור 6‏: רובוטים Delta מסוימים מתמרנים בחמישה צירים להכוונת אובייקטים מכל הסוגים. ה-IRB 365 המוצג כאן יכול למיין, להזין, לאסוף, לשנות כיוון ולמקם מוצרים במשקל 1 ק"ג בקצב של 120 איסופים לדקה, לעמוד בדרישות של מתקני ייצור הזקוקים לתפוקה ויעילות גבוהה. תחת פיקוד בקר רובוט-Delta‏ קומפקטי הנקרא OmniCore, המערכת מציעה בקרה של תנועת ביצועים, חיבוריות דיגיטלית ויותר מאלף פונקציות מתוכנתות . (מקור תמונה: ABB)

יש שפע של אפשרויות רובוט Delta. חברת Codian Robotics מתמחה ברובוטים Delta בלבד, להבדיל ממרבית יצרני רובוט תעשייתי המיצרים בעיקר רובוטים זרוע-מפרקית. רובוטים Delta של הספק מציעים מטענים יעודיים של 1.5 עד 125 ק"ג לביצוע הרכבה של חלקים אלקטרוניים זעירים לתכנים רבים גדולים בהרבה. שותפות Mitsubishi Electric מזווגת רובוטים Codian Delta עם בקרי Mitsubishi‏.

רובוטים Delta של ABB מיוצרים תחת המותג FlexPicker. הדגם הנוכחי הוא ה-IRB 360,‏ רובוט Delta עם שני צירי סיבוב עזר בטור באפקטור הקצה עבור תנועה בחמישה צירים. רובוטים אלה ממוטבים במיוחד לפעולות Pick-and-Place.

חברת Fanuc מייצרת רובוטים Delta עבור שני תחומים. סדרת ה-M‏ כוללת רובוטים קטנים המשמשים עבור הרכבה של חלקים קטנים (לרוב אלקטרוניקה), כמו גם רובוטים גדולים יותר. רובוטים מסדרת M זמינים בתצורות של שלושה, ארבעה וחמישה צירים. רובוטים מסדרת DR-3iB הם רובוטים ארבעה-צירים גדולים יותר המתוכננים עבור פעולות איסוף ואריזה, עם מהירויות תנועה של עד ‎5.5 m/sec‏ ומטענים יעודיים של עד 8 ק"ג.

מסקנה

רובוטים Delta מספקים אוטומציה ברת-השגה וגמישה עבור ייצור אלקטרוניקה. לרוב הם מספקים מהירות גבוהה יותר ויותר גמישות מרובוטיקה אחרת ומכונות Pick-and-Place אוטומטיות.