Wenn Zweiarm-Roboter sehen lernen

Die Leiterplattenbestückung in der Elektronikfertigung ist weitestgehend automatisiert. Roboter in unterschiedlicher Bauweise übernehmen Schritte wie SMD-Bestückung, Belötung und automatische optische Inspektion (AOI). Eine Ausnahme bildete bislang die Durchsteckmontage so genannter Drahtbauteile wie Kondensatoren, Leistungsspulen und Steckverbindern. Diese wird immer noch weitestgehend per Handmontage durchgeführt, weil es sich um einen komplexen Prozess handelt, der sich nicht so einfach automatisieren lässt.

Genau das stellte die Ingenieure der Glaub Automation & Engineering GmbH in Salzgitter vor eine Herausforderung. Geschäftsführer Niko Glaub: „Ein Kunde richtete an uns die konkrete Anfrage, ob wir nicht doch eine Lösung für die Automatisierung dieses Schrittes finden könnten.“

Diese Herausforderung war der maßgebliche Ansporn dazu, eine Lösung zu erarbeiten. Das Team von Glaub machte sich mit Begeisterung ans Werk und so befindet sich die Lösung mittlerweile bereits im Einsatz – und sie ist ausgesprochen unkonventionell. Das Bestücken übernimmt ein zweiarmiger kollaborativer ABB-Roboter vom Typ YuMi, der dank seiner beiden Arme doppelt so schnell bestücken kann wie ein konventioneller Roboter.

Der automatisierte Prozess in der sehr kompakten „GL-THTeasy“-Roboterzelle läuft folgendermaßen ab: Dem Roboter werden über eine Förderstrecke Blister z.B. mit Kondensatoren bereitgestellt. Ein Datamatrix- Code am Blister erlaubt die Identifikation der Artikel. Der YuMi greift dann einen Kondensator nach dem anderen aus dem Blister und steckt sie präzise auf die Leiterplatte. Alternativ kann er die elektronischen Bauelemente z.B. auch aus einem ESD-Behälter oder von einem Vibrationsförderer entnehmen. Direkt danach erfolgt von unten das Verlöten. Leere Blister werden durch die Anlage über ein Rückführsystem ausgeschleust und volle anschließend automatisch zugeführt.

Zielgerichteter „Griff in die Kiste“

So weit klingt das ganz schlüssig und man mag sich fragen, warum dieser Bestückungsprozess nicht schon früher automatisiert wurde. Die Antwort: Die Robotik kam weder mit der hohen Variabilität in der Bauteilzuführung zurecht noch mit den leichten Ungenauigkeiten bei der Positionierung der Bauelemente. Deshalb waren die wenigen bisherigen Roboterlösungen sehr komplex, aufwändig in der Programmierung und nicht besonders zuverlässig im Betrieb.

Die neue Roboterzelle von Glaub jedoch verwendet erstmals Smartkameras, welche auf der neuesten Bildverarbeitungstechnologie von Cognex aufsetzen, dem Marktführer für industrielle Bildverarbeitung. Die Positionserfassung der Bauteile in den Blistern erfolgt über 3D-Flächensensoren – und sie erlauben auch den zielgerichteten „Griff in die Kiste“ bzw. in den Vibrationsförderer – um anschließend die weitere Vermessung der Kondensatoren sowie der Leiterplatten mit Hilfe von 2D-Kameras zu realisieren.

Intelligente Kombination von Robotik und Bildverarbeitung

Die Bildverarbeitung hat also ganz entscheidenden Anteil am Erfolg dieses Konzeptes. Um die für diese Anwendung geeigneten Kameras auszuwählen, haben die Ingenieure von Glaub mit der in Wendeburg ansässigen M-VIS Solutions GmbH zusammengearbeitet. M-VIS, Lösungspartner von Cognex, erarbeitete eine Lösung mit mehreren Kameras, die sowohl die Datamatrix-Codes auf den Blistern erfassen als auch jedes einzelne Bauteil genau vermessen und lokalisieren.

Vitali Burghardt, Geschäftsführer von M-VIS Solutions, erläutert: „Durch die 100%ige Absolutvermessung von Bauteilen und Leiterplatten kompensiert GL-THTeasy jede Ungenauigkeit von Bauteilen, Greifern, Werkstückträgern und Förderbändern.“ Dabei werden nicht passgenaue Bauteile direkt aussortiert.

Acht Kameras pro Zelle, davon zwei 3D-Kameras

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wählte M-VIS – unterstützt von Cognex – acht Kameras aus, vier für jeden Roboterarm. Ein Vision-System vom Typ In-Sight 7802M vermisst die Werkstücke und gibt die nötigen Informationen für die Lagekorrektur des Greifers. Ein weiteres System der Serie In-Sight 9912M vermisst die Platine und korrigiert gegebenenfalls die Bewegung des Greifers, wenn dieser das Bauteil in die Platine setzt. Und die 3D-Flächenscan-Kamera 3D-A5060 mit der zum Patent angemeldeten 3D LightBurst- Technologie und der integrierten VisionPro-Software für die Bildverarbeitung „sieht“ die Position von Werkstücken in der Zuführung.

Niko Glaub erläutert diesen Schritt genauer: „Die Kameras erfassen in jedem Prozessschritt die Ist-Position des Bauteils, des Greifers sowie der Platine in Relation zum elektronischen Bauteil. Anders ausgedrückt: Die ´Beinabstände´ der Bauteile werden mit den realen Maßen der Bestückungspositionen abgeglichen. Damit wird zunächst ein automatisches Finden und Entnehmen des Bauteils ermöglicht – und dann eine 100% exakte Durchsteckmontage auf der Basis realer Positionsdaten.“

Diese Vorgehensweise bringt einen weiteren Vorteil mit sich: Da die Bewegungen kamerabasiert gesteuert werden, kann das Bedienpersonal ohne Programmierung ein neues Bestückmuster generieren. Als Basis dienen ihm dabei die erzeugten Kamerabilder. Somit wird nicht nur die Montage vereinfacht und beschleunigt, sondern auch die Umrüstung. Damit ist die Roboterzelle GL-THTeasy ein Musterbeispiel für flexible Automation, welche sowohl für aktuelle als auch künftige Anforderungen eine smarte Lösung bietet.

Kurze Taktzeit, schnelle Amortisation

Weil die zwei Arme des ABB YuMi parallel rund um die Uhr arbeiten, ist ein 24/7-Betrieb mit hoher Geschwindigkeit möglich – und das bei sehr kurzer Taktzeit, die je nach den zu verbauenden Komponenten und der Zuführung bei unter drei Sekunden liegen kann. Auch die Amortisationszeit kann sich sehen lassen: Beim ersten Anwender von GL-THTeasy beträgt sie etwa vierzehn Monate.

Die neue Roboterzelle punktet also gleich mit mehreren Faktoren, welche für ihren Einsatz sprechen: Innovation, Zuverlässigkeit, Effizienz und Zukunftsfähigkeit. Darum ist man sich bei Glaub und auch bei MVIS sicher, dass diese smarte Lösung in Zukunft viele weitere Unternehmen in der Elektronikfertigung davon überzeugen wird, den Prozessschritt der Bestückung von Leiterplatten mit dieser flexiblen und effizienten Methode zu automatisieren.