Kollaborativer Roboter übernimmt die THT-Bestückung

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Smart integriert – GLAUB fügt den ABB-Roboter YuMi platzsparend und einfach in Fertigungslinien ein und treibt damit die Automatisierung in neuen Produktionsbereichen der Elektronikfertigung voran.

In der automatisierten Baugruppenfertigung ist die Durchsteckmontage von Bauteilen (THT-Fertigung) eine der letzten arbeitsintensiven „Bastionen der Handarbeit“. THT-Bauteile (Through Hole Technology) sind Drahtbauteile, die zumeist von Hand mit ihren „Drahtbeinchen“ durch Löcher in einer Leiterplatte gesteckt und damit zum Verlöten platziert werden. Bei dieser Aufgabe kann der Zweiarm-Roboter YuMi von ABB seine Talente ausspielen. Durch die parallele Bestückung von zwei Leiterplatten, mit derzeit jeweils bis zu zwei verschiedenen Bauteilen, hält die Lösung auch mit kurz getakteten Fertigungslinien Schritt.

Die Automatisierung manueller Arbeitsprozesse ist eine der Kernkompetenzen von GLAUB Automation & Engineering aus Salzgitter. Mit der Entwicklung und Implementierung eigener App- und Software-Lösungen sowie der Anbindung an die Betriebs- und Prozess-Leitebene (MES/SPS) im Bereich der Fertigungs-IT, bietet GLAUB das komplette Knowhow als Systemintegrator. Das Unternehmen hat in einem mehrstufigen Prozess die Aufgabenstellung der THT-Fertigung im Detail analysiert und die technischen Hindernisse für einen automatisierten Prozess identifiziert. Bisherige Ansätze für eine robotergestützte Automatisierung dieses manuellen Prozesses, die andere Unternehmen auf Messen und online präsentiert haben, klammern die Anlieferung- und Bereitstellung der zu platzierenden Bauteile weitestgehend aus.

Beides, Anlieferung und Bereitstellung des Materials, sind jedoch eine große Herausforderung für einen automatisierten Prozess. Ein Hindernis für die weitere Bearbeitung ist beispielsweise, wenn Kondensatoren in loser Schüttung angeliefert werden. Tiefgezogene Folienblister, bei denen die Blister selbst Instabilitäten und Lageungenauigkeiten aufweisen, machen den Prozess ebenso schwierig. Die Lagetoleranz der Bauteile im Blister, die zusätzlich durch eine mögliche Verdrehung der Kondensatoren um ihre Rotationsachse verkompliziert wird, erhöhten die Komplexität für die Techniker und Programmierer von GLAUB weiter.

Auch Toleranzen waren ein wichtiges Thema bei der Prozessanalyse: Bauteiltoleranzen vor allem in den Abständen der „Drahtbeinchen“, Fertigungstoleranzen der Leiterplatten sowie Lagetoleranzen der Leiterplatten in den Werkstückaufnahmen bzw. Bestückungspositionen. Nicht zuletzt mussten die Programmierer auch die Systemtoleranz mit berücksichtigen, die sich aus der Messungenauigkeit der verwendeten Kamerasysteme und der Wiederholgenauigkeit des Roboters ergibt.

Präzision und Flexibilität gefragt

Zu diesen zahlreichen unterschiedlichen Toleranzen, die YuMi im Bereich weniger Zehntelmillimeter ausgleichen und meistern muss, gesellten sich weitere Herausforderungen. Diese lagen vor allem im Bereich der Produktvarianz: Einerseits müssen Elektronikfertiger verschiedene Produkte oder Produktstände, etwa auf Basis von Leiterplatten-Grundlayouts, realisieren. Andererseits sinken jedoch die Losgrößen durch veränderte Fertigungsprozesse auf Endkundenseite durch mehr, aber kleinere Bestellungen. Um eine höheren Produktmix bei sinkenden Fertigungslosen zu meistern, muss YuMi zusätzlich verschiedene Bestückmuster von Leiterplatten beherrschen und unterschiedliche THT-Bauteile sicher greifen und platzieren können.

Was jedoch der Mensch fast intuitiv „mal eben so ankantet und reindreht“, stellte den Roboter in der Gesamtsituation einschließlich der vorgegebenen Taktzeitrestriktionen vor erhebliche Herausforderungen. Eine eingehende Analyse und diverse Tests unter unterschiedlichsten Bedingungen ebneten den Weg zu einer durchgängigen, prozesstauglichen Automatisierung.

Der kollaborative Roboter YuMi platziert mit jedem seiner zwei Arme innerhalb weniger Sekunden Bauteile auf den Leiterplatten und bedient damit auch kurz getaktete Fertigungslinien. Die Automatisierung der THT-Leiterplattenbestückung entlastet Mitarbeiter von anstrengenden, monotonen Arbeiten und macht Bestückarbeitsplätze effektiver. Die kompakte Bauweise von YuMi vereinfacht dabei die Integration in bestehende Anlagen- und Liniensegmente und sorgt für eine unkomplizierte Integration – egal, ob YuMi den Platz vor der Anlage als „Kollege Roboter“ einnimmt oder sich in die Anlagen- und Linienstruktur einfügt.

„Umsichtiger und kommunikativer Kollege“

Mit zusätzlichen Kameras ausgestattet, wird YuMi zu einem im wahrsten Sinne des Wortes „umsichtigen Kollegen“, der nicht nur punktgenau Bauteile platziert, sondern auch präzise Aufgaben der Qualitätssicherung übernimmt. So werden ausschließlich vollständig bestückte Leiterplatten für den nächsten Arbeitsschritt freigegeben und je nach Anforderung der Anlagen- und Fertigungsperipherie auch als i.O.-bearbeitet an die Leittechnik gemeldet. Für die Anbindung an seine Arbeitsumgebung hält der Roboter entsprechende Schnittstellen bereit. Als Option für künftige Anwendungen ist eine direkte Anbindung der Robotersteuerung an weitere Systeme, etwa das CAD-CAM-System einer Fertigungsplanung oder Arbeitsvorbereitung, möglich.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Vergleichsweise niedrige Einstiegsinvestition

Roboterlösungen bieten Potenzial für sehr unterschiedliche Bereiche der Elektronikfertigung. Die Bestückung von Leiterplatten mit THT-Bauteilen über vollautomatisierte Anlagen ist jedoch sehr komplex und in der Regel mit einem hohen Rüstaufwand bei jedem Produktwechsel verbunden. Die Investitionskosten für eine solche Lösung können rasch im hohen sechs- bis siebenstelligen Bereich liegen. Die von ABB und GLAUB erstellte Lösung ist dagegen mit einer vergleichsweise niedrigen Einstiegsinvestition umsetzbar. Für den Einsatz von YuMi sprechen auch der geringe Platzbedarf und die schnelle Umrüstbarkeit der Lösung. Der Roboter ist darüber hinaus sehr flexibel: So lässt er sich beispielsweise als mobile Einheit ortsflexibel in eine agil gestaltete Fertigungsumgebung einbinden.

* Jürgen Stühler ist tätig im Bereich Marketing / Kommunikation bei ABB Automation in Friedberg.

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