Como a robótica Delta otimiza e simplifica os processos de fabricação de produtos eletrônicos

Os robôs Delta são robôs relativamente pequenos empregados no manuseio de itens alimentícios para embalagens, produtos farmacêuticos para invólucros e eletrônicos para montagem. A precisão e a alta velocidade dos robôs os tornam ideais para estas aplicações. Sua cinemática paralela permite este movimento rápido e preciso ao mesmo tempo em que lhes dá uma aparência de aranha bem diferente da dos robôs de braço articulado.

Figura 1: O uso do braço de ligação robótico na linha de produção eletrônica com o efeito de iluminação. - banco de imagens (Fonte da imagem: Phuchit • Getty Images)

Os robôs Delta são normalmente (embora nem sempre) montados no teto para tomar conta das linhas de montagem e embalagem movimentando-se de cima. Eles têm um volume de trabalho muito menor do que um braço articulado e uma capacidade muito limitada de acesso a espaços confinados. Dito isto, sua rigidez e repetibilidade são bens no processamento de alta precisão de peças delicadas — incluindo semicondutores sendo montados.

Os robôs Delta no contexto

Os robôs industriais são amplamente categorizados como robôs móveis, manipuladores seriais, ou manipuladores paralelos.

Os robôs móveis incluem veículos terrestres autônomos (AGVs) e empilhadeiras automatizadas que são programados principalmente para mover materiais em torno de fábricas e armazéns.

Os robôs classificados como manipuladores seriais têm uma cadeia de elos cinemáticos ligando uma base fixa a um efetuador final; estes robôs incluem braços articulados e robôs cartesianos. Como a rigidez e a precisão posicional de cada ligação depende da ligação anterior, os manipuladores seriais são cada vez menos precisos e rígidos quanto mais longe a ligação estiver da base. Embora existam exceções, esta morfologia tende a limitar a precisão dos robôs de seis eixos a alguns milímetros ... e depois de se moverem rapidamente para uma nova posição e pararem, os efetuadores finais de tais robôs oscilarão por algum tempo antes de se assentarem.

Um tipo de manipulador serial utilizado em muitas das mesmas aplicações que os robôs delta é o braço articulado robótico de conformidade seletiva ou robô SCARA. São mecanicamente bastante simples com duas juntas giratórias alinhadas de modo que seus eixos sejam paralelos um ao outro e um terceiro eixo linear. As duas juntas giratórias proporcionam um posicionamento X-Y em um único plano, enquanto o terceiro eixo linear proporciona movimento na direção Z. Embora possam carecer da precisão dos robôs delta, os SCARAs são relativamente de baixo custo e podem executar tarefas muito rapidamente — mesmo em espaços confinados.

Figura 2: Um robô delta é um tipo de manipulador paralelo com três paralelogramos, todos conectados a um único corpo rígido na extremidade do efetuador final. A base de cada paralelogramo é acionada em um único grau de liberdade em relação à base do robô. Os robôs Delta são tipicamente montados no teto para suspender transportadores ou peças de trabalho de cima. (Fonte da imagem: Wikimedia Commons)

Em contraste com os manipuladores seriais, os robôs classificados como manipuladores paralelos (incluindo os robôs delta) têm múltiplas ligações cinemáticas conectando o efetuador final à base. Tal morfologia faz com que a estrutura seja muito mais forte, rígida e leve do que os tipos de robôs seriais. Sua estrutura leve, mas rígida, permite que os robôs delta acelerem rapidamente para fornecer ciclos de tempo muito curtos. Outro tipo de manipulador paralelo é a plataforma Stewart ou hexápode; estes proporcionam máxima rigidez, precisão e velocidade — muitas vezes para corrigir as vibrações em tempo real em aplicações ópticas de precisão.

Figura 3: É mostrada aqui uma célula de trabalho dotada de visão que emprega robôs delta, robôs SCARA e robôs móveis. O robô delta é de aço inoxidável e com classificação IP-67. (Fonte da imagem: KUKA)

Normalmente, cada paralelogramo em um robô delta é acionado por um motor elétrico rotativo através de atuação linear. (Robôs delta de baixo custo da série Igus Drylin utilizam uma configuração de acionamento linear menos comum). O acoplamento de paralelogramos restringe o efetuador final a apenas um movimento translacional. Isso transmite os mesmos graus de movimento que uma máquina cartesiana de três eixos, mas com uma estrutura muito mais rígida e leve. Uma vantagem adicional desta configuração é que a massa dos motores de acionamento está localizada na base (normalmente montada no teto), portanto todas as partes móveis do robô são elementos estruturais leves e passivos. Alguns robôs delta têm eixos rotativos adicionais montados em série no efetuador final para proporcionar quatro, cinco ou seis eixos de movimento.

Visão geral das aplicações de robôs delta

Os robôs Delta são amplamente utilizados em aplicações de "pick-and-place", isto é coleta e inserção para montagem de eletrônicos, bem como embalagens alimentícias e farmacêuticas. Quando um robô delta opera sobre um ou mais transportadores ou plataformas de montagem móveis, os itens são transportados ou conduzidos de outra forma para o volume de trabalho do robô. Em seguida, um sistema de visão identifica a localização exata das peças e as orientações para guiar o robô sobre onde e como agarrar ou operar de outra forma na peça.

Figura 4: Este robô delta acionado por servomotor se move a 200 ciclos por minuto em três graus de liberdade (DOFs) mais um eixo rotacional. Um controlador pode comandar os eixos destes robôs com tempo de resposta de 2 ms para sincronizar com transportadores e outras tarefas. Na verdade, outro delta-robô é o Quattro; ele tem quatro em vez de três paralelogramos conectando a base ao efetuador final para proporcionar alta rigidez e precisão de posicionamento em altas velocidades. (Fonte da imagem: Omron Automation)

Assim, o robô delta pode pegar um item e depois movê-lo para seu local desejado. Em seguida, ele pode colocar o item no local e orientação de destino. Por exemplo, um robô delta pode pegar componentes eletrônicos orientados aleatoriamente em uma esteira transportadora e montá-los em uma placa de circuito apresentada à célula de trabalho através de uma segunda esteira transportadora.

Múltiplos robôs delta, muitas vezes, trabalham simultaneamente ao longo de uma linha com duas esteiras transportadoras paralelas que se movimentam continuamente para tarefas pick-and-place instantâneas. Os sistemas de controle centralizados coordenam os sistemas de tais instalações — com grande dependência da visão de máquina para informar as rotinas de controle dos robôs. Cada operação individual de coleta e inserção pode levar apenas uma fração de segundo para ser concluída.

Com vários robôs delta operando ao mesmo tempo, é possível uma montagem e empacotamento muito rápidos.

Usos específicos de robôs Delta para a fabricação de eletrônicos

A fabricação de produtos eletrônicos depende de robôs delta para o transporte e manuseio de placas de circuito impresso (PCIs) e componentes, montagem de PCIs e montagem de dispositivos.

As PCIs são multicamadas de substratos não condutores e camadas de cobre. Os layouts dos circuitos são tipicamente impressos na placa com litografia; então o resto da camada de cobre é quimicamente corroído. Máscaras de solda não condutoras são então aplicadas para evitar que a solda faça a ponte entre componentes e trilhas de cobre posicionadas muito próximas. A montagem da PCI envolve a colocação e, depois, a soldagem de componentes através da tecnologia de furos passantes ou montagem em superfície (SMT). As PCIs mais antigas utilizavam apenas componentes de furos passantes, mas isso agora é incomum. Os componentes de furos passantes têm terminais inseridos através de furos na placa e são soldados no lado oposto para maior resistência mecânica, mas este processo extra os torna mais difíceis de montar. Não é de se admirar que os componentes SMT agora dominem para componentes menores; eles são muito mais adequados para a fabricação altamente automatizada em volume. Dito isto, algumas montagens de furos passantes ainda são frequentemente necessárias para componentes maiores, tais como capacitores, transformadores e conectores.

Figura 5: Placas eletrônicas passam por um transportador através de uma célula de trabalho de montagem. (Fonte da imagem: Getty Images)

Para ambos os tipos de fixação de componentes na PCI, a visão de máquina complementando um robô delta pode verificar a variação e orientação dos componentes, antes da instalação na placa. Para um alto rendimento, o cabeçote robótico pick-and-place pode ser projetado para processar vários componentes de uma só vez. Um efetuador final robótico também pode aplicar pasta de solda, e ainda outro pode aplicar calor para conectar eletricamente os componentes instalados. Caso contrário, os componentes podem ser fixados por uma técnica de soldagem por onda ... embora as máquinas para isso sejam caras e mais adequadas para a fabricação de volumes muito elevados. Ainda mais caro é como os componentes muito grandes para máquinas de inserção são muitas vezes montados manualmente em placas de semicondutores. A solda também pode precisar ser aplicada manualmente em locais de difícil acesso entre os componentes.

Para estes últimos, os robôs delta podem substituir operações manuais para colocar componentes maiores e soldar entre componentes.

Os robôs Delta também podem ser muito menos dispendiosos e muito mais fáceis de configurar do que as máquinas pick-and-place do tipo cartesianas. Afinal, estas últimas são grandes e pesadas — semelhantes às máquinas operatrizes de CNC. Os sistemas cartesianos são difíceis de mover e, após serem movidos, podem exigir uma recalibração dispendiosa e demorada. Em contraste, os robôs delta são pequenos e leves o suficiente para se realocarem com bastante frequência. Após a instalação no novo local, eles simplesmente executam uma simples rotina de autocalibração e depois retomam a operação.

Figura 6: Alguns robôs delta manobram através de cinco eixos para orientar objetos de todos os tipos. O IRB 365 mostrado aqui pode classificar, alimentar, coletar, reorientar e inserir produtos de 1 kg a 120 coletas por minuto — satisfazendo as exigências das instalações de produção que necessitam de alto rendimento e eficiência. Comandado por um controlador compacto de robô-delta chamado OmniCore, o sistema oferece desempenho no controle de movimento, conectividade digital e mais de mil funções programadas. (Fonte da imagem: ABB)

As opções de robôs Delta são abundantes. A Codian Robotics é especializada apenas em robôs delta, ao contrário da maioria dos fabricantes de robôs industriais que produzem principalmente robôs de braço articulado. Os robôs delta do fornecedor oferecem cargas úteis de 1,5 a 125 kg para executar a montagem de peças eletrônicas minúsculas para projetos muito maiores. A parceria da Mitsubishi Electric combina robôs delta Codian com controladores Mitsubishi.

Os robôs delta da ABB são produzidos sob a marca FlexPicker. O modelo atual é o IRB 360, um robô delta com dois eixos rotativos auxiliares em série no efetuador final para movimento de cinco eixos. Estes robôs são otimizados para operações de pick-and-place.

A Fanuc produz robôs delta em duas linhas. A série M inclui pequenos robôs utilizados para a montagem de peças pequenas (mais comumente eletrônicas), bem como robôs maiores. Os robôs da série M estão disponíveis em configurações de três, quatro e cinco eixos. Os robôs da série DR-3iB são robôs maiores de quatro eixos projetados para operações de coleta e embalagem, com velocidades de movimento de até 5,5 m/s e cargas úteis de até 8 kg.

Conclusão

Os robôs Delta fornecem automação acessível e flexível para a fabricação de eletrônicos. Muitas vezes proporcionam maior velocidade e mais flexibilidade do que outras robótica e máquinas automáticas de pick-and-place.