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04.04.1986

Montageroboter in der Elektronikfertigung:Automatisierungspotential noch nicht voll erschlossen

In der Elektrotechnik und insbesondere in der Elektronik fand in den letzten 30 Jahren eine so schnelle und tiefgreifende technische Veränderung der Produkte statt, daß die Fertigung in weit geringerem Maße rationalisiert und automatisiert werden konnte als beispielsweise in der Automobilindustrie. Den relativ hohen Montagekosten wurde vielfach durch eine Verlagerung der Fertigung in "Billiglohnländer" Rechnung getragen.

In der Serienmontage elektronischer Produkte sind derzeit 286 000 Arbeitskräfte beschäftigt [1]. Damit weist die Branche Elektrotechnik ungefähr doppelt so viele Montagearbeitskräfte auf wie die Automobilindustrie und der Maschinenbau.

Die Situation in der Elektrotechnikindustrie ist geprägt durch die beiden Automatisierungshemmnisse [2]:

- kurze Produktionslaufzeit der Produkte (kurze Innovationszyklen) und

- große Variantenzahl.

Eine "starre" Automatisierung hat nur bei Massenprodukten wie Zündkerzen, Glühbirnen, Schaltern und dergleichen stattgefunden.

Durch die Anwendung der Mikroelektronik und neue Handhabungskomponenten stehen heute jedoch flexible Betriebsmittel zur Verfügung, die eine Automatisierung trotz der oben angeführten Hemmnisse ermöglichen. Zudem ist die Elektrotechnikindustrie gekennzeichnet durch Faktoren wie:

- hohe Jahresstückzahlen der Produkte

- geringe Größe und geringes Gewicht der Einzelteile und der Endprodukte,

- hohe Genauigkeit der Einzelteile und

- gute "Montierbarkeit" der Produkte und damit eine Begünstigung der Automatisierung [1]

Entsprechend wird derzeit in der Elektronikindustrie neben der Produktentwicklung und -gestaltung die Mechanisierung und Automatisierung als wichtigste Rationalisierungsreserve für die Montage betrachtet (Bild 1). Dies ist auch mit dem hohen Montageaufwand der Produkte, bezogen auf die Herstellkosten, zu erklären.

Montageaufgaben, für die derzeit schon flexible programmierbare

Montagesysteme verwendet werden, sind die

- Leiterplattenbestückung mit Sonderbauelementen,

- Laufwerkmontage für Kassettenrecorder,

- Montage von Schützen,

- Nachlöten von Lötstellen,

- Montage von Magnetplatten im Reinraum,

- Montage von Tastaturen (Keyboards),

- Baugruppen für elektrische Schreibmaschinen .

Derartige hochflexible Montagesysteme, die meist mit Montagerobotern als zentrale Komponente verwirklicht werden, sind noch nicht sehr verbreitet. Insgesamt sind in der Bundesrepublik Deutschland derzeit nur 452 Montageroboter installiert, davon etwa 1/3 in der Elektrotechnikindustrie.

Je nach Bauelementetyp werden mit hochautomatisierten Montagesystemen sehr hohe Bestückraten erreicht (3):

- 7000 ... 30 000 Stück pro Stunde für axiale Bauelemente,

- 7000 Stück pro Stunde für radiale Bauelemente,

- 2000 ... 100 000 Stück pro Stunde für oberflächenmontierbare Bauelemente ohne Drahtanschlüsse.

Im Vergleich hierzu liegt die Bestückrate, die an einem manuellen Arbeitsplatz erreicht werden kann, zwischen 400 und 700 Bauelementen je Stunde. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die hohen Bestückraten der Automaten nicht nur auf hohe Verfahr- und Positioniergeschwindigkeiten zurückzuführen sind, sondern auch durch die Verwendung mehrerer "Bestückköpfe" erreicht werden. Wichtigste Voraussetzung für hohe Bestückraten ist immer, daß die Bauelemente in gegurteter Form angeliefert werden, mit Ausnahme der oberflächenmontierbaren Bauelemente. Diese können alternativ auch in Schachtmagazinen oder Schienen angeliefert werden. Das Bereitstellen der Bauelemente vor Bestückautomaten als Schüttgut kommt nur in Ausnahmefällen vor.

Mit Standardbestückautomaten lassen sich Leiterplatten bis zu 80 Prozent maschinell vervollständigen [4]. Der restliche Montageinhalt, das Bestücken der Sonderbauelemente, wird derzeit meist manuell durchgeführt. Dies bedeutet, daß die Montagekosten für die Restbestückung der Sonderbauelemente überproportional hoch liegen.

Bei einer amerikanischen Firma sind die Bestückungskosten für ein Sonderbauelement viermal höher als die eines automatisch bestückten Standardbauelementes [5].

Typische Sonderbauelemente sind (Bild 2:)

- große Kondensatoren (radiale und axiale Blockkondensatoren),

- axiale Widerstände und Dioden für hohe Leistungen,

- DlP-Bauelemente (mehr als 40 Beinchen)

- Hybridbauelemente,

- Transistoren,

- Stecker in unterschiedlichen Ausführungsformen,

- oberflächenmontierbare integrierte Schaltelemente (Flatpacks),

- Transformatoren,

- Relais,

- Potentiometer,

- Wärmeableitbleche.

Nach wie vor werden auch heute noch viele Standardbauelemente mangelhaft bestückt. Herkömmliche marktgängige Bestückautomaten werden hier wegen ihrer mangelnden Flexibilität nicht benutzt, da:

- nur geringe Jahresstückzahlen von Leiterplatten und

- keine Losgrößen vorliegen,

- geringe Anzahl von Bauelementen je Leiterplatte und der jeweiligen Bauelementtypen und

- eine hohe Anzahl von Leiterplattenvarianten bestückt werden muß.

In diesem Fall sind auch Standardbauelemente für das Bestücken mit Montagerobotern interessant.

Der Bestückungsvorgang kann in fünf Teilaufgaben unterteilt werden:

- Zuführen der Bauelemente und Leiterplatten,

- Bauelementvorbereitung,

- Fügen,

- Befestigen des Bauelementes,

- Prüfen

Für die meisten Sonderbauelemente muß eine andere Fügemethode angewendet werden als bei Standardbauelementen. Diese werden an den Beinchen gegriffen und auf das genaue Rastermaß verformt. Bei Sonderbauelementen ist dies nur in seltenen Fällen möglich. Die Beinchen der Sonderbauelemente sind meist nicht so ausgebildet, daß sie als Greiffläche benutzt werden können, wie dies zum Beispiel bei Bauelementen mit federnden "Beinchen" möglich ist. Auch kleine Fügefreiräume bei hohen Packungsdichten auf der Leiterplatte verhindern ein mögliches Greifen direkt an den Beinchen. Deshalb muß der Bestückungsroboter die Bauelemente an den Außenkonturen greifen. Bei der Bestückung von Sonderbauelementen müssen also zusätzlich berücksichtigt werden die Einflußgrößen:

- Bauelementetoleranz,

- Genauigkeit der Bauelementbereitstellung,

- Genauigkeit der Ausrichtung der Beinchen (sie sollten nicht verbogen sein).

Hinzu kommt die gegenüber dem Bestückautomat geringere Positioniergenauigkeit von Montagerobotern bei direkter Eingabe der Bestückkoordinaten (Off-line-Programmierung). Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von Montagerobotern mit Drehachsen, da hier zur Positionierung eine Koordinatentransformation durchgeführt werden muß.

Die genannten Einflußgrößen machen letztlich das genaue Positionieren der Beinchen zur jeweiligen Leiterplattenbohrung unsicher, so daß bei der Sonderbauelement-Bestückung ein "blindes" Anfahren nicht möglich ist. Für diese Problemstellung sind aus wirtschaftlicher Sicht derzeit nur wenige sinnvolle Lösungen bekannt:

- Lagebestimmen der Beinchen über ein Bildverarbeitungssystem,

- Lagekorrektur der Beinchen durch eine Richtstation,

- Fügen der Bauelemente bei schwingender Leiterplatte (Bild 3).

Bei allen drei Lösungen ist noch ein erheblicher Entwicklungsaufwand notwendig, da die jeweilige Fügemethode auch auf die unterschiedlichen Bauelementtypen abgestimmt werden muß.

Die Bauelementzuführung und -vorbereitung sind eng miteinander verknüpft, so daß beide als eine Teilaufgabe gesehen werden können. Während bei gegurtet angelieferten Bauelementen, zum Beispiel bei Blockkondensatoren, die Beinchen gebogen und gekürzt werden müssen, können Bauelemente wie Relais und Stecker ohne Vorbereitung bestückt werden.

Gegurtete Bauelemente können durch entsprechende Zuführgeräte "robotergerecht" bereitgestellt werden. Bei hohem Arbeitsinhalt des Bestückroboters, wenn also viele unterschiedliche Bauelemente bestückt werden müssen, erfordern die Zuführgeräte einen großen Roboterarbeitsraum. Dies kann durch ein vorheriges Umgurten der Bauelemente in der Reihenfolge der Bestückung umgangen werden. Der kommissionierte Gurt mit den unterschiedlichen Bauelementen benötigt nur ein programmierbares Zuführgerät. Eine weitere Möglichkeit ist das vorherige Kommissionieren der gegurteten Bauelemente in Flachmagazine. Hierfür ist jedoch eine aufwendige Kommissionierstation nötig (6).

DIP-Bauelemente werden bereits in Schachtmagazinen angeliefert und können so relativ einfach bereitgestellt werden. Mit einem programmierbaren Zuführgerät können unterschiedliche Schachtmagazine (Bild 4) je nach benötigtem Bauelementtyp angewählt und das Bauelement von dort in die Bereitstellungsposition zugeführt werden. Nicht gegurtete Sonderbauelemente (Bild 2) können häufig ebenfalls in Schachtmagazinen bereitgestellt werden. Im Gegensatz zu DIP-Bauelementen ergibt sich hier die Problematik des Befüllens der Schachtmagazine als ein dem Bestücken vorgelagerter Arbeitsvorgang. Längerfristig ist hier ein Umdenken notwendig. Dieser Arbeitsvorgang sollte bereits beim Hersteller durchgeführt werden, wo er keine nennenswerten Kosten verursacht.

Nicht gegurtete und nicht stapelbare Sonderbauelemente können in Flachmagazinen bereitgestellt werden. Nachteilig ist hier der hohe Platzbedarf im Arbeitsraum des Montageroboters. Viele Bauelemente, insbesondere Relais, werden derzeit schon von Herstellern in "robotergerechten" Flachmagazinen angeliefert.

Die Mehrheit der Sonderbauelemente kommt aber derzeit noch als Schüttgut an den Bestückarbeitsplatz. Eine automatische Zuführung über Vibrationswendelförderer ist nur in Einzelfällen möglich, da die Gefahr der Beschädigung von Bauelementen besteht. Die geringe Flexibilität dieser Zuführtechnik erlaubt zudem nur eine wirtschaftliche Anwendung bei hohen Jahresstückzahlen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das automatische Bestücken von Sonderbauelementen häufig weniger am Fügen und Handhaben scheitert, als an der Bauelementebereitstellung. Für eine breite Anwendung von Montagerobotern zur Bestückung muß die Flexibilität der Peripherie der des Montageroboter angepaßt werden [7]. Hierzu sind noch große Entwicklungsanstrengungen nötig.

Durch Umbiegen der Beinchen unter der Leiterplatte können Bauelemente auf der Leiterplatte befestigt werden. Dieser, insbesondere bei manueller Bestückung, aufwendige Vorgang ist notwendig um:

- bei nachfolgender Handhabung der Leiterplatten und beim Löten im Lötbad die Bauelemente zu sichern,

- den hohen Anforderungen bei der Industrie- und Militärelektronik zu entsprechen.

In einer flexiblen Bestückungszelle für Sonderbauelemente muß das Biegewerkzeug für Biegewinkel zwischen 0 und 90 Grad und für unterschiedliche Rastermaße ausgestattet sein. Bei großen Leiterplatten muß das Biegewerkzeug zusätzlich eine Abstützfunktion übernehmen, um eine Durchbiegung der Leiterplatten beim Fügen zu verhindern.

Bei der Bestückung durch Standardautomaten ist der Biegevorgang mit feststehendem Biegewerkzeug möglich, da hier die Leiterplatte durch einen X-Y-Tisch positioniert wird. Bei der Bestückung mit Montagerobotern ist die Leiterplatte feststehend. Hier muß das Biegewerkzeug gleichzeitig zum Montageroboter zur Bestückposition unter die Leiterplatte gebracht werden. Relativ steuerungsaufwendig ist die Verknüpfung der Bewegungen von Biegewerkzeug und Montageroboter. Ein Einbezug der Steuerung für die zweifache Biegewerkzeugbewegung in die Montagerobotersteuerung brächte hier erhebliche Vorteile.

Anforderungen an Montageroboter

Eine Hauptanforderung beim Bestücken ist eine sehr genaue und gleichzeitig sehr schnelle lineare Bahnbewegung in Z-Richtung (senkrechte Fügerichtung). Montageroboter mit einer linearen Achse in Z-Richtung erfüllten diese Anforderung problemlos (Bild 5).

Neben einer hohen Beschleunigung und Verfahrensgeschwindigkeit ist auch eine hohe Wiederholungsgenauigkeit von mindestens ±0,05 Millimeter notwendig. Ein Handhabungsgewicht von fünf Kilo ist ausreichend. Bei hochflexiblen Bestückungssystemen ist eine Programmierung durch Stützpunktanfahren (teach in) des Montageroboters nicht mehr sinnvoll. Bei der nun notwendigen prozeßentkoppelten (Off-line)Programmierung der Bestückpositionen kommt die Forderung nach einer Positioniergenauigkeit von ±0,05 Millimeter hinzu. Diese Toleranz wird bislang nur von sehr wenigen Montagerobotern eingehalten.

Anwendungen in der Elektronikmontage

Eine weitere wichtige Anforderung sind Schnittstellen zu Bildverarbeitungssystemen und taktilen Sensoren, um Bestückpositionen oder den Nullpunkt des Werkstückkoordinatensystems während des Programmablaufs zu korrigieren. Auch diese Forderung wird nur von wenigen Montagerobotersteuerungen erfüllt. Die Steuerung sollte weiterhin eine Fehlerfunktion mit automatischer Fehlerbeseitigung enthalten.

Eine Montagezelle, in der auch Standardbauelemente bestückt werden können, ist im Bild 4 dargestellt. Der Montageroboter ist mit einem Greiferwechselsystem ausgerüstet und kann so unterschiedliche Bauelemente bestücken. Die umfangreiche Peripherie, im Bild 6 jedoch ohne Zuführsystem für Leiterplatten, erlaubt das Bereitstellen eines großen Bauelementspektrums.

Aufgrund der hohen Genauigkeit des Montageroboters und der hohen Maßhaltigkeit der bereitgestellten Bauelemente konnte auf Sensoren verzichtet werden.

Bei der im Bild 6 dargestellten Bestückungsstation handelt es sich um einen Laboraufbau. Der hier verwendete Montageroboter hat eine sehr leistungsfähige Steuerung, die eine besonders hohe Genauigkeit des Gerätes ermöglicht. Dabei wird nicht nur eine Wiederholabweichung von ±0,05 Millimeter, sondern auch eine Positionierabweichung von ±0,05 Millimeter innerhalb einer Verfahrstrecke von rund 300 Millimeter erreicht. Dies ist möglich durch eine programmseitige Kompensation der:

- Fertigungstoleranzen des Montageroboters bei der Berechnung der Drehwinkel und Drehachsen.

- Toleranzen infolge Temperatureinfluß und unterschiedlicher Handhabungsgewichte.

Weiterhin kann ein Bildverarbeitungssystem in die Robotersteuerung einbezogen werden. Damit können Leiterplatten- und Bauelementtoleranzen erkannt und die entsprechenden Positionskorrekturen an die Robotersteuerung weitergegeben werden.

Eine typische Reinraumanwendung ist der Industrierobotereinsatz bei der Handhabung von Siliziumscheiben (wafers), die für die Herstellung hochintegrierter elektronischer Schaltbausteine nötig sind. Diese Siliziumscheiben, deren Durchmesser rund fünf Zoll (= 125 Millimeter) beträgt, müssen zwischen den einzelnen Fertigungsschritten, in denen die chemischen und optischen Bearbeitungsverfahren ablaufen, gehandhabt werden. Bisher wurde die Handhabung der Siliziumscheiben innerhalb einzelner Anlagen von besonderen, den Reinraumbedingungen angepaßten, einfachen und starren Verkettungsmitteln übernommen. Die Verwendung flexibler Handhabungsgeräte (Industrieroboter) erscheint zunehmend interessant, da:

- auch außerhalb der Massenfertigung die Handhabung automatisch ablaufen soll (Reinraumbedingungen),

- die Verkettung der einzelnen Anlagen ebenfalls automatisiert werden soll, weil die kapitalintensiven Anlagen eine möglichst dreischichtige Auslastung notwendig machen.

Verschiedene Roboterhersteller, insbesondere in den USA und in Japan, sehen in diesem Bereich einen Schwerpunkt ihrer zukünftigen Aktivitäten.

Bei der Gestaltung des Greifers für eine Siliziumscheibe ist dabei entscheidend, daß:

- die Greiferbacken keinen hohen Anpreßdruck ausüben,

- bei dem Greifvorgang keine Gleitbewegung zwischen der Greiferbacke und der Scheibe entsteht,

- die Siliziumscheibe senkrecht und waagerecht gehandhabt werden kann.

Der Greifer im Bild 6 kann eine Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 100, 125 und 150 Millimeter handhaben, er hat hierfür einen programmierbaren Greiferhub. Die Scheibe wird dabei mit vier Saphirstiften aufgenommen. Das Aus- und Einfahren der äußeren beiden Saphirstifte wird durch einen Gleichstrommotor mit Hilfe einer Wegerfassung vorgenommen. Auf dem Stahlband ist eine Dehnmeßstreifen-Vollbrücke (DMS) angeordnet, so daß kleinste Kräfte, die auf die äußeren Saphirstifte wirken, erfaßt werden können. Damit wird eine mögliche Kollision, die ein Zerbrechen der Siliziumscheibe und damit eine Verschmutzung des Raumes zur Folge hätte, verhindert. Die Anwesenheitskontrolle innerhalb des Greifers wird durch einfache Lichtschranken erreicht.

Im Bereich der elektronischen und elektrotechnischen Konsum- und Investitionsgüter wird in den nächsten Jahren ein Schwergewicht des Montagerobotereinsatzes liegen, dies nicht zuletzt wegen der hohen Stückzahlen im Bereich der Elektrotechnik, die eine wirtschaftliche Montageautomatisierung erlauben.

In den meisten Branchen des produzierenden Gewerbes hält der Trend zur Ablösung der Mechanik durch Elektronik an. Dabei wird zwar der Montageumfang insgesamt verringert, für die verbleibenden Tätigkeiten dürfte jedoch der Industrieroboter oft ein ideales Automatisierungsmittel sein, da das automatische Bestücken elektronischer Bauelemente eine relativ einfache Aufgabe darstellt.

Für eine weitergehende Anwendung der Industrierobotertechnik in der elektrotechnischen Fertigung sind jedoch noch einige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig. Der Anwender fordert hier kurze Taktzeiten und Positionierabweichungen zwischen 0,02 ... 0,001 Millimetern.

Es darf jedoch nicht übersehen werden, daß die weitere Entwicklung der Montageroboter wegführt von dem universell verwendbaren Gerät und auf eine aufgabenspezifische Optimierung abzielt. Nur durch eine Anpassung der wichtigsten Leistungsmerkmale wie Arbeitsraum und Handhabungsgewicht des Industrieroboters an die jeweilige Aufgabe kann eine technisch und wirtschaftlich optimale Lösung erreicht werden.