Neue Wege bei der automatischen Odd-Form-Bestückung

Durchgängige Automatisierung

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In vielen automatisierten Elektronikfertigungen wird bei der Bestückung exotischer Bauteile noch von den Mitarbeitern Hand an gelegt. Obwohl die automatisierte Odd-Form-Bestückung in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht hat, kam sie in ihrer Gesamtleistung nie an die der klassischen Bestückungsmaschinen heran. Ein neuer Ansatz ist die Kombination von Elementen aus der Robotik und der High-End-PCB-Bestückung.

Universal Instruments, Binghamton, USA

Der zunehmende Einsatz der Surface-Mount-Technik seit Anfang der 80er Jahre erwies sich als Katalysator für die Automatisierung in der Elektronikfertigung. Bis dahin war die Fertigung elektronischer Baugruppen im wesentlichen Handarbeit, und die Qualität der gefertigten Boards war abhängig von den Fertigkeiten des Personals in der Produktion. In der Folge brachte die Automation Herstellern, die nach Wegen zur Verbesserung der Produktivität, suchten, erhebliche Vorteile, die in Form von leistungsfähigeren, kostengünstigeren und zuverlässigeren Elektronikprodukten an die Kunden weitergegeben wurde. Der heftige und unbarmherzige Wettbewerb in der Elektronikindustrie zwang die Hersteller jedoch, weiter nach Möglichkeiten zu suchen, ihre Produktionskosten zu senken und in jedem Prozess-abschnitt die Wertschöpfung zu steigern. Selbst in den effizientesten modernen Fertigungslinien lässt sich immer noch etwas verbessern. Analysen zeigen, dass der größte Gewinn mit der Automatisierung der Bestückungsabschnitte zu erzielen ist, die in dem ansonsten vollautomatisierten Prozess immer noch als Inseln der Handarbeit existieren. Typisch für Handarbeit ist die Bestückung von Exotenbauteilen, die sich mit normalen Bestückungsmaschinen nicht so einfach verarbeiten lassen.
Die automatische Odd-Form-Bestückung wird wohl proportional mit der Elektronikfertigung wachsen. Der Bedarf entsteht aus der Notwendigkeit, die Fehlerquoten zu reduzieren, den Durchsatz zu erhöhen und die Probleme, die in Kosten und mangelnder Verfügbarkeit von Arbeitskraft liegen, zu lösen. Exotenbauteile werden auch vom Produktdesign mitbestimmt. Andere Faktoren, wie die zunehmende Integration der Endmontage in die Fertigung sowie der exponentiell wachsende Markt für Hand-Helds und tragbare Elektronikprodukte führen zu einem verstärkten Einsatz von Odd-Form-Komponenten.
Hohe Flexibilität verlangt
Aber es gibt immer noch Grenzen bei dem, was eine relativ spezialisierte „normale“ Bestückungsmaschine zu leisten vermag. An diese Grenzen stößt die Maschine, sobald sie wirklich exotische Bauelemen-te, wie komplizierte Steckverbinder oder große Kühlkörper, verarbeiten soll. Obwohl es natürlich möglich ist, dafür spe-zielle Komponentengreifer zu entwickeln, kann die Maschine damit sehr schnell so langsam werden, dass es nicht mehr wirtschaftlich ist, eine kostspielige Bestückungsmaschine für eine solche Aufgabe einzusetzen. Statt mehr Nutzen bringt sie mehr Kosten. Die Lösung, die Universal vorschlägt, sieht Maschinen vor, die speziell für solche Aufgaben konstruiert sind und den Anforderungen der Odd-Form-Bestückung gerecht werden.
Mehrere Systeme zur Automatisierung der Odd-Form-Bestückung sind in den vergangenen Jahren auf den Markt gebracht worden. Obwohl sie eine echte Alternative zur menschlichen Arbeitskraft darstellten, war keine davon die optimale Lösung. Verglichen mit den heutigen State-of-the-Art-Bestückern tendiert die Odd-Form-Automatisierung zu einem Mangel an Flexibilität, erfordert komplexe Programmierung, ist schwierig in der Bedienung und bietet wenig Möglichkeiten zur optischen Inspektion.
Eine neue Maschine von Universal Instruments verspricht jedoch, diese Einschränkungen aufzuheben. Die Polaris wurde zum ersten Mal Anfang des Jahres auf der Apex in Kalifornien gezeigt und vereint die Vorteile der Robotik mit denen der klassischen SMD-Bestücker. Die wesent-liche Stärke eines Roboters ist seine Fä-higkeit, in einem dreidimensionalen Arbeitsfeld zu agieren. Dies ermöglicht es ihm, Baugruppen zu bestücken, die – ver-glichen mit einer quasi zweidimensionalen Leiterplatte – eine deutliche Ausprägung in die dritte Dimension aufweisen. Man bezeichnet dies auch als Mehrebenen-Bestückung (Multi-Level Assembly). Außerdem ist im Vergleich zu menschlicher Arbeit die Bestückung durch Roboter sehr kostengünstig. Ein Roboter macht keine Fehler, wird nicht müde, hat keine freien Tage und verlangt keine Lohnerhöhung. Vorteile bieten Robotik-Systeme auch durch ihre offene Architektur, die aus technischer Sicht die Systementwicklung vereinfacht.
Kombination aus Roboter und Bestücker
Diese Vorteile reichen aber alleine gesehen nicht aus, den Roboter zu einer idealen Lösung für die Elektronikbestückung zu machen. Zum Beispiel muss die Bestückungsroutine dem Roboter in zeitaufwendiger manueller Arbeit und vor Ort beigebracht werden. Außerdem hat ein Roboter ein komplexes Benutzer-Interface und nur eingeschränkte Möglichkeiten der optischen Inspektion. Das schränkt die Flexibilität des Systems ein und erschwert die optimale Nutzung.
Universal hat die dem Roboter anhaftenden Schwächen ausgemerzt und an ihre Stelle den Funktionsumfang seiner Bestückungsmaschinen gesetzt. So bietet Polaris die CAD-gestützte Programmierung, eine benutzerfreundliche Schnittstelle und umfassende optische Inspektion. Sie arbeitet und bestückt wie ein Roboter in drei Dimensionen. Hard- und Software unterstützen die Z-Achsen-Bestückung. Mechanische Behinderungen des Bestückungsarmes und des Baugruppen-Transports sind weitgehend ausgeschlossen. Die Maschine nutzt ein Vision-System ähnlich dem der SMD-Bestücker. Es gibt aufwärts- und abwärtsblickende Kameras und die Software unterstützt die Mustererkennung für bedrahtete Bauelemente und Endmontage-Komponenten.
Die Systemprogrammierung ist einfach, da die Maschine nach CAD-Daten posi-tioniert und die exakte Ausrichtung durch das Vision-System gewährleistet wird. Eine Bahn-Programmierung ist nicht er-forderlich. Universal hat die Maschine modular aufgebaut, so dass der Kunde die für seine Anwendung erforder-lichen Optionen auswählen und Kosten sparen kann. Das modulare Feeder-In-terface erlaubt die Anpassung an denKundenbedarf. Externe Anschlüsse für Strom- und Druckluft-Versorgung sowie eingebaute Laufrollen gestatten es, die Polaris bei Bedarf einfach und schnell an einem anderen Platz in der Produk-tion einzusetzen. Beispielsweise kann die Polaris direkt hinter einem flexib-len Fine-Pitch-Bestücker stehen, um Teile wie Steckerleisten oder Odd-Form-THT-Komponenten zu bestücken. Ebensogut kann sie direkt vor dem Wellenlöten die noch verbliebenen Komponenten bestücken. Und schließlich kann die Polaris ganz am Ende der Fertigungslinie plat-ziert werden und verschiedene Aufgaben der Endmontage übernehmen – Gehäuse montieren, Schrauben setzen oder Etiketten anbringen.
Ein Beispiel aus der Praxis
Ein Beispiel liefert ein Hersteller für Automobiltechnik, der die Montage eines un-gewöhnlichen Winkelsteckers automatisieren wollte. Die Stecker wurden in Magazinstangen angeliefert und dann von Hand auf die Leiterplatte gesteckt. In Zusammenarbeit mit dem Bauteilelieferanten bewerkstelligte das Odd-Form-Applications-Team von Universal eine Überarbeitung der Magazinstange, so dass diese sowohl für den Versand, wie auch für die automatische Zuführung geeignet war. Sobald die neue Magazinstange vorlag, wurde die Anpassung an das existierende Stapel-Zuführmo-dul von Universal vorgenommen. Der Winkelstecker konnte sodann zugeführt, in die richtige Ausrichtung gedreht und an den Bestückungskopf zur Aufnahme und Plazierung befördert werden. Die Lösung für diesen Typ Winkelstecker wurde in Universals interaktiver Datenbank für Odd-Form-Applikationen ar-chiviert. Die Datenbank steht im Web und kann nach Komponentenart, Teilenummer oder anhand von Photos durchsucht werden. Ohne dicke Papierkataloge wälzen zu müssen, kann der Anwen-der so die Werkzeuge für Feeder und Bestückungsköpfe bestimmen und auswählen.
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