Zrobotyzowana stacja do lutowania przewlekanego o nowych możliwościach programowania

Technologia montażu powierzchniowego komponentów elektronicznych została zastosowana na szeroką skalę w latach 80. ubiegłego wieku. Jej rozwój został wymuszony miniaturyzacją elektroniki, w wyniku czego ręczny montaż elementów elektronicznych stał się niewystarczający z uwagi na szybkość i wymaganą precyzję oraz powtarzalność.

Mimo upływu lat na wielu płytkach elektronicznych wciąż muszą być montowane różnorodne elementy w technologii przewlekanej (THT), takie jak rezystory i cewki, złącza, kondensatory elektrolityczne o dużych pojemnościach i końcówki przyłączeniowe. Dlatego montaż przewlekany nie może być całkowicie wyeliminowany z produkcji układów elektronicznych. W wielu przypadkach wciąż wykonywany jest ręcznie.

Platforma sprzętowa

Rys. 1. Zrobotyzowana stacja lutownicza Reeco

Na rynku pojawiły się i są obecnie dostępne specjalne stacje do automatycznego lutowania elementów przewlekanych, w których elementem wykonawczym jest typowy robot przemysłowy. Bardzo ważnym problemem w ich stosowaniu jest dość skomplikowane i czasochłonne programowanie. Aby to zadanie nie ograniczało możliwości stosowania takich nowoczesnych urządzeń, Renex wspólnie z Politechniką Poznańską opracował i zbudował nową, zrobotyzowaną stację do lutowania elementów przewlekanych (rys. 1).

Z uwagi na wymogi rynku i możliwości transportu przyjęto, że stacja będzie mieściła się na palecie DIN o wymiarach standardowych. Jako konstrukcję nośną zastosowano ramę przestrzenną o profi lu kwadratowym, co zapewniło dużą sztywność oraz masę stacji. We wnętrzu profilu głównego poprowadzono wszystkie przewody z przestrzeni roboczej do wnętrza szafy sterowniczej.

Konstrukcja ramy została zoptymalizowana dzięki zastosowaniu modelowania MES. Po wykonaniu kilku wariantów zostały one przebadane doświadczalnie za pomocą systemu PONTOS. Celem tych prac było zweryfikowanie sztywności konstrukcji stacji lutowniczej podczas ruchu robota. Wyniki badań pokazały, że w trakcie pracy dynamicznej konstrukcja ramy nie odkształca się w mierzalnym zakresie, co zapewnia wysoką dokładność pozycjonowania całej stacji lutowniczej.

W najbardziej typowym wykonaniu, w stacji stosowany jest mały robot typu SCARA model R6YXGL600 (firmy Omron), na którego końcowym ramieniu zamocowana jest indukcyjna głowica lutująca. W innej opcji zamiast robota SCARA może być zastosowany robot kartezjański. Przeprowadzono badania powtarzalności pozycjonowania robota SCARA w różnych warunkach pracy. Pomiary wykazały, że dokładność pozycjonowania końcówki lutowniczej mieści się w katalogowych wartościach dla robota tj. ±0,01 mm dla wszystkich osi (XYZ).

Konstrukcja stacji została wykonana w taki sposób, aby mogła być ona elementem składowym złożonej linii produkcyjnej. Dlatego dostosowano ją do znormalizowanego interfejsu maszyn SMEMA, co pozwala na zunifikowane przekazywanie płytek drukowanych pomiędzy poszczególnymi maszynami, stosowanymi w procesie produkcji. Zastosowano też tzw. elektryczny interfejs międzymaszynowy.

Transport płytek lutowanych odbywa się z wykorzystaniem tzw. transportu krawędziowego. Płytka porusza się w tym systemie na dwóch cienkich taśmach prowadzonych wzdłuż boków prowadnic. Dzięki zastosowaniu niezależnego silnika do napędzania każdej z taśm możliwe jest dopasowanie szerokości toru do rozmiaru lutowanej płytki. Do sterowania szerokością toru prowadzenia zastosowano podwójne mechanizmy ze śrubą trapezową oraz wspólnym napędem śrub za pomocą paska zębatego i silnika krokowego.

W dalszej kolejności opracowano i zastosowano system realizujący zaawansowane funkcje bezpieczeństwa stacji i bezpieczną integrację z zewnętrznym systemem sterowania pracą robota. Wykorzystano w nim specjalne elementy oraz układ zapewnienia bezpieczeństwa. Dzięki przeprowadzeniu badań i wprowadzeniu odpowiednich parametrów układ spełnia wymagany stopień bezpieczeństwa SIL3.

Dane wejściowe z pliku Gerber...

Aby ułatwić proces programowania robota, opracowano oprogramowanie umożliwiające odczyt tekstowego pliku typu Gerber RS-274X, rozkodowanie zapisanych w nim informacji i przedstawienie rysunku graficznego odpowiadającego płytce drukowanej. Wykonany program umożliwia sprawdzenie kompatybilności i struktury pliku typu Gerber oraz jego zgodności ze standardem RS-274X. W oprogramowaniu został opracowany interpreter plików, którego zadaniem jest przygotowanie danych o położeniu punktów lutowniczych dla elementów typu przewlekanego.

Interpreter sprawdza też linia po linii poprawność pliku Gerber oraz wyświetla w formie tekstowej informacje o przebiegu tego procesu. W przypadku zgodności przeanalizowanego pliku ze standardem wyświetlona jest informacja potwierdzająca tę zgodność, a plik zostaje dodany do projektu i wyświetlony. Jeżeli plik lub jego część nie będzie zgodna ze standardem, to wczytywanie danych zostaje przerwane oraz wyświetlona zostanie informacja o błędach.

Po sprawdzeniu pliku Gerber program tworzy obraz płytki PCB, na której zaznaczone są linie odpowiadające ścieżkom połączeniowym oraz kółeczka oznaczające punkty do lutowania przewlekanego. W systemie sterowania stacją zaimplementowano moduł wyświetlania obrazów płytek na ekranie dotykowym, pobieranych z plików typu Gerber oraz do automatycznego określania i podpowiadania operatorowi punktów (współrzędnych XY) lutowania elementów elektronicznych. Na ekranie wyświetlane jest powiększone zdjęcie płytki PCB, a operator po wybraniu punktu ma możliwość zmiany położenia punktu myszką lub klawiaturą w celu ewentualnej korekty wskazania.

...lub pozyskane z systemu wizyjnego

Rys. 2. Widoki okien programu do: a) generowania współrzędnych punktów lutowniczych, b) określenia rotacji płytki

Opracowano także moduł z systemem wizyjnym do wykonywania zdjęć płytki drukowanej aparatem fotograficznym, kamerą internetową albo przemysłową i wyświetlania jej na ekranie. Algorytm detekcji zapewnia wstępną filtrację obrazu do wyznaczenia środków punktów lutowniczych.

Umożliwia on detekcję punktów do lutowania przewlekanego, które zaznaczone są w wyraźny sposób na ekranie. Operator ma możliwość wyboru wszystkich wyświetlonych albo tylko poszczególnych punktów lutowniczych za pomocą myszki bądź klawiatury lub pasywnego wskaźnika, który jest śledzony przez kamerę. Dzięki wykonaniu zdjęcia płytki i określeniu jej przesunięcia bądź odchylenia możliwa jest także ewentualna automatyczna korekcja wszystkich współrzędnych punktów lutowniczych.

Wynikiem działania algorytmu jest wygenerowanie współrzędnych punktów, wyświetlanych z lewej strony ekranu, które będą lutowane przez stację (rys. 2a). Punkty te zostają następnie zapisane i mogą być wprowadzone automatycznie do programu sterującego robotem. Okno programu pokazano na rysunku 2b. Wszystkie przesunięcia oraz rotacje są uwzględniane w aplikacji, a pozycje są obliczane na bieżąco po analizie całej klatki zdjęcia.

Lutowanie poprzez wskazanie

Dodatkowo zaprojektowano, wykonano i oprogramowano także specjalny wskaźnik z czujnikami określającymi jego kątowe położenie względem powierzchni ziemi. Dzięki jego zastosowaniu użytkownik może wskazywać poszczególne punkty lutownicze i ręcznie określać kierunek podejścia i kąt nachylenia głowicy lutującej.

Czujnik komunikuje się bezprzewodowo ze sterownikiem stacji, przesyłając za każdym naciśnięciem znajdującego się na nim przycisku dane o swym kątowym położeniu, które określają kątowe położenie głowicy w trakcie lutowania. Te nowatorskie metody pozwalają na znaczące uproszczenie i przyspieszenie procesu programowania zrobotyzowanej stacji do lutowania elementów przewlekanych.

Oprogramowanie sterujące

W dalszej kolejności zaprojektowano oraz zbudowano nowy układ sterowania stacją z robotem SCARA oraz napisano oprogramowanie sterujące robotem i stacją. Do sterowania, nastawiania i nadzorowania pracy stacji zastosowano dotykowy panel operatorski HMI. Jego ekran startowy podzielono na kilka okien, za pomocą których można monitorować pracę oraz zadawać parametry robocze stacji lutowniczej.

W oknie głównym użytkownik może podglądnąć podstawowe stany i parametry pracy. Ekran startowy aplikacji w HMI podzielono na kilka okien, z pomocą których można monitorować pracę oraz zadawać parametry robocze stacji lutowniczej. Szczegółowa konfiguracja parametrów pracy wykonywana jest za pośrednictwem okien wyświetlanych z uwzględnieniem mechanizmów autoryzacji dostępu typu użytkownik + hasło.

Okna podzielono zgodnie z funkcjonalnościami poszczególnych modułów stacji, tj. obsługą lutownicy, podajnika cyny, robota, transportu taśmowego i systemu sterowania azotem. W przypadku okna sterowania transportem krawędziowym płytki możliwa jest nastawa prędkości ruchu taśmy, bazowanie, parametry docisku płytki (na czas lutowania) itd.

Zrobotyzowana stacja do lutowania przewlekanego:

• jest wyposażona w transport krawędziowy płytek,
• ma automatyczne pozycjonowanie formatki/PCB,
• obsługuje komunikację SMEMA umożliwiającą pracę kilku urządzeń w linii,
• zapewnia automatyczne, programowalne podawanie spoiwa lutowniczego,
• pozwala na programowanie temperatury oraz czasu styku w procesie lutowania,
• ma możliwość pracy z różnymi typami grotów oraz czyszczenia grotów podczas pracy,
• ma prostą obsługę dzięki zastosowaniu 7-calowego panelu operatorskiego,
• zawiera system automatycznego wspomagania programowania stacji.

Renex
www.renex.com.pl