Elektronische Bauteile zuführen und vereinzeln: Tray, Magazin, Stanzband und Rüttler

Bevor ein Roboter ein elektronisches Bauteil greifen kann, muss feststehen, wie das Teil vor ihm liegt. In der Elektronikfertigung ist das selten die Frage nach dem Griff in die Kiste. Die Teile kommen im Tray, im JEDEC-Magazin, in der Kassette, im Blister, auf dem Werkstückträger oder hängen noch im Stanzband. Die eigentliche Aufgabe heißt damit Vereinzeln und Präsentieren. In dokumentierten Projekten wird sie oft zuletzt geplant, obwohl sie Greifer, Kameraposition und Takt der ganzen Zelle festlegt. Dieser Beitrag geht die Zuführformen durch, die in der Anwendungspraxis wirklich vorkommen, und nennt die Angaben, die eine Zuführstation braucht, bevor Hardware ausgewählt wird.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine Gitterbox voller ungeordneter Teile ist in der Elektronik die Ausnahme, und in einer dokumentierten Anwendung ist statt des direkten Greifens aus dem Behälter eine zentrale Vereinzelungsstation mit rund 30 s Takt vorgesehen, weil ohnehin jede nachgelagerte Maschine ein Tray erwartet.
Im Tray hat jedes Bauteil eine Sollposition, und genau das verleitet zum blinden Greifen, denn Taschen haben Spiel, Trays verziehen sich, Teile kippen in der Tasche und gestapelte Trays verschieben sich gegeneinander, weshalb eine All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS Lage und Drehlage liefert.
Auf der Rüttlerfläche sucht die Kamera nicht jedes Teil, sondern mindestens ein greifbares, das frei liegt, dessen Drehlage bestimmbar ist und das mit der richtigen Seite nach oben zeigt, und ebenso wichtig ist die Meldung, dass gerade keines greifbar ist, damit die Zuführung erneut schüttelt.
Schwarzes Bauteil im schwarzen Inlay ist der Normalfall, deshalb werden Lichtrichtung, Diffusität, Dunkelfeld und eine mögliche Hinterleuchtung der Taschenkante vor Auflösung und Kamera festgelegt und mit Originaltrays und Teilen aus dem laufenden Prozess getestet.
Eine feste Ablagereihenfolge setzt ein leeres und unangetastetes Zieltray voraus, robuster ist die Frage vor jeder Ablage, welcher Platz frei ist, ergänzt um die beiden Meldungen Zieltray voll und Quellmagazin leer.

Warum Elektronikbauteile selten aus der Kiste kommen

Eine Gitterbox voller ungeordneter Teile ist in der Elektronik die Ausnahme. Bauteile sind empfindlich, sie sind weiter oben in der Kette bereits sortiert worden, und jede nachgelagerte Maschine erwartet ein Tray. Eine dokumentierte Anwendung zieht daraus die Konsequenz: Weil sämtliche Maschinen des Werks mit Trays bestückt werden, ist für die neu geplanten Anlagen statt des direkten Greifens aus dem Behälter eine zentrale Vereinzelungsstation mit einem Takt von rund 30 s vorgesehen, die alle Maschinen bedient.

Damit verschiebt sich die Automatisierungsaufgabe. Sie besteht nicht darin, ein Teil im Chaos zu finden, sondern zu wissen, wo ein Teil bereits liegt, wie herum es liegt und ob der Zielplatz frei ist. Schüttgut kommt vor, meist als Spule, kleines Gehäuse oder Verbindungsklemme, aber es läuft über eine Rüttlerfläche und nicht über einen Behälter.

Tray, Magazin und Kassette: das Bauteil sitzt schon, aber wo genau

Im Tray hat jedes Bauteil eine Sollposition, und genau das verleitet zum blinden Greifen. Die Ist-Position weicht davon ab: Taschen haben Spiel, Trays verziehen sich, Teile kippen in der Tasche, gestapelte Trays verschieben sich gegeneinander. Für ein Pick and Place von SMD-Bauteilen aus JEDEC-Trays wurden in einem dokumentierten Projekt zwei Konzepte gegeneinander gerechnet, nämlich mehrere fest montierte Kameras über Quell- und Zieltray oder eine Kamera direkt am Greifer. Eine Randbedingung entschied mit, die auf keinem Datenblatt steht: Der Arbeitsabstand der fest montierten Kamera musste so gewählt werden, dass Roboter oder Portalachse darunter hindurchfahren können.

Magazin und Kassette bringen eine zweite Frage mit, nämlich die Ebene. Die Zelle muss wissen, welches Fach an der Reihe ist und wann das Magazin leergefahren ist, damit sie Nachschub anfordert statt stehen zu bleiben. In einer dokumentierten Linie werden Platinen mit einem Greifer entnommen, der Werkstückträger wird befüllt und die nächste Platte darauf abgesetzt; abgesichert wurde das mit zwei CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X je Station über fünf Stationen hinweg. Lage und Drehlage im Tray selbst liefert 2D VGR auf einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS.

Rüttler und Flächenzuführung: die Kamera sucht das greifbare Teil

Auf der Rüttlerfläche ersetzt die Kamera die Zuführung nicht, sie arbeitet mit ihr zusammen. Gesucht wird nicht jedes Teil, sondern mindestens ein greifbares: eines, das frei liegt, dessen Drehlage bestimmbar ist und das mit der richtigen Seite nach oben zeigt.

Eine dokumentierte Anwendung zeigt die Größenordnung. Verbindungsklemmen laufen auf eine Flächenzuführung, das Bildfeld liegt bei etwa 150 x 195 mm, alternativ 254 x 325 mm, der Arbeitsabstand bei mindestens 500 mm. Gefordert sind rund 1 mm Genauigkeit und 5 s je Teil, für einen Satz aus vier Teilen 20 s. Ein Scara übernimmt das Handling, bestückt wurde bis dahin von Hand, und dasselbe Bauteil muss auf zwei unterschiedlichen Seiten erkannt werden.

Daraus folgt eine Schnittstellenanforderung, die gern vergessen wird. Die Kamera muss nicht nur Koordinaten liefern, sondern auch die Aussage, dass gerade kein Teil greifbar ist, damit die Zuführung erneut schüttelt statt dass der Roboter ins Leere greift. Wie wenig mechanische Vororientierung dabei zur Verfügung steht, zeigt eine Montage, in der Spulen als Schüttgut zulaufen und die Leiterplatte nur etwa 5 Grad Führung zur Ausrichtung bietet.

Stanzband und Endlosgitter: Teil heraustrennen und sofort übergeben

Kontakte und Pins bleiben so lange wie möglich im Stanzband, weil sie dort eine definierte Lage haben. In einem dokumentierten Prozess werden Pins aus einem Endlosband herausgebrochen und anschließend in eine Leiterplatte gesteckt; über das Feld aus acht Pins liegt dabei ein Messbereich von 7,4 mm.

Mit dem Heraustrennen geht die Lage verloren, und die Zelle muss festlegen, wo sie sie zurückholt: noch im Band, unmittelbar nach dem Trennen oder erst im Greifer. Diese Entscheidung verändert Mechanik und Kameraposition stärker als jede spätere Parametrierung.

Ein verwandter Fall ist der Zuschnitt, der im Trägermaterial verbleibt. Dokumentiert ist eine Zelle, die ausgelaserte Teile aus einem Glaswafer entnimmt und vor dem Ausheben prüft, ob der Zuschnitt vollständig getrennt ist oder noch Restmaterial anhaftet. Ein noch hängendes Teil reißt den Träger mit oder landet verdreht im Zielplatz. Was danach beim Fügen zu beachten ist, behandelt der Beitrag „Stecken und Fügen mit dem Roboter: Steckverbinder, Pins und Board-to-Board-Verbindungen".

Schwarzes Inlay, dunkles Tray: Beleuchtung vor Kameraauswahl

Schwarzes Bauteil im schwarzen Inlay ist der Normalfall und nicht der Sonderfall. In einem dokumentierten Projekt legt ein Cobot Bauteile in ein schwarzes Tray im Format 600 x 400 mm ab, der Takt liegt bei 15 s je Teil, bisher wurde von Hand abgelegt, und die Kamera sitzt stationär darüber. Offen war in diesem Projekt nicht die Kamera, sondern die Beleuchtung.

Die Reihenfolge lautet deshalb: erst Lichtrichtung, Diffusität und die Frage, ob Dunkelfeld oder eine Hinterleuchtung der Taschenkante möglich ist, danach Auflösung und Kamera. Geprüft wird mit Originaltrays und Teilen aus dem laufenden Prozess, nicht mit Mustern aus dem Labor. Ob ein Teil überhaupt in der Tasche oder im Greifer liegt, beantwortet häufig schon ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX, weil er einen Höhenunterschied auswertet und keinen Grauwert.

Freien Platz im Ziel-Tray finden statt fester Reihenfolge

Zuführen ist die halbe Aufgabe, die andere Hälfte ist das Ablegen. Eine feste Reihenfolge setzt voraus, dass das Zieltray leer beginnt und unangetastet bleibt, bis die Zelle es gefüllt hat. In der Anwendungspraxis kommen Trays teilbefüllt an, ein Platz wird nach einem Schlechtteil übersprungen, oder jemand entnimmt zwischendurch ein Teil.

Robuster ist die umgekehrte Logik: Die Zelle fragt vor jeder Ablage, welcher Platz frei ist. Über dem Zieltray leistet das dieselbe Kamera, die auch die Quellseite auswertet, und bei überschaubarer Nestzahl genügen digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N je Nest. Dazu gehören zwei Meldungen, die in Lastenheften oft fehlen, nämlich Zieltray voll und Quellmagazin leer.

Wer eine zentrale Vereinzelungsstation plant, beantwortet die Verfügbarkeitsfrage am besten gleich mit, denn diese eine Station bestimmt den Takt aller angeschlossenen Maschinen. In das Konzept gehören deshalb ein Puffer gefüllter Trays und ein definiertes Verhalten bei Störung: Meldung, Abarbeiten des Puffers und kontrollierter Wiederanlauf statt blindem Weitergreifen.

Wann der echte Griff in die Kiste sinnvoll ist und wann die Vereinzelungsstation

Der echte Griff in die Kiste betrifft in dokumentierten Anwendungen meist ein mechanisches Schüttgutteil, das in die Elektroniklinie einläuft. Dort passt ein 3D-Robot-Vision-System, weil Lage und Höhe im Behälter tatsächlich unbekannt sind. Für elektronische Bauteile fällt die Rechnung meist anders aus: Erwartet ohnehin jede Maschine ein Tray, ist eine zentrale Vereinzelungsstation günstiger als ein 3D-System je Anlage.

Vier Fragen führen zur Entscheidung:

Erwartet jede nachgelagerte Maschine ohnehin ein Tray oder einen Werkstückträger?
Wie viele Maschinen könnten sich eine Zuführung teilen?
Wie viele Varianten laufen über dieselbe Station, und wie oft wird gewechselt?
Wie empfindlich ist das Bauteil gegen Kontakt mit anderen Bauteilen im Behälter?

Teilen sich mehrere Zuführstellen einen Controller, übernimmt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. Ob die Station am Ende ein Handarbeitsplatz, eine Cobot-Zelle oder ein Glied einer verketteten Linie wird, ist eine eigene Frage, die der Beitrag „Handarbeitsplatz, Cobot-Zelle oder verkettete Linie: Automatisierungsstufen in der Elektronikfertigung" beantwortet.

Häufige Fragen

F Wie kommen elektronische Bauteile typischerweise in eine Roboterzelle?

In Trays und JEDEC-Magazinen, in Kassetten und Blistern, auf Werkstückträgern oder noch im Stanzband. Chaotisches Schüttgut ist die Ausnahme und läuft, wenn es vorkommt, über eine Rüttlerfläche. Die Automatisierungsaufgabe heißt deshalb Vereinzeln und Präsentieren und nicht Griff in die Kiste.

F Braucht eine Rüttlerzuführung wirklich eine Kamera?

Sobald die Teile nicht mechanisch in eine eindeutige Lage gezwungen werden, ja. Die Kamera sucht mindestens ein frei liegendes Teil, bestimmt Position und Drehlage und unterscheidet die beiden Seiten eines symmetrischen Bauteils. Ebenso wichtig ist die Rückmeldung, dass gerade kein Teil greifbar ist, damit die Fläche erneut geschüttelt wird.

F Wie findet ein Roboter Bauteile in einem schwarzen Tray?

Über die Beleuchtung, nicht über die Kamera. Schwarze Bauteile in schwarzen Inlays geben kaum Grauwertkontrast, deshalb werden Lichtrichtung, Diffusität, Dunkelfeld und eine mögliche Hinterleuchtung der Taschenkante vor der Kameraauswahl festgelegt und mit Originaltrays aus dem laufenden Prozess getestet.

F Wann lohnt sich eine zentrale Vereinzelungsstation?

Wenn mehrere Maschinen ohnehin mit Trays bestückt werden. In einem dokumentierten Fall ist für neu geplante Anlagen statt des direkten Greifens aus dem Behälter eine zentrale Station mit rund 30 s Takt für alle Maschinen vorgesehen. Zur Planung gehören dann ein Trayspuffer und ein definiertes Verhalten bei Störung.

F Woher weiß die Zelle, welcher Platz im Ziel-Tray frei ist?

Aus einer Prüfung vor jeder Ablage statt aus einer festen Reihenfolge. Das übernimmt entweder die Kamera über dem Zieltray oder, bei wenigen Nestern, ein Sensor je Nest, etwa Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N. Dazu gehören die Meldungen Zieltray voll und Quellmagazin leer, damit die Zelle Nachschub anfordern kann.

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