Stecken und Fügen mit dem Roboter: Steckverbinder, Pins und Board-to-Board-Verbindungen

Beim Fügen kehrt sich das gewohnte Verhältnis um. Nicht das Bauteil ist der ungenaue Partner, sondern der Roboter. Ein Board-to-Board-Stecker verlangt in dokumentierten Anwendungen plus/minus 0,05 mm, ein Pinfeld wenige Hundertstel, und selbst ein auf besser als ein Hundertstel getunter Scara bringt diese Zahl nicht aus eigener Kraft an jeden Punkt seines Arbeitsraums. Die Zelle muss deshalb vor dem Fügen wissen, wo das Teil im Greifer sitzt und wo das Gegenstück wirklich liegt. Dieser Beitrag zeigt, welche Größen dafür gemessen werden, wo die Kamera sitzt, was über den Bus geht und woran Fügestationen in der Anwendungspraxis scheitern.

Wichtige Punkte im Überblick

Beim Fügen ist nicht das Bauteil der ungenaue Partner, sondern der Roboter, und verglichen wird die Toleranz nicht mit seinem Datenblattwert, sondern mit der ganzen Kette aus Greiferspiel, Lage des Teils im Greifer, Lage des Gegenstücks, Wiederholgenauigkeit der Kinematik und thermischem Gang der Anlage.
Am Pinfeld werden vier Größen erfasst, die Mittenposition der Pins, die Höhe am Pinende, die Zwischenbiegung und der Taumelkreis, und für das ganze Feld in einer Aufnahme eignet sich ein 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, weil eine rein zweidimensionale Bestimmung des Taumelkreises in einer dokumentierten Anwendung nicht genügt hat.
Das interessierende Merkmal liegt beim Fügen oft unten und wird ausgerechnet vom Greifer verdeckt, weshalb eine dokumentierte Zelle den männlichen Stecker über einer stationären Uplooking-Kamera präsentiert, während die mitfahrende Kamera den weiblichen Stecker auf der Zielplatine aufnimmt.
Eine geforderte Messrate von 1 kHz ist eine Frage an das System und nicht an den Sensor, denn in einem dokumentierten Fall deckelt ein Gateway zwischen EtherCAT und Ethernet bei 500 Hz, und häufig ist die günstigere Antwort, in einem kurzen Stillstand statt während der Bewegung zu messen.
Treffen die Pins die Bohrungen nicht, platzt das eingepresste Teil unter dem Presshub, und ein verbogen doch eingeführter Pin hinterlässt eine Verbindung, die sich nicht sauber löten lässt, weshalb der Sitz unmittelbar an der Fügestation mit einem bildbasierten Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX bestätigt wird.

Wenn die Fügetoleranz feiner ist als die Roboterwiederholgenauigkeit

Die Toleranzleiter in der Elektronik reicht von wenigen Millimetern beim groben Aufnehmen über rund 0,1 mm beim Ablegen im Tray bis zu plus/minus 0,05 mm beim Board-to-Board-Stecker. Verglichen wird dabei nicht die Toleranz mit dem Datenblattwert des Roboters, sondern mit der ganzen Kette: Greiferspiel, Lage des Teils im Greifer, Lage des Gegenstücks, Wiederholgenauigkeit der Kinematik und thermischer Gang der Anlage.

Ein dokumentiertes Beispiel steckt Board-to-Board-Verbinder auf einer Baugruppe für ein Infotainmentsystem. Gefordert sind plus/minus 0,05 mm bei zwei Steckervarianten, gearbeitet wird mit zwei Bildfeldern von etwa 60 mm und 20 mm bei Arbeitsabständen von rund 600 mm sowie 200 bis 400 mm, und eine Prüfung gab es vorher überhaupt nicht.

Sobald die Fügetoleranz feiner ist als die Kette, braucht die Zelle einen Messschritt zwischen Greifen und Fügen. Dafür gibt es drei Orte: am Bauteil vor dem Greifen, am Bauteil im Greifer und am Gegenstück. Die meisten dokumentierten Zellen brauchen zwei davon. Die mikrometergenaue Korrektur über Fiducials auf der Leiterplatte selbst gehört zum Beitrag über Positionierung und wird hier nur benannt.

Das Pinfeld vor dem Fügen erfassen: Mittenposition, Höhe und Taumel

Gemessen werden vier Größen: die Mittenposition der Pins, die Höhe am Pinende, die Zwischenbiegung und der Taumelkreis. In einem dokumentierten Steckerprozess wird die Mittenposition von acht Pins über einen Messbereich von 7,4 mm bestimmt und an den Roboter übergeben, damit die Pins im Folgeschritt sauber in die Leiterplatte gehen.

Eine zweite Anwendung setzt Kondensatoren auf eine Baugruppe mit vier Leiterplatten. Der Kondensator wird mit einer Pinlänge von 3,2 mm abgeschnitten und dem Greifer zugeführt, der Taumel der Beinchen wird formschlüssig im Greifer geprüft, die Toleranz liegt bei 15 plus/minus 0,4 mm in X, und das Bildfeld umfasst rund 25 mm in X. Der Takt beträgt 28 s je Nutzen bei etwa 6 s je Bestückung.

Wie fein die Aufgabe wird, zeigt eine dritte Anwendung mit Kontakthöhe am Ende und Zwischenbiegung über einen Messbereich von 15 x 15 mm bei einer Toleranz von 0,01 mm und 2 bis 3 s Takt. Die bisherige Kontrolle lief über Koordinatenmessgerät und Konturograf und war für die Linie zu langsam; eine rein zweidimensionale Bestimmung des Taumelkreises hatte nicht genügt.

Für das ganze Pinfeld in einer Aufnahme eignet sich der 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000. Müssen Höhe, Biegung und X-Koordinate aus demselben Profil kommen, sind 2D/3D Laser-Profilsensoren der Modellreihe LJ-X8000 der Weg, wobei die Abtastrate als Spezifikation zu behandeln ist und nicht als Wunsch. Geht es allein um Koplanarität als Messaufgabe mit einem Gutteil-Schlechtteil-Ergebnis, ist das ein Messthema; hier wandert die Zahl weiter an den Roboter.

Prüfen, während der Greifer das Teil hält: die Uplooking-Kamera

Das interessierende Merkmal liegt beim Fügen oft unten, und ausgerechnet der Greifer verdeckt es für jede Kamera von oben. In einer dokumentierten Montagelinie arbeitet die Zelle deshalb mit zwei Kameras. Eine sitzt mitfahrend auf der Achse, die zweite steht stationär und schaut nach oben. Der Greifer nimmt die Leiterplatte vom Werkstückträger und präsentiert sie über der Uplooking-Kamera, die den männlichen Stecker auf der Unterseite erfasst, während die mitfahrende Kamera den weiblichen Stecker auf der Zielplatine aufnimmt.

Beide Konzepte haben ihren Preis. Die stationäre Uplooking-Kamera hat feste Beleuchtungsverhältnisse und keine mitbewegten Leitungen, kostet aber einen Umweg in der Bahn und braucht ein sauberes Fenster im Zellenlayout. Die mitfahrende Robot Vision-Kamera spart den Umweg und deckt ein kleines Bildfeld genau ab, dafür fahren Kabel und Beleuchtung mit. 2D VGR läuft in beiden Fällen auf einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS; braucht die Fügestation mehrere Ansichten in einem Zyklus, bündelt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G bis zu acht Kameras an einem Controller.

Bohrungsbild und Aufnahme auf der Leiterplatte finden

Das Gegenstück liegt ebenso wenig fest wie das Bauteil. In der Kondensatoranwendung muss das Bohrungsbild auf der Leiterplatte erkannt werden, bevor das Teil aufgesetzt wird, denn eine eingelernte Absolutposition trifft die Bohrungen nicht zuverlässig.

Eine Antennenmontage macht das Prinzip deutlich. Dort berechnet die Bildverarbeitung die Mittelpunkte an der Leiterplatte zweimal und an den Antennenclips, damit das Handlingsystem beide Teile vor der Montage präzise zueinander stellt; der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt beträgt 10 mm. Umgesetzt wurde das mit zwei Kameras, einer großformatigen für die Position des Grundkörpers auf dem Achssystem und einer zweiten für die Steckerposition unmittelbar vor dem Stecken am Portal.

Der gemeinsame Nenner: Beide Seiten werden im selben Koordinatensystem gemessen, übergeben wird die Differenz. Ob das Bildverarbeitungssystem dafür eine absolute Koordinate, einen Offset auf eine eingelernte Lage oder nur ein Ergebnisbit liefert, gehört vor dem Konzeptfreeze mit der Robotersteuerung abgestimmt.

Drehlage korrigieren statt Bauteil neu greifen

Ein verdreht gegriffenes Teil muss nicht abgelegt und neu aufgenommen werden. In einer dokumentierten Anwendung wird eine 0,1 mm dünne Lamelle von etwa 20 x 15 mm mit zwei feinen Antennen von 0,1 und 0,2 mm Dicke in einen sehr schmalen Schlitz gefügt, geführt von einem Roboter mit X-, Y- und Z-Achse plus Drehachse. Gemessen werden drei Punkte, aus denen sich eine Ebene des Bauteils ergibt, sodass nicht nur die Drehung in der Ebene, sondern auch die Verkippung bekannt ist.

Eine Spulenmontage zeigt die Grenze der Korrektur. Die Spule wird an ihren zwei Kontaktpins gegriffen und auf etwa ein Hundertstel positioniert, muss aber in eine Senke im Kunststoffgehäuse passen, dessen Ausrichtung ein eigener Arbeitsschritt bleibt. Korrigieren ist günstiger als Neugreifen, solange die Achse den Freiheitsgrad hat, denn ein Neugreifen verlangt eine definierte Zwischenablage und dieselbe Messung ein zweites Mal.

Messrate und Bus: warum 1 kHz eine Systemfrage ist

In einer Anlage werden Pinkontakte während der Bewegung verfolgt, gefordert ist 1 kHz. Das Konzept wurde am Ende mit zwei Laserscannern gelöst, je einem rechts und links mit einem eigenen Messfenster. Die Laserlinie schaut oben an den Pins vorbei, sodass immer nur der Pin ins Fenster kommt, der gemessen und anschließend vom Greifer entnommen wird; ausgegeben wird dessen X-Koordinate über EtherCAT.

Die Zahl steht damit nicht am Sensor, sondern am System. In einem dokumentierten Fall deckelt ein Gateway zwischen EtherCAT und Ethernet bei 500 Hz, während die Anwendung 1 kHz verlangt. Dann ist der Bus der Engpass. Drei Punkte gehören deshalb vor die Sensorauswahl:

Welchen Bus erwartet die Robotersteuerung: PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP oder TCP/IP mit einem Standardbaustein des Betreibers.
Mit welchem Zyklus erwartet sie ihn, und hält jedes Glied der Kette diesen Zyklus.
Welche Größe wird übergeben: absolute Koordinate, Offset oder Ergebnis.

Häufig ist die günstigere Antwort, gar nicht während der Bewegung zu messen, sondern in einem kurzen Stillstand. Das kostet Takt und spart Systemrisiko, und diese Abwägung gehört ins Konzept und nicht in die Inbetriebnahme.

Was ein Fehlversuch kostet: geplatzte Teile und nicht lötbare Verbindungen

In einem dokumentierten Prozess wird der vormontierte Stecker mit acht Pins durch Druck in die Leiterplatte eingepresst. Treffen die Pins die Bohrungen nicht, platzt das Teil unter dem Presshub. Ein Pin, der verbogen doch hineingeht, hinterlässt eine Verbindung, die sich nicht sauber löten lässt und erst später auffällt.

Die bisherigen Methoden in dokumentierten Anwendungen sind entsprechend: gar keine Kontrolle, wobei der Schaden erst an der Folgestation sichtbar wird; Koordinatenmesstechnik, die für die Linie zu langsam ist. Für das Lastenheft heißt das, Takt, Toleranz und die Folge eines Fehlversuchs zu benennen, bevor über Sensorik gesprochen wird.

Zum Schluss gehört die Bestätigung, dass die Verbindung wirklich sitzt. In einer dokumentierten Station wird der Sitz der eingesteckten Leiterplatte mit einem bildbasierten Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX geprüft; weil der Roboter den Platz belegt, sitzt der Sensor weiter entfernt und braucht ein größeres Bildfeld. Arbeitsabstand und Bildfeld gehören damit in die Anforderung und nicht in die Montageplanung.

Häufige Fragen

F Warum reicht die Wiederholgenauigkeit des Roboters beim Stecken oft nicht?

Weil die Fügetoleranz gegen die ganze Kette steht und nicht gegen den Datenblattwert. Greiferspiel, die Lage des Teils im Greifer, die Lage des Gegenstücks und der thermische Gang addieren sich. Bei plus/minus 0,05 mm an einem Board-to-Board-Stecker bleibt davon nichts übrig, weshalb ein Messschritt zwischen Greifen und Fügen ins Konzept gehört.

F Wo sitzt die Kamera beim Fügen am besten?

Das hängt davon ab, wo das Merkmal liegt. Sitzt es auf der Unterseite, etwa beim männlichen Stecker einer Baugruppe, präsentiert der Greifer das Teil einer stationären Uplooking-Kamera. Liegt das Merkmal oben oder am Gegenstück, ist eine mitfahrende Kamera auf der Achse oder am Greifer die einfachere Lösung. Viele Zellen nutzen beide Konzepte nebeneinander.

F Was wird an einem Pinfeld vor dem Fügen gemessen?

Mittenposition der Pins, Höhe am Pinende, Zwischenbiegung und Taumelkreis. Dokumentierte Messbereiche liegen bei 7,4 mm über acht Pins, rund 25 mm in X an einem Kondensatorpinfeld und 15 x 15 mm bei einer Toleranz von 0,01 mm. Eine rein zweidimensionale Auswertung des Taumelkreises hat in einer dieser Anwendungen nicht ausgereicht.

F Warum ist eine Messrate von 1 kHz eine Frage an den Bus?

Weil die Rate erst am Empfänger ankommt. In einem dokumentierten Fall deckelt ein Gateway zwischen EtherCAT und Ethernet bei 500 Hz, obwohl die Anwendung 1 kHz fordert; der Bus wird zum Engpass und nicht der Sensor. Zu klären sind Bus, Zyklus und die Frage, ob eine Koordinate, ein Offset oder nur ein Ergebnis übertragen wird.

F Wie stellt die Zelle fest, dass die Verbindung nach dem Fügen wirklich sitzt?

Über eine Prüfung unmittelbar an der Fügestation, weil ein sitzender Stecker eine andere Höhe hat als ein aufliegender. Ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX leistet das auch aus größerem Abstand, wenn der Roboter den Platz direkt über der Fügestelle belegt. Die Vollständigkeit der gesamten Baugruppe ist eine eigene Prüfaufgabe.

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