Robotik und Automatisierung in der Elektronikfertigung: die Zelle vom Zuführen bis zur Übergabe auslegen

Wer eine Handlingzelle für Leiterplatten, Steckverbinder oder Wafer plant, legt vier Dinge fest, und zwar in der Reihenfolge, in der sich das Bauteil bewegt: wie es ankommt, wie genau es abgelegt oder gefügt werden muss, wo die Kamera sitzt und was die Zelle dem Takt schuldet. In der Anwendungspraxis werden diese Fragen oft erst bei der Inbetriebnahme gestellt. Dann steht die Mechanik, der Roboter ist bestellt, und die Auswertezeit passt nicht mehr in den Takt. Zwei Randbedingungen sind in der Elektronik nicht verhandelbar. Der Roboter ist häufig der gröbere Partner der Paarung, deshalb gehört ein Korrekturschritt ins Konzept und nicht in die Nacharbeit. Und eine offene Baugruppe verträgt keine Aufladung, deshalb gehören Ionisation und Absicherung in das Zellenlayout.

Wichtige Punkte im Überblick

Elektronische Bauteile kommen fast nie chaotisch geschüttet an, sondern im JEDEC-Tray, im Magazin, in der Kassette, im Blister, auf dem Werkstückträger oder noch im Stanzband, womit die Aufgabe vom Greifen aus der Kiste zum Vereinzeln und Präsentieren wird.
Der Roboter ist in dieser Paarung häufig der gröbere Partner, und weil die Anforderungen in dokumentierten Anwendungen von etwa 1 bis 5 mm beim groben Aufnehmen über rund 0,1 mm beim Ablegen im Tray und plus/minus 0,05 mm beim Board-to-Board-Stecker bis plus/minus 50 µm beim Ablegen eines Wafers auf den Carrier reichen, gehört ein Messschritt zwischen Greifen und Ablegen in das Konzept, sobald die Fügetoleranz feiner ist als die Wiederholgenauigkeit der Kinematik.
Für die Kameraposition stehen zwei gleichwertige Konzepte zur Wahl, die mitfahrende Robot Vision-Kamera am Greifer oder auf der Achse und die stationäre Uplooking-Kamera, vor der der Greifer das Teil präsentiert, und beide arbeiten mit einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS.
Dokumentiert sind 5 s je Station am Rundtisch, 10 s je Leiterplatte und 60 s je Werkstückträger mit sechs Baugruppen, und wo 7 s Prüfzeit auf einen 5 s Takt treffen, liegt ein Konzeptproblem vor und kein Kameraproblem.
Zwei Aufgaben werden in der Zelle regelmäßig vermischt, obwohl sie unterschiedliche Gerätefamilien haben, die Aufladung offener Baugruppen, die an der Handhabungsstelle abgebaut und an der Restladung gemessen wird, und der Personenschutz, der zu den Sicherheitsbauteilen gehört und keine Prüfaufgabe bekommt.

Was in der Elektronikfertigung automatisiert wird und warum jetzt

Die Projekte zeigen selten den großen Sprung, sondern eine Leiter. Auf der ersten Stufe steht der Handarbeitsplatz, an dem eine Prüfung dem Werker antwortet, statt ihn zu ersetzen. Auf der zweiten die Cobot-Zelle, die zwischen ähnlichen Aufgaben umgesetzt werden kann. Auf der dritten die verkettete Linie mit Werkstückträgern und einer Palettierung am Ende.

Was die Stufe bestimmt, sind drei Zahlen: Stückzahl, Takt und Variantenzahl. In dokumentierten Anwendungen reicht die Spanne von rund 200 Teilen am Tag an einem Prüfstand bis zu etwa 80.000 Teilen in der Woche auf einer Montagelinie. Als Motiv steht dabei häufig die Personalsituation, oder eine Linie, die überwiegend automatisiert läuft und an einer einzigen Handstation auf deren Takt begrenzt bleibt. Welche Stufe sich rechnet und wann Automatisieren nicht die Antwort ist, behandelt der Beitrag „Handarbeitsplatz, Cobot-Zelle oder verkettete Linie: Automatisierungsstufen in der Elektronikfertigung".

Wie das Bauteil ankommt: Tray, Magazin, Stanzband, Werkstückträger oder Schüttgut

Elektronische Bauteile kommen fast nie chaotisch geschüttet an. Sie liegen im JEDEC-Tray, im Magazin, in der Kassette, im Blister, auf dem Werkstückträger oder hängen noch im Stanzband. Damit verschiebt sich die Aufgabe vom Greifen aus der Kiste hin zum Vereinzeln und Präsentieren. In einer dokumentierten Anwendung ist statt des direkten Greifens aus dem Behälter eine zentrale Vereinzelungsstation vorgesehen, weil ohnehin jede nachgelagerte Maschine ein Tray erwartet.

Für die Zelle heißt das zweierlei. Erstens muss die Kamera das Teil auch dort finden, wo es kaum Kontrast gibt, etwa im schwarzen Inlay oder im dunklen Tray; die Beleuchtung wird in diesen Fällen vor der Kamera ausgelegt. Zweitens braucht die Zelle nicht nur die Greifposition, sondern auch die Information, welcher Platz im Ziel-Tray frei ist und wann ein Magazin leer gefahren ist. Für die Lage und Drehlage auf Rüttlerfläche, Tray oder Magazin arbeitet 2D VGR auf einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS; teilen sich mehrere Zuführstellen einen Controller, übernimmt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G. Die einfache Frage, ob ein Nest oder ein Trayplatz belegt ist, beantworten CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X oder digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N günstiger als ein Bild. Der echte Griff in die Kiste bleibt in der Elektronik die Ausnahme und betrifft meist ein mechanisches Schüttgutteil, das in die Linie einläuft; dafür stehen die Kameras für 3D Robot Vision RB-500/800/1200 auf der Modellreihe CV-X. Die Zuführseite vertieft der Beitrag „Elektronische Bauteile zuführen und vereinzeln: Tray, Magazin, Stanzband und Rüttler".

Der Roboter ist oft der gröbere Partner: Toleranz als erste Weiche

Die zweite Entscheidung ist eine Zahl, und sie fällt vor der Roboterauswahl. Die dokumentierten Anforderungen bilden eine Leiter: etwa 1 bis 5 mm beim groben Aufnehmen eines Zuschnitts, rund 0,1 mm beim Ablegen im Tray, plus/minus 0,05 mm beim Fügen eines Board-to-Board-Steckers und plus/minus 50 µm beim Ablegen eines Wafers auf den Carrier. Im letzten Fall lässt sich nachträglich nichts korrigieren, weil bereits Kleber auf dem Wafer ist.

Sobald die Fügetoleranz feiner ist als die Wiederholgenauigkeit der Kinematik, braucht die Zelle einen Messschritt zwischen Greifen und Ablegen. Die Frage lautet dann nicht mehr, ob der Roboter genau genug ist, sondern woher der Offset kommt und wann er verfügbar sein muss. Wo die Paarung im Hundertstelbereich sitzt, beschreibt der Beitrag „Stecken und Fügen mit dem Roboter: Steckverbinder, Pins und Board-to-Board-Verbindungen" die Messkonzepte im Detail. Die mikrometergenaue Lagekorrektur über Fiducials auf der Leiterplatte selbst ist Gegenstand des Beitrags zur Positionierung und wird hier nur benannt.

Kamera am Greifer, auf der Achse oder stationär von unten

Für die Kameraposition gibt es zwei tragfähige Konzepte, und sie stehen zur Wahl, statt dass eines der Standard wäre. Die mitfahrende Robot Vision-Kamera sitzt auf der Achse oder direkt am Greifer, deckt ein kleines Bildfeld genau ab und folgt dem Bauteil. Die stationäre Uplooking-Kamera schaut von unten, während der Greifer das Teil über sie hält, und ist die dokumentierte Antwort, wenn das interessierende Merkmal auf der Unterseite liegt, etwa der männliche Stecker einer Baugruppe.

Welches Konzept greift, entscheidet das Bildfeld. In einem Projekt sollte eine einzige Kamera Leiterplatten über ein Pickfeld von rund 1,6 m finden. Über diese Fläche war die geforderte Genauigkeit nicht zu halten, also wurden zwei Wege verglichen: eine Kamera am Roboterarm oder eine grobe Übersichtsaufnahme plus eine zweite Kamera für die Griffkorrektur. Beide Varianten laufen als 2D VGR auf der Modellreihe VS, mit der Modellreihe VS-G, wenn ein Controller mehrere Kameras der Zelle bedienen soll. Ob eine Leiterplatte überhaupt und richtig im Greifer oder im Nest liegt, klärt oft schon ein bildbasierter Höhenvergleichssensor der Modellreihe IX aus einem Arbeitsabstand, der dem Roboter nicht in die Bahn läuft.

Das Taktzeitbudget der Zelle: Bildaufnahme, Auswertung, Bewegung

Das Taktbudget wird in den Projekten zu spät gerechnet. Dokumentiert sind 5 s je Station am Rundtisch, 10 s je Leiterplatte, 60 s je Werkstückträger mit sechs Baugruppen und 1,43 s je Paar auf einer schnellen Linie. Für die Bildverarbeitung stehen darin Vorgaben wie unter 500 ms für Bildeinzug, Auswertung und Ergebnisrückgabe sowie unter 50 ms für einen Programmwechsel. Eine Linie verzichtet bewusst darauf und fährt alle Varianten in einem einzigen Programm.

Ein Fall zeigt die Grenze deutlich: 7 s Prüfzeit in einem 5 s Takt. Das ist kein Kameraproblem, sondern ein Konzeptproblem, und es wird mechanisch gelöst, etwa durch eine zweite Station oder durch Prüfen während der Bewegung. Zum Budget gehört auch die Autonomie: Soll jede Zelle für sich lauffähig bleiben, bekommt sie einen eigenen Controller.

Schnittstelle zu Roboter und SPS: Bus, Rate und wer kalibriert

Die Schnittstelle wird gern als Lieferumfang behandelt und gehört in Wahrheit ins Konzept. Drei Punkte sind früh zu klären. Welcher Bus verwendet wird, also PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP oder TCP/IP mit einem Standardbaustein des Betreibers. Mit welcher Rate wird gefordert: In einem Projekt sollte die Position während der Bewegung mit 1 kHz verfolgt werden, während ein Gateway zwischen EtherCAT und Ethernet bei 500 Hz deckelt, womit der Bus und nicht der Sensor zum Engpass wird. Und welche Größe wird überhaupt übergeben, eine absolute Koordinate, ein Offset auf eine eingelernte Lage oder nur ein Gutteil-Schlechtteil-Ergebnis.

Dazu kommt die Kalibrierung zwischen Kamera und Roboter. Steht eine Kinematik außerhalb der üblichen Anbindungsliste, wird der manuelle Kalibrierweg zum Auswahlkriterium. Die hier genannten Bildverarbeitungssysteme unterstützen EtherNet/IP, PROFINET und EtherCAT; die Auswahl richtet sich danach, was die Robotersteuerung erwartet und wie schnell sie es erwartet.

Offene Baugruppen sicher handhaben: Aufladung und Bereichsabsicherung mitplanen

Zwei Aufgaben werden in der Zelle regelmäßig vermischt, obwohl sie unterschiedliche Gerätefamilien haben. Die erste ist die Aufladung. Offene Leiterplatten, Chips außerhalb der Fassung, Substrate im Flipmodul und Panels in der Fotolithografie unter einer Filterdecke reagieren auf eine Entladung, die keine sichtbare Spur hinterlässt und erst später als Feldausfall auffällt. Ionisatoren der Modellreihe SJ werden deshalb direkt an der Handhabungsstelle eingesetzt, als Balken, Gebläse oder Düse, je nachdem wo die Ladung sitzt. Womit gerechnet wird, belegt das Elektrostatik-Messgerät SK-050 an der Restladung, statt sie anzunehmen. In einem Fall wurde dafür der Messbereich verkleinert, damit nicht der Greifer als Störkontur mitgemessen wird.

Die zweite Aufgabe ist der Personenschutz, und dafür sind Sicherheitsbauteile zuständig. Der Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-R und der Kleine und robuste Sicherheitslichtvorhang der Modellreihe GL-V sichern die Beschickungsöffnung, an der Bediener Schubfächer mit Baugruppen ein- und ausfahren. Der Sicherheits-Laserscanner der Modellreihe SZ-V deckt Boden- und Zugangsflächen ab. Sicherheitsschalter der Modellreihe GS, auch mit Zuhaltung, sichern Türen und Klappen; in einem Wafertool schied dort eine berührungslose Bauform am metallischen Gehäuse aus. Wird die Zellenlogik ohnehin erneuert, übernimmt eine Sicherheitssteuerung der Modellreihe GC. Anwesenheits- und Lagefragen bleiben bei den Sensoren und Kameras der Zelle, etwa bei AI Vision-Sensoren der Modellreihe IV4; ein Sicherheitsbauteil bekommt keine Prüfaufgabe.

Vom Konzept zur Zelle: Musterteile, Machbarkeit, Integration und Verantwortung

Offen ist in der Konzeptphase meist eine Zahl und nicht die Technik. Sechs Angaben genügen für ein erstes belastbares Konzept: Takt, Stückzahl, Variantenzahl, Behälter oder Träger, Kinematik und Bus. Musterteile und ein Test klären danach die optische Seite, und zwar mit Teilen aus dem laufenden Prozess.

Zu klären bleibt die Verantwortung. In vielen Zellen tritt ein Anlagenbauer oder Integrator als Generalunternehmer auf, in anderen integriert das Werk selbst und braucht dafür eine offene Befehlsübersicht statt eines geschlossenen Pakets. Bei einer Nachrüstung kommt der Bauraum an der Übergabestelle hinzu, denn Greifer, Transferhöhe und Ablagehöhe begrenzen die Sensorposition häufiger als die Messaufgabe. Wie das im Halbleiterumfeld aussieht, zeigt der Beitrag „Wafer und Substrate automatisiert handhaben: Transfer, Crashvermeidung und Reinraumbedingungen".

Häufige Fragen

F Wann braucht eine Roboterzelle in der Elektronik eine Kamera und wann reicht ein Sensor?

Eine Kamera wird gebraucht, wenn Position und Drehlage eines Bauteils unbekannt sind oder korrigiert werden müssen, etwa auf einer Rüttlerfläche, im Tray oder im Greifer. Geht es nur darum, ob ein Nest, ein Trayplatz oder ein Magazinschacht belegt ist, genügen CMOS-Lasersensoren der Modellreihe LR-X oder Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N. Diese Trennung hält die Zelle günstig und die Auswertezeit kurz.

F Kamera am Greifer oder stationäre Uplooking-Kamera: was ist besser?

Beides sind gleichwertige Konzepte für unterschiedliche Fälle. Die mitfahrende Kamera deckt ein kleines Bildfeld genau ab und folgt dem Bauteil, was bei großen Pickflächen die Genauigkeit rettet. Die stationäre Uplooking-Kamera schaut von unten auf das Teil, während der Greifer es präsentiert, und ist die Wahl, wenn das Merkmal auf der Unterseite liegt oder die Lage im Greifer geprüft werden soll.

F Wie genau muss ein Roboter für Elektronikbauteile sein?

Das hängt vom Schritt ab und nicht vom Bauteil. In dokumentierten Anwendungen reichen etwa 1 bis 5 mm beim groben Aufnehmen, während das Ablegen im Tray rund 0,1 mm verlangt, ein Board-to-Board-Stecker plus/minus 0,05 mm und die Waferablage auf dem Carrier plus/minus 50 µm. Sobald die Fügetoleranz feiner ist als die Wiederholgenauigkeit, gehört ein Messschritt zwischen Greifen und Ablegen in das Konzept.

F Gibt es Bin Picking in der Elektronikfertigung?

Selten, weil elektronische Bauteile meist im Tray, im Magazin, in der Kassette oder auf dem Werkstückträger ankommen. Der echte Griff in die Kiste betrifft in der Anwendungspraxis eher mechanische Schüttgutteile, die in die Elektroniklinie einlaufen, und wird dort mit einem 3D-Robot-Vision-System gelöst. In einer dokumentierten Anwendung ist stattdessen eine zentrale Vereinzelungsstation vorgesehen.

F Was passiert, wenn die Prüfzeit länger ist als der Takt?

Dann liegt ein Konzeptproblem vor, kein Kameraproblem. Ein dokumentierter Fall fordert 7 s Prüfzeit in einem 5 s Takt, und das lässt sich nicht durch eine schnellere Auswertung auflösen. Übliche Wege sind eine zweite Station, das Prüfen während der Bewegung oder das Parallelisieren von Vorpositionierung und Auswertung, jeweils entschieden bevor die Mechanik festgelegt ist.

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