デルタロボットによるエレクトロニクス製造プロセスの最適化と効率化

デルタロボットは、食品の包装や医薬品の箱詰め、エレクトロニクスの組み立てなどに使用される比較的小型のロボットです。このような用途に最適なのが、精密かつ高速なロボットです。パラレルキネマティクスにより、高速かつ正確な動作が可能となり、多関節アームロボットとは一線を画すクモのような外観をしています。

図1：ロボットリンクアームは、照明効果のあるエレクトロニクス製造ラインで使用します。- ストックフォト（画像提供：Phuchit - Getty Images）

デルタロボットは、通常（常にではありませんが）天井に設置され、上方から組立および包装ラインを動かすことができます。多関節アームに比べれば作業量は格段に少なく、狭い場所へのアクセスに限界があります。しかし、その剛性と再現性は、半導体の組み立てなど、繊細なワークピースの高精度加工に活かされています。

デルタロボットを取り巻く状況

産業用ロボットは、モバイルロボット、シリアルマニピュレータ、パラレルマニピュレータに大別されます。

モバイルロボット には、主に工場や倉庫で資材を移動させるためにプログラムされた自律地上車両（AGV）や自動フォークリフトがあります。

シリアルマニピュレータ に分類されるロボットは、固定されたベースとエンドエフェクタをつなぐ一連の運動学的リンク機構を持ち、これらのロボットには多関節アームや直交ロボットが含まれます。各リンクの剛性や位置精度は前のリンクに依存するため、シリアルマニピュレータは、リンクがベースから離れるほど精度や剛性が低下します。例外はありますが、この形態では6軸ロボットの精度が数ミリに制限される傾向があります。また、急速に新しい位置に移動して停止した後、そのロボットのエンドエフェクタはしばらく振動して落ち着くことになります。

デルタロボットと同じような用途に使われるシリアルマニピュレータのひとつに、水平多関節ロボットアーム（ スカラ ロボット）があります。軸が平行になるように配置された2つの回転関節と、3つ目の線形軸で構成されており、機構的には非常にシンプルです。2つの回転関節が単一平面でのX-Y位置決めを行い、3つ目の線形軸がZ方向に動きます。デルタロボットのような精密さはありませんが、スカラロボットは比較的低コストで、狭い場所でも非常に速くタスクを実行することができます。

図2：デルタロボットは、3つの平行四辺形がすべてエンドエフェクタ側で1つの剛体に接続されたパラレルマニュピレータの一種です。各平行四辺形の底面は、ロボットのベースに対して1自由度で動作します。デルタロボットは通常、天井に設置され、上からコンベアやワークピースを操作することができます。（画像提供：Wikimedia Commons）

シリアルマニピュレータとは対照的に、 パラレルマニピュレータ （デルタロボットを含む）に分類されるロボットは、エンドエフェクタとベースをつなぐ複数の運動学的リンク機構を持っています。このような形態は、シリアルロボットタイプに比べ、はるかに強く、硬く、軽い構造となっています。軽量かつ高剛性な構造により、デルタロボットは素早く加速し、非常に短いサイクルタイムを実現します。パラレルマニピュレータのもう一つのタイプは、スチュワートプラットフォームやヘキサポッドで、最大限の剛性、精度、速度を実現し、精密光学用途ではリアルタイムに振動を補正することもあります。

図3：デルタロボット、スカラロボット、モバイルロボットを採用したビジョン搭載のワークセルです。デルタロボットはステンレス製でIP-67に対応しています。（画像提供：KUKA）

通常、デルタロボットの各平行四辺形は、リニアアクチュエーションを介して回転電気モータで動きます。(低価格のデルタロボットである IgusDrylin シリーズは、あまり一般的ではないリニアドライブ方式を採用しています。)平行四辺形の結合により、エンドエフェクタは並進運動のみに制約されます。そのため、3軸直交マシンと同程度の動作量を、より硬く、より軽い構造で実現しています。この構造の利点は、駆動モータの質量がベース（通常は天井に取り付けられる）にあるため、ロボットの可動部品がすべて受動的な軽量構造要素であることです。デルタロボットの中には、エンドエフェクタに直列に取り付けられた追加の回転軸によって、4軸、5軸、または6軸のモーションを提供するものもあります。

デルタロボットのアプリケーションの概要

デルタロボットは、エレクトロニクスの組み立てや食品、医薬品の包装などのピックアンドプレースアプリケーションに広く使用されています。デルタロボットが1つ以上のコンベアや移動式組立プラットフォームの上で動作する場合、アイテムはロボットの作業領域内に搬送されます。そして、ビジョンシステムが部品の正確な位置と向きを特定し、ロボットが部品のどこをどのように把持し、どのように操作するかを指示します。

図4：サーボモータ駆動のデルタロボットでは、3自由度（DOF）に回転軸を加えて毎分200サイクルの動きをします。コントローラは、これらのロボットの軸に2ミリ秒の応答速度で指令を出し、コンベアなどと同期させることができます。実は、デルタロボットにはQuattroというものがあり、ベースとエンドエフェクタをつなぐ平行四辺形が3つではなく4つあることで、高速でも高い剛性と位置精度を実現しています。（画像提供： Omron Automation）

そのため、デルタロボットはアイテムを拾ってから、必要な場所に移動させることもあります。次に、目的の場所と向きにアイテムをセットすることもあります。たとえば、デルタロボットは、コンベアベルト上でランダムに配置された電子部品をピッキングし、第2のコンベアベルトを介してワークセルに示した回路基板に組み立てることができます。

複数のデルタロボットが、2本のベルトコンベアが並行して移動するラインに沿って同時に作業し、その場でピックアンドプレイスすることがよくあります。中央制御システムは、ロボット制御のルーチンを伝えるためにマシンビジョンに大きく依存しています。ピックアンドプレイスの各作業は、ほんの数秒のうちに完了することができます。

数台のデルタロボットを同時に稼働させることで、非常に迅速な組立や梱包が可能です。

エレクトロニクス製造に特化したデルタの使用例

エレクトロニクス製造業では、プリント回路基板（PCB）や部品の搬送、ハンドリング、プリント基板アセンブリ、デバイスアセンブリにデルタロボットが使用されています。

プリント回路基板は、非導電性の基板と銅の層が重なっています。回路レイアウトは通常、リソグラフィで基板に印刷され、その後、残りの銅層が化学的にエッチングされます。その後、密接に配置された部品や銅線間のはんだブリッジを防ぐために、非導電性のソルダーマスクが使用されます。プリント回路基板の組み立てでは、スルーホールまたは表面実装技術（SMT）の部品を配置し、はんだ付けをします。昔のプリント回路基板では、スルーホールの部品しか使われていませんでしたが、今では珍しくなっています。スルーホール部品は、基板に開けた穴からリード線を挿入し、反対側をはんだ付けすることで機械的強度を高めていますが、この工程が増えることで組み立てが難しくなっています。小型部品ではSMT部品が主流で、高度に自動化された大量生産に適しているのは当然です。しかし、コンデンサやトランス、コネクタなどの大型部品は、スルーホールでの実装がまだ必要な場合が多くあります。

図5：電子基板がコンベアに乗って、組立作業セルを通過します。（画像提供：Getty Images）

いずれのプリント回路基板への部品実装も、デルタロボットを補助するマシンビジョンにより、基板に実装する前に部品のばらつきや向きを確認することができます。高いスループットを実現するために、ロボットピックアンドプレースヘッドは、一度に数個の部品を処理するように設計される場合があります。あるロボットのエンドエフェクタは、はんだペーストも塗布し、さらに別のロボットのエンドエフェクタは、熱を加えて取り付けた部品を電気的に接続することができます。そのほか、ウェーブはんだ付け技術で部品を取り付けることもありますが、このためのマシンは高価で、大量生産に適しています。さらに、挿入機では大きすぎる部品を手作業で半導体基板に取り付けることもあり、コストがかかります。また、部品と部品の間にある手の届きにくい場所には、手作業ではんだを塗る必要がある場合もあります。

後者では、大きな部品の配置や部品間のはんだ付けを、手作業に代わってデルタロボットが行うことができます。

また、デルタロボットは、直交型のピックアンドプレースマシンに比べて、はるかに低コストで、はるかに簡単に設定することができます。何しろ、後者は大型で重量もあり、CNC工作機械と同じようなものです。直交座標系は移動が難しく、移動後はコストと時間のかかる再校正が必要です。一方、デルタロボットは小型、軽量なので、かなり頻繁に移設することが可能です。新しい場所でセットアップした後、簡単な自己校正ルーチンを実行するだけで、運転を再開することができます。

図6：デルタロボットの中には、5軸で操作してあらゆるタイプの物体を方向付けるものがあります。このIRB 365は、1 kgの製品を毎分120ピックで仕分け、供給、ピッキング、方向変換、配置することができ、高いスループットと効率性を必要とする生産現場の要求に応えます。OmniCoreと呼ばれるコンパクトなデルタロボットコントローラにより、システムは高性能なモーションコントロール、デジタル接続、1000以上のプログラム済みの機能を提供します。（画像提供：ABB）

デルタロボットのオプションは豊富です。Codian Robotics は、多関節アーム型ロボットを主に製造する多くの産業用ロボットメーカーとは対照的に、デルタロボットだけを専門に扱っています。デルタロボットの可搬重量は1.5～125 kgで、小さな電子部品の組み立てから、はるかに大きな設計まで対応します。Mitsubishi Electricのパートナーシップにより、CodianのデルタロボットとMitsubishiのコントローラを組み合わせることができます。

ABBのデルタロボットは、FlexPickerブランドで生産されています。現行モデルはIRB 360で、エンドエフェクタに2つの補助回転軸を直列に配置して5軸の動きを実現したデルタロボットです。これらのロボットは、ピックアンドプレース作業に最適化されています。

Fanucでは、デルタロボットを2つのレンジで生産しています。M シリーズには、小型部品（主に電子部品）の組み立てに使用される小型ロボットと、大型ロボットがあります。M シリーズには、3軸、4軸、5軸のロボットが用意されています。DR-3iB シリーズは、ピッキングや梱包作業用に設計された大型の4軸ロボットで、動作速度は最大5.5 m/sec、可搬重量は最大8 kgまでです。

まとめ

デルタロボットは、エレクトロニクス製造に手頃な価格で柔軟な自動化を提供します。他のロボットや自動ピックアンドプレースマシンよりも高速で柔軟な対応が可能な場合が多いです。