三角式機器人如何最佳化與簡化電子製造流程

三角式機器人是相對較小的機器人，可用來處理包裝食品、包裝藥品和組裝電子產品。此機器人具有精度和高速特性，因此非常適合這些應用。採用平行運動，因此可達到快速準確的動作，並且塑造一種如同蜘蛛般的外型，與其他關節臂機器人完全不同。

圖 1：機器人連桿臂在電子生產線上的使用，且附有照明效果。- 庫存照片 (圖片來源： Phuchit • Getty Images)

三角式機器人通常 (但並非總是) 採用吸頂安裝，以便從上方處理活動組件和包裝線。工作範圍比關節臂小很多，並且進入受限空間的能力非常有限。換句話說，因為具有剛性性和可重複性，有利於高度準確地處理精細工件，包括要組裝的半導體。

三角式機器人介紹

工業機器人大致分為活動機器人、串聯機械手臂或並聯機械手臂。

活動機器人包括無人搬運車 (AGV) 和自動堆高機，主要用於在工廠和倉庫內四處移動材料。

被歸類為串聯機械手臂的機器人具有一連串運動力學連桿，會將固定座連接到末端效應器；這些機器人含有關節臂和垂直座標型機器人。由於每個連桿的剛度和定位準確度取決於前一個連桿，因此連桿離底座越遠，串聯機械手臂的準確度和剛性就會越低。雖然有例外，但這種形態往往會將六軸機器人的準確度限制在幾毫米內；在快速移動到新位置並停止後，這類機器人的末端效應器會在趨穩之前擺動一段時間。

有一種串聯機械手臂也會用於三角式機器人的許多應用，那就是選擇順應性關節機械手臂或簡稱 SCARA 機器人。其機械結構非常簡單，兩個旋轉接頭會對齊，因此軸會彼此平行，並與第三個線性軸平行。兩個旋轉接頭會提供一個平面上的 X-Y 定位，而第三個線性軸則提供 Z 方向的運動。雖然可能缺乏三角式機器人的精度，但 SCARA 的成本相對較低，並且可非常迅速地執行任務，即使在狹窄的空間內也是如此。

圖 2：三角式機器人屬於一種並聯機械手臂，具有三個平行四邊形，全都連接到末端效應器端的單一剛性主體。每個平行四邊形的底座以相對於機器人底座的單一自由度致動。三角式機器人通常採用吸頂安裝，以便從上方處理輸送帶或工件。(圖片來源： Wikimedia Commons)

與串聯機械手臂相比，歸類為並聯機械手臂的機器人 (包括三角式機器人) 具有多個運動連桿，將末端效應器連接到底座。這種形態會構成比串聯機器人類型更堅固、更剛硬、更輕巧的結構。其輕巧卻堅固的結構能讓三角式機器人迅速加速，達到非常短的循環時間。另一種類型的並聯機械手臂則是史都華平台或六足型；可提供最大的剛性、精度和速度；通常可在精密光學應用中對振動進行即時校正。

圖 3：在此顯示採用三角式機器人、SCARA 機器人和活動機器人的視覺負載型工作單元 。三角式機器人採用不鏽鋼並具有 IP67 等級。(圖片來源： KUKA)

通常，三角式機器人上的每個平行四邊形都由旋轉電動馬達以線性致動方式來致動。(Igus 的 Drylin 系列低成本三角式機器人則採用較罕見的線性驅動配置。)平行四邊形的連結器會限制末端效應器只可平移運動。這可達到與三軸垂直座標型機器相同的運動度，但結構更具剛性且更輕。這種配置的另一個優點在於驅動馬達的質量位於底座 (通常採吸頂安裝)，因此機器人的所有活動零件都是被動式輕質結構元件。有些三角式機器人會在末端效應器上串聯額外的旋轉軸，以提供四軸、五軸或六軸運動。

三角式機器人應用概述

三角式機器人廣泛用於電子組裝以及食品和藥品包裝的拾放應用。當三角式機器人在一個或多個輸送帶或活動組裝平台上操作時，物品會輸送或以其他方式運輸到機器人的工作範圍內。接著，視覺系統會識別零件的確切位置和方向，以引導機器人抓取的位置與方法，或對零件的其他操作方式。

圖 4：這種伺服馬達驅動的三角式機器人能以三個自由度 (DOF) 和一個旋轉軸達到每分鐘 200 次循環的運動。控制器能以 2 ms 的反應時間指揮這些機器人的軸，以便與輸送帶和其他任務達到同步。事實上，還有另一個三角式機器人是 Quattro；具有四個平行四邊形而不是三個，會將底座與末端效應器連接，以在高速下提供高剛性與定位準確性。(圖片來源： Omron Automation)

因此，三角式機器人可拾取物品，然後將其移動到所需位置。接下來，會將物件以目標位置和方向擺放。例如，三角式機器人可以撿起在輸送帶上隨機方向擺放的元件，然後透過第二條輸送帶，在工作單元中的電路板上組裝這些元件。

同一條生產線上通常會有多個三角式機器人同時工作，搭配兩條平行且持續移動的輸送帶，以便立即進行拾放。集中式控制系統可協調這類配置的系統，但非常仰賴機器視覺來告知機器人控制例行作業。每個單獨的拾放操作只需幾分之一秒即可完成。

在多部三角式機器人同時運行下，就可非常快速地組裝和包裝。

電子製造專用的三角式機器人用途

電子製造仰賴三角式機器人來輸送和處理印刷電路板 (PCB) 和元件、PCB 組裝和裝置組裝。

PCB 有多層的非導電基板和銅層。電路佈局通常會用光刻印刷在電路板上，再將銅層的其餘部分以化學蝕刻除去。接著會塗上不導電的防焊膜，以避免緊密擺放的元件和銅走線之間產生錫橋。PCB 組裝涵蓋元件放置，然後對通孔或表面黏著 (SMT) 元件進行焊接。較舊款的 PCB 僅會使用通孔式元件，但如今比較少見。通孔元件的引線會穿過電路板上的孔插入，然後焊接在另一面，以達到更大的機械強度，但這個額外流程也會提升組裝上的難度。難怪如今較小的元件主要都是 SMT 元件，更適合高度自動化的大量生產。即便如此，較大型的元件仍多少需要採用通孔安裝，例如電容、變壓器和連接器等。

圖 5：電子機板在輸送帶上通過組裝工作單元。(圖片來源：Getty Images)

無論是哪種 PCB 元件安裝方式，三角式機器人透過機器視覺的輔助，就可先檢查元件的差異和方向，然後再安裝到機板上。為了達到處理量，機器人拾放頭可以設計成一次處理多個元件。讓機器人的一個末端效應器塗焊膏，而另一個負責加熱，讓安裝的元件達到電氣連接。或者也可利用波峰焊技術安裝元件，但這類技術的機器價格昂貴，比較適合超大量生產。若元件對嵌入機來說太大，通常需要人工組裝到半導體板上，這更耗費成本。對於元件之間不易深入的位置，也有可能要以人工方式塗抹焊料。

針對以上情況，可用三角式機器人取代人工操作，就可放置更大的元件並在元件之間進行焊接。

三角式機器人比起垂直座標型拾放機器，在成本上更低且更容易配置。畢竟，後者又大又重 (類似於 CNC 機床)。垂直座標型系統很難移動，就算移動後，可能還需要昂貴且耗時的重新校準。相較之下，三角式機器人體積小、重量輕，可以相當頻繁地搬遷。架設在新位置後，只需執行一個簡單的自我校準常式，就可恢復操作。

圖 6：有些三角式機器人可透過五個軸的操控調整各類型物件的方向。在此所示的 IRB 365 能針對 1 kg 產品，以每分鐘 120 次拾取的速度進行分類、進料、拾取、重新定向和放置，可滿足生產設施對高處理量和高效率的要求。此系統會由名為 OmniCore 的緊湊型三角式機器人控制器控制，可提供高效能的運動控制、數位連線和超過一千種程式功能。(圖片來源： ABB)

三角式機器人的選擇豐富。相較於絕大多數主要生產關節臂機器人的 工業機器人製造商，Codian Robotics 只專精於三角式機器人。此供應商的三角式機器人可提供 1.5 至 125 公斤的酬載，可將微小的電子零件組裝到多種更大的設計中。Mitsubishi Electric 透過合作關係，將 Codian 三角式機器人與 Mitsubishi 控制器搭配在一起。

ABB 的三角式機器人以 FlexPicker 品牌生產。當前型號來到 IRB 360，這款三角式機器人，在末端效應器上串聯兩個輔助旋轉軸，可進行五軸運動。這些機器人針對拾放操作進行最佳化。

Fanuc 生產的三角式機器人分為兩個系列。M 系列包括小零件 (通常是電子零件) 組裝用的小型機器人，也包括大型機器人。M 系列機器人提供三軸、四軸和五軸配置。DR-3iB 系列機器人是更大型的四軸機器人，可進行拾取和包裝操作，運動速度高達 5.5 m/s，有效酬載高達 8 kg。

結論

三角式機器人為電子製造提供經濟實惠且靈活的自動化選擇。通常比其他機器人和自動拾放機具有更快的速度和更大的靈活性。