CN101095387A - 零部件载体的装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种为一零部件载体(270)装配零部件(260)的方法，其中，一装配头的抓持装置(210)借助一由其施加在一零部件(260)上的抓持力拣取零部件(260)。被拣取的零部件(260)由所述装配头传送至一位于一设置在零部件载体(270)上的零部件安装位置上方的松开位置。到达所述松开位置时，所述抓持力被切断，使得零部件(260)从抓持装置(210)上脱落，并被传送到零部件载体(270)上。可通过下述方法提高零部件传送的过程稳定性，即，零部件(260)在抓持装置(210)尽可能急遽的制动过程中脱落，从而使零部件传送得到零部件(210)的机械惯性的支持。此外，零部件(260)从一用作抓持装置的吸管(210)上脱落的过程也可得到一气动切换阀的支持，借助所述气动切换阀可从一负压转换至一过压，借助所述负压可实现吸管(210)对零部件(260)的抓持，所述过压通过鼓风来支持零部件(260)的松开。

Description

零部件载体的装配方法

技术领域

本发明涉及为一零部件载体装配零部件的方法，其中，借助一装配头将待装配的零部件从一零部件供给装置传送至一装配区，并将其放置在所述零部件载体上规定的零部件安装位置上。

背景技术

进行所谓的表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)范畴内的零部件载体装配时，借助一装配头从一零部件供给装置的一取件位置上拣取SMT零部件，并将其放置在零部件载体上规定的零部件安装位置上。下文中，“零部件载体”这一概念指的是任何一种可装配的基板，尤指印制电路板。“零部件”指的是所有可装配的元件，尤指双极或多极SMT零部件或其他类型的高度集成的平面零部件，例如球栅阵列、裸晶和倒装芯片。此外，“零部件”这一概念还包括用于所谓的发射应答器的RFID芯片。

鉴于电子零部件的日趋小型化及电子市场上的大幅降价现象，对现代自动装配机在装配精确度和装配速度方面均提出了高要求。特别在零部件尺寸较小的情况下，较高的装配速度会使零部件被放置到零部件载体上时所承受的机械负荷大到损坏零部件的程度。零部件在快速装配过程中所受到的机械负荷来源于，即使装配头的工作力度很轻，其在放置零部件时也会对零部件施加一至少为2牛顿的静放置力。即便这么小的放置力在尺寸较小的零部件上也会产生很大的放置压力，以致无法有效排除零部件受到机械损伤的可能，其中，“尺寸较小的零部件”指的是边长为0.5mm范围内的零部件。尽管通过降低放置速度可进一步减小零部件的机械负荷，但这会对装配速度产生不利影响，从而与上文所述的对现代自动装配机的装配效率的要求之间产生矛盾。在此情况下，“装配效率”指的是在一特定的时间单位内所能装配的最大零部件数。

在用传统方法特别对尺寸较小的零部件进行装配时所产生的另一个问题是沉积物的非期望变形，所述沉积物通常安装在零部件连接面上，用于将零部件固定在装配位置上，并使其与装配位置永久接触。举例而言，焊膏的变形会使不同连接面之间发生非期望的短路，还会导致零部件的连接部分和零部件载体之间的连接质量不合格。由于沉积物的变形取决于以一定的放置力被压入沉积物的零部件的放置速度和放置压力，因此，这个问题在零部件尺寸较小的情况下特别突出，在期待零部件进一步小型化的未来将变得越来越重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种为一零部件载体装配零部件的方法，借助所述方法可实现快速而又具保护性的装配。

这个目的通过一种具有独立权利要求1所述特征的方法而达成。根据本发明，一装配头的一抓持装置借助一由其施加在一零部件上的抓持力拣取所述零部件，所述零部件随后被所述装配头传送至一位于一设置在零部件载体上的零部件安装位置上方的松开位置。其中，所述松开位置与零部件载体表面之间存在一规定间距。为达到松开零部件的目的，切断抓持力，使得零部件从抓持装置上脱落，并传递到零部件载体上。

其中，松开位置与零部件载体表面之间的规定间距的大小取决于多个过程参数，最迟在实施本发明方法的自动装配机的运行过程中，通过适当的装配试验对这些过程参数进行测定。所述间距特别取决于待装配零部件的尺寸，这是因为必须确保即使在零部件并非平衡稳定地脱离抓持装置的情况下，也能避免零部件发生倾斜。通过这种方法可确保将零部件的底面平放在待装配的零部件载体上。

本发明基于这样一种认识：通过这种以一定程度上不发生接触的方式将零部件从抓持装置传送到零部件载体上的传送方法既可实现快速装配，又可实现对零部件具有保护性的装配，从而既可实现电子零部件的低成本制备，又可实现与受损零部件或装配效果不理想的零部件相关的低故障率。

其中，“非接触式零部件传送”这一概念指的是，在零部件的放置过程中并不与零部件载体自身发生机械接触，零部件载体通常为一非常坚硬的底板。这里包括多个可行的松开方案：

A)投下零部件：在此情况下，松开位置处于相关零部件安装位置的接触面上方较远的地方，因而可借助介质空气将零部件放置到零部件载体上。这或多或少要求零部件平衡稳定地脱离抓持装置。投下零部件这一方案例如可通过重力和/或通过磁引力或静电引力促成或支持。

B)放下零部件：松开位置处于相关零部件安装位置的接触面上方紧邻的地方，因此，零部件在离开抓持装置之前就已与一存在于零部件接触面上的沉积物发生接触。也就是说，零部件轻缓地被压入上述相比零部件载体而言非常柔软的沉积物中。

C)半投半放：松开位置虽位于沉积物的上方，但零部件并非平衡稳定地从抓持装置上脱落。这会导致当零部件的一侧已与一用于接触的第一沉积物接触时，零部件的另一侧还未脱离抓持装置。在此之后，零部件的相对侧才会脱离抓持装置，并被传送到相应的沉积物上。

根据权利要求2所述的方法的实现方案为，零部件先以相对较高的速度朝零部件载体移动，当距零部件载体表面的距离到达规定间距时，尽可能突然地停止抓持装置的移动。在此情况下，零部件以一初始速度被传送到零部件载体上，所述初始速度与抓持装置在零部件脱落前的即时移动相符。但在此过程中，必须确保抓持装置制动的急遽程度，从而使得零部件被松开后不会由于抓持装置的后续振动而失控地被大力压入沉积物。

根据权利要求3所述，将一吸管用作抓持装置，所述吸管通过一负压来产生抓持力。其中，通过急遽断开负压以及通过尽可能急遽地在吸管上连接一过压来支持零部件的脱落。通过这种气动支持零部件传送(将零部件传送到零部件载体上)既可提高零部件传送的速度，又可提高零部件传送的精确度。零部件传送的气动支持可通过简单的方式而实现，因为部分传统自动装配机的吸管已配有一可切换的气动装置，借助所述气动装置可实现从一负压到一过压的转换。在此需要指出的是，气动转换过程总会受到某一惯性的影响，因而可在到达松开位置之前就对一相应的转换阀进行控制，所述转换阀通常与吸管之间存在一定间距。

根据权利要求4所述，在装配的预备阶段借助一测距传感器对零部件载体的表面轮廓进行精确测量。为此既可使用目前精度已达1μm数量级的机电测量探头，也可优选使用在测量速度方面明显优于机电测量探头的光学测距传感器。基于激光三角法测量原理的传感器特别适合用作光学测距传感器，这种传感器通过对从不同入射方向射到待测量表面上的两束激光的目标点进行位置检测来测定高度轮廓。通过对表面轮廓的测量可精确确定存在于零部件载体上的零部件安装位置的高度变化，从而即使当待装配的零部件载体发生例如由机械应变引起的翘曲时，也能始终保持传送线路长度不变，所述传送线路指的是将零部件从抓持装置传送至零部件载体的线路。这一点特别有助于提高过程稳定性。

其中，可通过下述方法实现对零部件载体的表面测量，即，一个带有测距传感器的高度测量系统在零部件载体上方移动，借此对其表面轮廓进行检测；或者零部件载体定位在一固定式高度测量系统下方，并进行移动，从而至少在指定的零部件安装位置上对零部件载体表面的高度进行检测。

根据权利要求5所述的方法是通过在离散的表面轮廓测量值之间进行插值来测定表面轮廓，其优点在于可在保持高精确度的同时快速进行表面测量。

根据权利要求6所述，借助一建构为距离控制开关的共焦测距传感器检测零部件处于松开位置的时间点。例如德国专利说明书DE 101 45 167 C2中公开了一种适用的共焦距离控制开关：这种距离控制开关包括一光波导，所述光波导的一个末端既与一用于发射光的发射单元耦合，又与一用于接收光的接收单元耦合。光波导的另一末端上建构有一既用于发射光又用于接收光的端面。所述距离控制开关此外还包括一可将光波导端面投影在一空间转换区上的成像光学系统和一与光接收器耦合的输出装置。当一至少部分反光的目标进入转换区并将光波导端面发出的具有某一最低强度的光反射回光波导端面时，所述输出装置会输出一信号。

为达到通过所述共焦距离控制开关来准确识别松开位置的目的，光波导端面和距离控制开关的光学系统安装在装配头，或者更确切地说，安装在抓持装置上，并调节成在抓持装置朝零部件载体方向下降的过程中，一旦相对于抓持装置处于一固定空间位置的转换区与零部件载体表面相遇时距离控制开关正好输出一信号。

距离控制开关优选调节成在零部件即将到达松开位置时就已输出一信号。通过这种方式可将总是存在的反应时间所引起的延时考虑在内并进行相应补偿，所述反应时间特别用于彻底制动抓持装置和用于切断抓持力。

距离控制开关的优选固定方式为相对于装配头可进行平行于待装配零部件载体的表面的移动。通过这种方式可确保距离控制开关的转换区不会遇到零部件载体上一意外的突出部，例如一已装配完毕的零部件，并进而就一完全错误的高度输出一表示松开零部件的信号。

附图说明

下面借助附图和就目前而言的优选实施方案对本发明的其他优点和特征进行说明，其中：

图1为现有技术中将一零部件放置在一零部件载体上的放置过程；

图2为本发明一实施方案中，以类似不接触的方式将零部件放置在一零部件载体上的放置过程；

图3为一抓持装置在根据现有技术放置一零部件以及根据本发明实施方案松开一零部件时的速度曲线图；以及

图4为对一待装配的零部件载体的表面轮廓的测量。

在此需要说明的是，相同零部件在各附图中的区别只在于其参考符号中的第一个数字。

具体实施方式

如图1a和1b所示，从现有技术中已知的将一零部件160放置到一印制电路板170上的放置过程是，通过一拣取了零部件160的吸管110以一用箭头表示的速度v_z朝印制电路板170的方向移动。当零部件160被放置在一规定的零部件安装位置上时，零部件160的连接触点161a和161b被压入沉积物172a和172b中。安装在印制电路板170的连接面171a和171b上的沉积物172a、172b例如含有焊膏，因而在完成零部件160的装配后通过一焊接过程可确保在连接触点161a和连接面171a之间以及连接触点161b和连接面171b之间建立起永久性的电接触。

如图1b所示，零部件160被压入沉积物172a、172b中的深度根据放置力的大小和速度v_z随时间的变化而有所不同。这会致使沉积物172a、172b发生局部空间位移，因而特别在零部件尺寸较小的情况下，发生变形的沉积物172a和172b会靠近彼此间存在较小间距的连接面171a和171b，使得两个连接面171a和171b之间的一区域175内被压入材料，从而出现短路现象。这通常会导致建构在印制电路板170上的电子零部件出现故障，使得相关印制电路板170经过维修后才能用于电子器件的制备，或者无法再用于电子器件的制备，只能处理成电子废弃物。

图2a、2b、2c和2d显示的是本发明以类似于不发生接触的方式进行装配的实施例。如图2a所示，非接触式装配开始于一具有两个连接触点261a和261b且被一吸管210抓持的零部件260以一速度v_z朝一待装配的印制电路板270的方向移动。印制电路板270上设置有两个需与连接触点261a和261b电接触的连接面271a和271b。连接面271a和271b上涂覆有一焊锡沉积物272a和272b，所述焊锡沉积物将以已知方式被用于一随后的焊接过程，从而在连接触点261a与连接面271a以及连接触点261b与271b之间各自建立起永久性的接触。

如图2b所示，零部件260和抓持装置210正好在零部件260与下方的印制电路板270之间的距离为一规定间距d时停止移动。

到达零部件260的松开位置时，抓持装置210用以抓持零部件260的负压被切断，并通过吸管210的图中未显示的吸入通道吹出鼓风。从负压到一产生鼓风的过压的转换在一气动系统中以已知方式进行，所述气动系统具有一可迅速切换的气动阀。

从负压到过压的转换会使零部件260从吸管210上脱落，通常情况下，零部件260并非平衡稳定地离开吸管210，而是以图2c所示的方式离开吸管210。其中，零部件260的一侧先解除其与抓持装置210之间的接触，使得零部件260以一倾斜的状态位于抓持装置210和两个焊锡沉积物272a、272b之间的间隙中。

由于吸管210中有朝下方流出的鼓风，因此在零部件260的一侧脱离吸管210后，另一侧也会立即解除其与吸管210之间的接触，并落在焊锡沉积物272a上。至此结束对零部件260的装配，由于焊锡沉积物272a、272b具有一定的粘附性，因此，零部件260会停留在图2d所示的一预期安装位置上。

与上文中借助图1说明的接触式装配相比，以非接触方式装配的零部件260施加在焊锡沉积物272a、272b上的压力会显著减小。其结果是，焊锡沉积物272a、272b的形状不会因为零部件260而发生变化，由于变形焊锡沉积物之间存在机械接触，因而借此可有效避免连接面271a、271b之间发生短路。

此外，非接触式装配的另一优点在于，零部件260并不经受吸管210的某一最小放置力，特别在零部件尺寸较小的情况下，这一最小放置力会引起较高的压力，从而导致零部件260受到机械损伤，例如断裂。

图3显示的是一典型的速度曲线图，表示一个抓持着零部件的吸管在一装配过程中垂直于一零部件载体的表面朝所述零部件载体方向移动时所用速度。为能顺利地进行零部件传送，吸管先朝零部件载体的方向(通常是向下)加速，达到一最大速度v_z后重新减速，从而避免零部件与零部件载体剧烈相撞。在现有技术的装配过程中，为避免零部件在一时间点t₁上被放置在零部件载体上时受到机械损伤，吸管的速度v_z会被减小至一值v_z1(即碰撞最小化)。

与此不同的是，零部件的非接触式传送允许以一远大于v_z1的速度v_z2朝松开位置移动，这一位置与下方的零部件载体之间存在一定间距。在一时间点t₂上到达松开位置时，吸管尽可能突然地制动，并松开零部件。由于零部件具有机械惯性，因此其会以速度v_z2朝零部件载体方向离开吸管。通过非接触式零部件传送可为装配过程的最后一个阶段获得一节余时间△t，这一节余时间为两个时间t₁和t₂之差。在此情况下，通过非接触式装配不仅可以特具保护性的方式对零部件进行处理，还可显著提高装配效率。

进行非接触式装配时，通过在真正意义上的装配过程开始之前对一印制电路板470的表面轮廓进行精确测量，可实现较高的过程稳定性，其中，印制电路板470通常情况下借助固定夹451固定在一自动装配机的装配区内。为此可优选使用一光学测距传感器420，其安装在一装配头400上，并位于所述装配头上的一吸管410的旁边。在即将对待装配的印制电路板470进行装配的情况下，借此可以简单的方式对其表面轮廓进行检测。通过表面轮廓测量获得的高度值被存储在一图中未显示的控制单元内，并在控制吸管410移向各个与松开位置相符的位置时用作参考因素。

如果吸管410的移动由测距传感器420触发，就不必预先测量印制电路板470的表面轮廓。这一点例如可通过下述方法而实现，即，测距传感器420建构为距离控制开关，其会在向下移动的吸管410与印制电路板470上方的一安装位置之间达到一定间距时精确地发出一信号。

综上所述，本发明可概括为：本发明提供一种为一零部件载体270装配零部件260的方法，其中，一装配头的抓持装置210借助一由其施加在一零部件260上的抓持力拣取零部件260。被拣取的零部件260由所述装配头传送至一位于一设置在零部件载体270上的零部件安装位置上方的松开位置。到达所述松开位置时，所述抓持力被切断，使得零部件260从抓持装置210上脱落，并被传送到零部件载体270上。可通过下述方法提高零部件传送的过程稳定性，即，零部件260在抓持装置210尽可能急遽的制动过程中脱落，从而使零部件传送得到零部件260的机械惯性的支持。此外，零部件260从一用作抓持装置的吸管210上脱落的过程也可得到一气动切换阀的支持，借助所述气动切换阀可从一负压转换至一过压，借助所述负压可实现吸管210对零部件260的抓持，所述过压通过鼓风来支持零部件260的松开。

参考符号表

110吸管

160零部件

161a连接触点

161b连接触点

170印制电路板

171a连接面

171b连接面

172a沉积物

172b沉积物

175  中间区域

210吸管

260零部件

261a连接触点

261b连接触点

270印制电路板

271a连接面

271b连接面

272a沉积物

272b沉积物

400装配头

410吸管

420测距传感器

451固定夹

470印制电路板

D零部件-印制电路板间距

t1放置时间点(现有技术)

t2松开时间点

v_z1制动前的速度(现有技术)

v_z2制动前的速度

Δt进行非接触式装配时的节余时间

Claims (6)

1.为零部件载体装配零部件的方法，其中，

一装配头(400)的一抓持装置(210，410)借助一由其施加在一待装配零部件(260)上的抓持力拣取所述零部件(260)，

所述被拣取的零部件(260)被所述装配头(400)传送至一松开位置，该位置位于一零部件载体(270，470)上的零部件安装位置的上方，其中，所述松开位置与所述零部件载体(270，470)的表面之间存在一规定间距，以及

切断所述抓持力，使得所述零部件(260)从所述抓持装置(210，410)上脱落，并传递到所述零部件载体(270，470)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述零部件(260)处于所述松开位置时，通过所述抓持装置(210，410)的速度突变来支持所述零部件(260)的脱落。

3.根据权利要求1至2中任一项权利要求所述的方法，其中，

将一吸管(210，410)用作抓持装置，所述吸管通过一负压来产生所述抓持力，以及

通过突然断开所述负压以及通过突然连接一过压来支持所述零部件(260)的脱落。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其中，在装配的预备阶段，借助一测距传感器对所述零部件载体(270，470)的表面轮廓进行精确测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过在离散的表面轮廓测量值之间的插值来测定所述表面轮廓。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其中，借助一建构为距离控制开关(420)的共焦测距传感器，检测何时所述零部件(260)到达所述松开位置。

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