DE10030224C1

DE10030224C1 - Miniaturgreifkopf, insbesondere für Abrißtests

Info

Publication number: DE10030224C1
Application number: DE2000130224
Authority: DE
Inventors: Joerg Gasmann
Original assignee: Joerg Gasmann
Current assignee: FFZ FEINMECHANISCHES FERTIGUNGSZENTRUM GLASHUE, DE
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2020-06-21

Abstract

Bei einem Miniaturgreifkopf, insbesondere für Abrißtests an stoffschlüssigen Verbindungen, mit mindestens einem zugkraftgesteuert bewegbaren Greiffinger, der in einem Grundkörper gelagert ist, ist ein Grundkörper (1) auf einer Zugstange (7) geführt, an deren Zugende die Zugkraft verstärkend zu einer Greifvorspannung angreifen kann und an deren anderem Ende eine Betätigungskulisse (6) angeordnet ist, die den/die Greiffinger (2) bei Zug zusätzlich zur Greifvorspannung in Greif- und Zugrichtung beaufschlagt und wobei ein Formgedächtnisaktor (10) bei seiner Erwärmung den/die Greiffinger (2) entgegen der Greifvorspannung in Lösestellung zieht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Miniaturgreifkopf, insbesondere für Abrißtests an stoffschlüssigen Verbindun gen, wie Löt- oder Schweißverbindungen auf Mikrochips. An dere Einsatzgebiete liegen im Bereich der Mikro-Montage, Handhabetechnik, Labortechnik und Mikrochirurgie.

Miniaturgreifvorrichtungen sind auf vielen Gebieten der Technik zunehmend gefragt. Ein Anwendungsgebiet betrifft die wirtschaftliche Herstellung und Prüfung von Mikro-/Mi niatursystemen. Die Anforderungen an die Gebrauchseigen schaften sind sehr hoch. So sind präzise Greifbewegungen des Greifkopfes zu realisieren. Die Greiffingerabmessungen sollen zumindest in zwei Dimensionen vorzugsweise unter einem Millimeter betragen. Sie müssen reinraumtauglich sein und sollen eine möglichst geringe Masse und Trägheit besitzen.

Für die verschiedensten Anwendungen haben sich spezifische Greifprinzipe entwickelt. Weit verbreitet sind Sauggreifer für die Montage integrierter Schaltkreise, Adhäsionsgrei fer, magnetische und elektrostatische Greifer für Füge prozesse sowie mechanische Greifer.

Gemeinsames Merkmal der mechanischen Greifer ist ein mechanisches Getriebe, das die Antriebs- in die Greifbewe gung umsetzt. Den Antrieb übernahmen vorzugsweise Piezo- Aktoren oder Aktoren aus Formgedächtnislegierungen. Beide Antriebe sind abriebfrei und deshalb für Reinräume präde stiniert.

Eine Greifvorrichtung für die Mikromontage mit einem Piezostellelement als Aktuator ist in der DE 196 44 502 A1 angegeben. Sie besitzt wenigstens zwei Greiferelemente, die jeweils über ein Festkörpergelenk mit einem Grundkör per verbunden sind und jeweils einen Greifbacken- sowie ein Hebelarmbereich aufweisen, wobei das Piezostellelement einerseits mit dem Grundkörper und andererseits mit dem Hebelarmbereich in Wirkverbindung tritt. Sobald eine Span nung an das Piezostellelement gelegt wird, längt sich die ses und drängt eine Scheibe gegen den Hebelarmbereich, wo durch die Greifbacken aufgrund der Hebelwirkung zusammen gedrückt werden. Der Aktuator hat demnach die Aufgabe, die Greifbewegung und die Greifkraft zu erzeugen.

Formgedächtnisaktoren erreichen bei gleichem Volumen er heblich größere Stellwege als Piezo-Aktoren und lassen sich hervorragend in Kleinstmechanismen integrieren.

Ein vorbekannter Greifer für einen Industrieroboter nach DE 44 06 771 C2 hat bewegliche Finger, die beidseitig durch Formgedächtniselemente in Form von Schenkelfedern bewegt werden. Dabei erfolgt sowohl der Zugriff der Greiferfinger auf ein Werkstück als auch das Lösen der Finger des Greifers vom Werkstück durch die Formgedächt niselemente, die entsprechend erwärmt und gekühlt werden. Mit diesem Greifer sind allerdings nur relativ geringe Spannkräfte erzielbar, insbesondere wenn zur Beschleuni gung der Rückstellbewegung der Greiferfinger den Formge dächtniselementen Federn entgegengesetzt werden.

Aus DE 197 38 296 A1 ist ein Mechanismus zur Erzeugung von Stellbewegungen, bestehend aus einem Formgedächtnisele ment, einem Sprungwerk und einem Grundkörper als gemeinsa mer Stütz- und Aufhängepunkt, sowie weiteren Elementen zur Bewegungsumsetzung bekannt. Die etwas träge Arbeitsweise einer Formgedächtnislegierung wird durch eine schnelle und definierte Sprungbewegung des Sprungmechanismus ersetzt. Allerdings bestimmt der Sprungmechanismus, beispielsweise eine Teller- oder Omegafeder, die funktionsbedingt nicht beliebigg erhöhbare Haltekraft. Anschläge, von denen einer verstellbar ist, begrenzen die Bewegung der beweglichen Greifbacke und damit die Verschiebung der Kraftwirkungsli nie der Feder und bewirken, daß beim Abschalten des Fomge dächtniselements von der elektrischen Heizung ein selb ständiges Rückstellen durch die Feder erfolgt. Mit dem Mechanismus lassen sich Miniaturgreifer, Kupplungen oder Ventile realisieren.

In der DE 197 40 091 A1 ist eine Anordnung zur Erzeugung von Stellbewegungen mit einem Arbeitselement und einem Kompensationselement aus Formgedächtnislegierungen be schrieben.

Für Aufgaben, bei denen die Miniaturgreifer größere Greif- und Zugkräfte beherrschen müssen, eignen sich die bekann ten Vorrichtungen nicht.

Ein Anwendungsbeispiel hierfür sind Prüfvorrichtungen für Abreißtests an Lotkugeln auf sogenannten Ball-Grid-Arrays. An einen solchen Miniaturgreifkopf sind sehr hohe Anforde rungen zu stellen. Eine auf einem Mikrochip neben vielen anderen befindliche Lotkugel muß sicher gegriffen und senkrecht zur Mikrochipfläche so stark belastet werden, bis der Stoffzusammenhalt zwischen Lotkugel und Träger zerstört wird und der Abriß erfolgt. Dabei soll die Lotku gel am Kugelhals nicht oder möglichst gering deformiert werden, andererseits muß ausreichend Kraft aufgebaut wer den, damit die Lotkugel sicher gehalten wird. Weiterhin sollten mit dem Greifer Tests an verschiedenen Lotkugel durchmessern mit vorzugsweise einem Durchmesser von 100 µm bis 1000 µm und unterschiedlichen Lotkugel-Rastern auf dem Mikrochip möglich sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Miniaturgreifkopf zu entwickeln, der eine besonders hohe und präzis einstellba re Greif- sowie Zugkraft aufbringen kann, eine einstellba re Öffnungsweite besitzt, gut zu manipulieren ist, wobei z. B. dicht nebeneinander angeordnete Miniaturobjekte pro blemlos gegriffen werden sollen, und der reinraumtauglich und wartungsarm ist.

Die Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkma len erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen zeigen die be gleitenden Unteransprüche auf.

Danach weist der erfindungsgemäße Miniaturgreifkopf minde stens einen zugkraftgesteuert bewegbaren Greiffinger auf, der in einem Grundkörper gelagert ist, der seinerseits auf einer Zugstange geführt ist, an deren Zugende die Zugkraft verstärkend zu einer Greifvorspannung angreifen kann und an deren anderem Ende eine Betätigungskulisse angeordnet ist, die den/die Greiffinger bei Zug zusätzlich zur Greif vorspannung in Greif- und Zugrichtung beaufschlagt, und wo bei ein Aktor mit Formgedächtnis-Eigenschaften bei seiner Erwärmung den/die Greiffinger entgegen der Greifvorspan nung in Lösestellung bringt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Schema einer Miniaturgreifvorrichtung in gelö ster Stellung und

Fig. 2 das Schema der Miniaturgreifvorrichtung in Greif stellung.

In den Figuren sind dieselben Teile mit denselben Bezugs zeichen gekennzeichnet. In einem Grundkörper 1, von dem nur zwei Seitenteile schematisch dargestellt sind, sind zwei starre Greiffinger 2 in jeweils einem Festlager 3 so angelenkt, daß sie jeweils einen zweiarmigen Hebel bilden, wobei jeweils der Hebelarm eines Greiffingers 2, der eine Greifspitze 4 ausbildet, aus dem Grundkörper 1 herausragt und der jeweils andere Hebelarm eines Greiffingers 2 in den Grundkörper 1 eintaucht, wo er ein rollengelagertes Betätigungsende 5 für das Zusammenspiel mit einer Betäti gungskulisse 6 ausbildet.

Die Betätigungskulisse 6 befindet sich am Ende einer Zug stange 7 und ist beispielsweise mit dieser verschraubt. Auf der Zugstange 7 und der Betätigungskulisse 6 ist der Grundkörper 1 in vertikaler Richtung verschieblich ("schwimmend") geführt. Außerdem ist die Zugstange 7 an ihrem Zugende mit einem nicht näher ausgeführten Testautomaten A verbunden, der die Zugkraft aufbringt. Die Zug stange 7 ist austauschbar und damit an unterschiedliche Testautomaten A anpaßbar.

Die im Grundkörper 1 gelagerten Greiffinger 2 bilden mit der Betätigungskulisse 6 ein Keilgetriebe, dessen Überset zung so dimensioniert ist, daß eine Zugkraft an den Greif spitzen 4 der Greiffinger 2 eine um einen Faktor vergrö ßerte Greifkraft erzeugt. Dieser Faktor ergibt sich über den Steigungswinkel der Betätigungskulisse 6, über die La ge der Festlager 3 für die Greiffinger 2 im Grundkörper 1 und über das Längenverhältnis der beiden Hebelarme eines Greiffingers 2.

Durch die schwimmende Lagerung des Grundkörpers 1 auf der Zugstange 7 und der Betätigungskulisse 6 ist die Greifbe wegung gleichzeitig mit einer vertikalen Verschiebung der Greiffinger 2 verbunden. Eine Zugfeder 8 übt ständig eine Druckkraft zwischen der Betätigungskulisse 6 und dem Grundkörper 1 aus, so daß die Greiffinger 2 im Ruhezustand geschlossen sind.

Die Hebelarme der Greiffinger 2, die das Betätigungsende mit der Wälzführung 5 ausbilden, tragen Zugdrahtführungen 9 für einen Formgedächtnisaktor 10. Dieser Formgedächt nisaktor 10 ist im Beispiel ein Formgedächtnisdraht 10, der etwa U-förmig von einem Befestigungspunkt 11 im Grund körper 1, durch die Zugdrahtführungen 9 der Greiffinger 2 und zurück zu einem weiteren Befestigungspunkt 11 im Grundkörper 1 geführt ist. Wird das Formgedächtnis des Formgedächtnisdrahtes 10 durch Stromwärme aktiviert, zieht sich der Formgedächtnisdraht 10 zusammen. Der Miniatur greifkopf wird relativ zum Testautomaten A auf der Zug stange 7 angehoben und über das Keilgetriebe öffnen sich die Greifspitzen 4 der Greiffinger 2.

Im folgenden soll der Greifvorgang näher beschrieben werden. Der Miniaturgreifkopf wird über dem Greifobjekt, im Beispiel eine Lotkugel auf einem Ball-Grid-Array B, posi tioniert und der bestromte Formgedächtnisdraht 10 öffnet die Greiffinger 2 mit den Greifspitzen 4 und hebt den Mi niaturgreifkopf damit gleichzeitig leicht an. Jetzt kann der Miniaturgreifkopf so positioniert werden, daß sich die Lotkugel zwischen den Greifspitzen 4 befindet. Ist der Mi niaturgreifkopf positioniert, wird der Formgedächtnisdraht 10 stromlos geschaltet, der Miniaturgreifkopf senkt und schließt sich so, daß die Greifspitzen 4 durch die Zugfe der 8 leicht an die Lotkugel angepreßt werden.

Ist die Positionierung abgeschlossen, beginnt der Abreiß test. Dabei beginnt der Testautomat A über die Betäti gungskulisse 6 am Miniaturgreifkopf zu ziehen. Da sich die Greiffinger 2 mit ihren Greifspitzen 4 an der Lotkugel festklemmen oder festhaken, je nach ihrer Ausbildung, er zeugt diese eine Gegenkraft in vertikaler Richtung, wo durch wiederum über die Betätigungskulisse 6 eine stärkere Greifkraft erzeugt wird. Das Keilgetriebe arbeitet als me chanischer Verstärker. Die Greifkraft ist direkt von der vom Testautomaten A aufgebrachten Zugkraft an der Zugstan ge 7 abhängig. Um die Lotkugel nicht durch eine zu starke Greifkraft zu zerstören, wird der Greifweg durch verstell bare Anschläge 12 begrenzt.

Ein optional an der Betätigungskulisse 6 befestigter Ab streifer 13 sorgt dafür, daß eine abgerissene Lotkugel si cher aus den Greifspitzen 4 entlassen wird.

Im Gegensatz zu bekannten Miniaturgreifern mit Formge dächtnisantrieb wird bei dem vorstehend beschriebenen Mi niaturgreifkopf der Antrieb für das Schließen der Greif finger in Greifposition und im übrigen auch die Zugkraft für den Abreißtest nicht durch Formgedächtnisaktoren, son dern ausschließlich durch konventionelle mechanische Kraft erzeugung aufgebracht, wodurch die Kräfteanforderungen außerordentlich hoch sein können und ihre Grenze prinzipiell nur in der Miniaturisierung und in den Materialeigenschaf ten finden. Die Formgedächtnis-Eigenschaft des Formgedächt nisdrahtes dient ausschließlich zum Öffnen der Greiffinger 2 in ihre Lösestellung und zum Anheben des Miniaturgreif kopfes auf der Zugstange 7 und damit zur wesentlichen Er leichterung der Handhabung des Abreißtests sowie ganz all gemein zur Verbesserung der Eigenschaften des Miniatur greifkopfes.

Im Beispiel ist der Grundkörper 1 schwimmend auf der Zug stange 7 und der Betätigungskulisse 6 gelagert. Je nach Ausführung genügt auch eine schwimmende Lagerung nur auf der Zugstange 7 oder nur auf der Betätigungskulisse 6. Zur Führung der Betätigungskulisse 6 können beispielsweise die Seitenteile des Grundkörpers 1 herangezogen werden, die in der Schnittdarstellung nach Fig. 1 und 2 nicht zu sehen sind. Diese können als flache Wände ausgebildet sein, die mit den dargestellten Seitenteilen z. B. verschraubt sind.

Im Beispiel ist der Miniaturgreifkopf mit einem Greiffin gerpaar 2 ausgerüstet. Ohne den Erfindungsdeanken zu ver lassen, können selbstverständlich mehr als zwei Greiffin ger 2 oder mehr als ein Greiffingerpaar 2 im Grundkörper 1 gelagert sein.

Weiter ist es möglich, einen beweglichen Greiffinger 2 gegen einen Greiffinger 2 arbeiten zu lassen, der starr mit dem Grundkörper 1 verbunden ist.

Bezugszeichen

1

Grundkörper

2

Greiffinger

3

Festlager für Greiffinger

4

Greifspitze des Greiffingers

5

Wälzführungsgelagertes Betätigungsende des Greif fingers

6

Betätigungskulisse

7

Zugstange

8

Zugfeder

9

Zugdrahtführung

10

Formgedächtnisdraht

11

Befestigungspunkt

12

Anschlag

13

Abstreifer
A Testautomat
B Ball-Grid-Array mit Lotkugel

Claims

1. Miniaturgreifkopf, insbesondere für Abrißtests an stoffschlüssigen Verbindungen, mit mindestens einem zug kraftgesteuert bewegbaren Greiffinger, der in einem Grund körper gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) auf einer Zugstange (7) geführt ist, an deren Zugende die Zugkraft verstärkend zu einer Greifvor spannung angreifen kann und an deren anderem Ende eine Be tätigungskulisse (6) angeordnet ist, die den/die Greiffin ger (2) bei Zug zusätzlich zur Greifvorspannung in Greif- und Zugrichtung beaufschlagt und wobei ein Formgedächt nisaktor (10) bei seiner Aktivierung den/die Greiffinger (2) entgegen der Greifvorspannung in Lösestellung bringt.

2. Miniaturgreifkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Formgedächtnisaktor (10) bei seiner Aktivie rung den/die Greiffinger (2) entgegen einer Greifvorspan nung öffnet und den Miniaturgreifkopf relativ zur Zugstan ge (7) anhebt, wohingegen bei deaktiviertem Formgedächt nisaktor (10) der Miniaturgreifkopf infolge einer Greif vorspannung relativ zur Zugstange (7) abgesenkt wird und der/die Greiffinger (2) am Greifobjekt angreift/angreifen.

3. Miniaturgreifkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Grundkörper (1) allein oder zusätz lich zur Zugstange (7) auf der Betätigungskulisse (6) schwimmend gelagert ist.

4. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Greiffinger (2) endseitig (eine) Greifspitze(n) (4) zum Hintergreifen des Greifobjektes aufweist/aufweisen.

5. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Greiffinger (2) zwischen seiner/ihren Greifspitze(n) (4) und seinem/ihren Betätigungsende(n) (5) im Grundkörper (1) gelagert ist/sind.

6. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem/den Greiffinger(n) (2) eine Zugdrahtführung (9) für einen Formgedächtnisaktor (10) in Gestalt eines Formgedächtnis drahtes angeordnet ist.

7. Miniaturgreifkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Formgedächtnisdraht (10) etwa U-förmig vom Grundkörper (1) ausgehend durch die Zugdrahtführung(en) (9) eines Greiffingers/Greiffingerpaares (2) und zurück zum Grundkörper (1) geführt ist.

8. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifvorspannung durch Federkraft (Zugfeder 8) aufgebracht wird.

9. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Greif- und Zugkraft von einem Testautomat (A) aufgebracht wird.

10. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Betätigungsende(n) (5) des/der Greiffinger(s) (2) wälzkör pergeführt zur Betätigungskulisse (6) läuft/laufen.

11. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß (ein) einstellbare(r) An schlag/Anschläge (12) die Greifkraft der Greiffinger (2) begrenzt/begrenzen.

12. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (7) im Sin ne einer Adapterfunktion leicht auswechselbar ist.

13. Miniaturgreifkopf nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß an der Betätigungskulisse (6) ein Abstreifer (13) für ein abgerissenes Greifobjekt befestigt ist.