DE10114551C1

DE10114551C1 - Mikrogreifer

Info

Publication number: DE10114551C1
Application number: DE2001114551
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gengenbach; Torsten Koker; Stefan Riebel; Friedhelm Engelhardt; Andreas Hofmann; Rudolf Scharnowell
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2001-03-24
Filing date: 2001-03-24
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-25
Also published as: WO2002076685A1

Abstract

Mikrogreifer, bestehend aus einem Träger, auf dem ein Linearaktor fest aufgesetzt ist, sowie zwei gegeneinander wirkende Greiferbacken, wobei die beiden Greiferbacken gemeinsam mit mindestens einem Biegegelenk konstruktiv zusammenhängend zu einem Greifinstrument zusammengefasst sind und das Greifinstrument mit dem Linearaktor und dem Träger in der Art verbunden ist, dass die Greiferbacken durch den Linearaktor angesteuert gegeneinander auf und zu bewegbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikrogreifer in der Art weiter zu entwickeln, dass er für die Montage von Mikrosystemen universell einsetzbar ist und dabei in sehr kurzer Zeit an Komponenten unterschiedlicher Geometrie anpassbar ist. Die Aufgabe wird gelöst, indem das Greifinstrument als ein vom Mikrogreifer abnehmbares Bauteil, welches auf geeignete Weise, vorzugsweise über eine Stift-Bohrung-Presspassung oder eine Einrastverbindung, formschlüssig am Mikrogreifer fixierbar und abnehmbar gestaltet ist, konzipiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrogreifer, bestehend aus einem Träger mit Linearaktor sowie zwei gegeneinander wir kende Greiferbacken gemäß Anspruch 1.

Bei der Montage von Mikrosystemen ist es notwendig, ein zelne Bauteile oder Baugruppen mit Greifwerkzeugen aufzu nehmen, mit anderen Baugruppen zu verbinden und im An schluss daran wieder abzulegen. Für diesen Zweck eignen sich insbesondere Mikrogreifer, welche als mechanische Ba ckengreifer mit zwei oder mehreren Greiferbacken ausgerüs tet für einen bestimmten Montageschritt und eine bestimmte Bauteilgeometrie optimiert sind. Dabei haben Untersuchungen an mechanischen Backengreifern grundsätzlich gezeigt, dass mit Mikrogreifern mit zwei synchron gegeneinander wirkende Greiferbacken eine wesentlich höhere Positio nierwiederholgenauigkeit, mit dem ein Bauteil vom Greifer nach dem Greifen an einer bestimmten Position wieder abge legt werden kann, erzielbar ist als mit Mikrogreifern mit einer oder drei bewegbaren Backen [1].

Im Folgenden beschränkt sich der Begriff Mikrogreifer nur auf die Versionen mit zwei gegeneinander bewegbaren Grei ferbacken.

Mikrogreifer bestehen in der Regel aus einem Träger mit den beiden Greiferbacken sowie einem Aktor für das Betätigen der gegeneinander wirkende Greiferbacken. Für Mikrogreifer gelten aufgrund ihrer miniaturisierten Bauart im Gegensatz zu größeren Ausführungsformen grundsätzlich andere Rahmen bedingungen bei der Herstellung sowie andere Anforderungen hinsichtlich der Einsatztoleranzen und der Lebenserwartung. Deswegen werden Mikrogreifer im Gegensatz zu größeren Aus führungsformen, welche vorzugsweise in der Automatisie rungstechnik gemeinsam mit Manipulatoren oder Industriero botern eingesetzt werden, grundsätzlich nach anderen Kriterien konzipiert und weisen folglich eine erheblich verein fachte konstruktive Ausgestaltung auf. Beispielsweise wer den in Mikrogreifern als Verbindungselemente bevorzugt Klebstoff, Klemm- oder Rastverbindungen anstatt von Schrau ben eingesetzt. Ferner ist man bei der Konzipierung von Mi krosystemen in besonderem Maße bemüht, die einzelnen Kompo nenten sehr zu vereinfachen und die Anzahl der Komponenten beispielsweise durch den Einsatz von integrierten Biegege lenken und damit den Montageaufwand radikal zu reduzieren.

In DE 195 23 229 A1 wird ein Mikrogreifer für die Mikromon tage beschrieben, welcher aus einem Träger sowie einem auf diesem befestigten Piezotranslator als Linearaktor sowie ein Mikrostrukturkörper aus Silizium, in dem zwei gegenein ander wirkende Greiferbacken sowie eine mechanische Hebel übersetzung mit Biegegelenken zur vergrößernden Übertragung einer Linearbewegung des Piezotranslators auf die Greifer backen konstruktiv in einem Bauteil vereint sind. Für ein Zueinanderbewegen der Greiferbacken muss der Piezotransla tor unter Zugbeanspruchung kontrahieren, was darauf hindeu tet, dass hier ein preiswerter d₃₁-Aktor und kein piezoe lektrischer Stapelaktor mit hoher Stellkraft und Steifig keit eingesetzt wird. Ferner wird als wesentlicher Vorteil des beschriebenen Mikrogreifers die Herstellung des Mikro strukturkörpers aus Silizium, speziell dessen gute Mikro strukturierbarkeit sowie die geringe plastische Verformbar keit von Silizium, besonders hervorgehoben.

In der Zusatzanmeldung DE 196 48 165 A1 zu der zuvor ge nannten DE 195 23 229 A1 wird eine Ausführungsform des Mi krogreifers beschrieben, welche sich insbesondere durch die Verwendung von fototechnisch strukturierbarem Glas für den Mikrostrukturkörper von der in DE 195 23 229 A1 beschriebe nen Ausführungsform unterscheidet. Ferner wurde der Mikro greifer konstruktiv so modifiziert, dass ein längerer Pie zotranslator, der auch bei dieser Ausführungsform unter Zugbeanspruchung kontrahierbar sein muss, als Linearaktor einsetzbar ist. Dies deutet auch hier auf einen Einsatz von d₃₁-Wandlern hin, dessen Stellwege hierdurch in vorteilhaft einfacher Weise erhöhen lassen. Für die Erzielung eines op timalen Formschlusses zwischen der zu greifenden Komponente und der Greiferbacken sind diese je nach Einsatzzweck indi viduell geformt. Eine Austauschmöglichkeit der Greifer backen ist aber nicht vorgesehen.

Ein Mikrogreifer mit Linearaktor und möglichst zwischen zwei aufeinander folgenden Schritten bei der Montage eines Mikrosystems separat austauschbaren Greiferbacken ist dage gen nicht bekannt. In diesem Zusammenhang sei zwar auf [2] verwiesen, dessen Abb. 4 ein Mikrogreifer mit Formgedächt nisaktor und auswechselbaren Greiferbackenspitzen zeigt, welche jedoch mit Schrauben an die Greiferbacken befestigt sind und sich damit nicht in der zuvor umrissenen einfachen Weise auswechseln lassen.

Ausgehend davon hat die Erfindung zur Aufgabe, einen Mikro greifer mit Linearaktor in der Art weiter zu entwickeln, dass er für die Montage von Mikrosystemen universell ein setzbar ist und dabei in sehr kurzer Zeit an Komponenten unterschiedlicher Geometrie anpassbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die in dem Patentanspruch 1 angeführt sind. Weitere, vorteilhafte und die Erfindung weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen zusammengefasst.

Der erfindungsgemäße Mikrogreifer wird im folgenden anhand von Zeichnungen einer Ausführungsform erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und b den kompletten Mikrogreifer der beschriebenen Ausführungsform aus zwei verschiedenen Blickrichtungen in per spektivischer Darstellung,

Fig. 2 den Mikrogreifer der beschriebenen Ausführungsform in ei ner Explosionsdarstellung sowie

Fig. 3 die Greifeinheit des Mikrogreifers der beschriebenen Aus führungsform in einer Draufsicht.

Der Mikrogreifer in der in den Figuren dargestellten Aus führungsform besteht aus einem Träger 1, auf dem ein piezo elektrischer Stapelaktor 2 ein Hebelmechanismus 3 sowie ein Greifinstrument 4 aufgesetzt sind. Er ist über die Befesti gungslasche 15 des Trägers an einen nicht dargestellten Ro boterarm oder an eine andere nicht dargestellte Halterung für einen Mikrogreifer fixierbar.

Der piezoelektrische Stapelaktor 2 stützt sich in der be schriebenen Ausführungsform auf der einen Stirnseite 5 auf dem Träger ab und wirkt mit der gegenüberliegenden Seite 6 auf den ersten Hebel 7 des Hebelmechanismus 3. Der Aus schlag der Stellbewegung des Stapelaktors 2 wird dabei durch den ersten Hebel 7 verstärkt auf den zweiten Hebel 8 übertragen und durch diesen erneut verstärkt auf den drit ten Hebel 9 weitergegeben, wodurch sie durch diesen noch mals übersetzt und über einen Stift 10 auf das Greifinstru ment 4 übertragen wird. Die drei Hebel 7 bis 9 und der Stift 10 sind Bestandteile des Hebelmechanismus 3, wobei alle genannten Hebel mit Biegegelenken 11 in einen starren Rahmen 12 des Hebelmechanismus 3 verbunden sind. Der Rahmen 12 dient somit jeweils als Fixpunkt und ist mit dem Träger 1 beispielsweise über eine Stift- oder Schraubverbindung, welche in den Fig. 1b und 2 jeweils als Bohrungen 13 angedeutet sind, fest verbunden. Die Bezugszeichen der zu vor genannten Details des Hebelmechanismus 3 sind in den Fig. 1b und 2 wiedergegeben.

Der Hebelmechanismus 3 ist im Ausführungsbeispiel als ein Bauteil mit hoher Lebensdauer konzipiert und ist im Gegen satz zu dem Greifinstrument 4 nicht für eine leichte Austauschbarkeit vorgesehen. Es ist daher vorzugsweise aus Ti tan gefertigt, beispielsweise mit einem Drahterosionsver fahren aus einem Blech. Es übersetzt eine Stellbewegung um den Faktor 1 : 15, d. h. ein Ausschlag des piezoelektrischen Stapelaktors 2 von 20 µm wird als Ausschlag von 300 µm, ge messen als Relativbewegung zwischen dem in eine Bohrung im dritten Hebel 9 eingesetzten Stift 10 und dem Rahmen 12, an das Greifinstrument weitergeleitet.

Der piezoelektrische Stapelaktor 2, welcher in den Fig. 1a, b und 2 in einen eigenen Hilfsführung 14 eingesetzt ist, stellt gemeinsam mit einer mechanischen Übersetzung, in diesem Fall dem Hebelmechanismus 3, einen Linearaktor dar. Dieser ist grundsätzlich auch durch einen Linearaktor anderer Bauart oder Wirkweise ersetzbar. Besonders eignen sind hierzu u. A. elektromotorische Linearantriebe mit ei nem mechanischen Übersetzungsgetriebe, pneumatisch oder hydraulisch ansteuerbare Antriebszylinder, elektromagneti sche Tauchspulenaktoren, elektrostatische Aktoren, piezo elektrischer Inch-Worm-Aktor oder Antriebe sowie auch Akto ren auf der Basis von Formgedächtnislegierungen (Shape-Me mory-Actor). Die Amplitude der vom Linearaktor ausgeführ ten Stellbewegung ist dabei grundsätzlich ggf. mit Hilfe einer mechanischen Übersetzung, z. B. mit einem entsprechend angepassten Hebelmechanismus, an das Greifin strument anzupassen.

Fig. 3 zeigt das Greifinstrument in einer Draufsicht, Fig. 1a perspektivisch im im Mikrogreifer eingebauten Zustand. Es besteht aus einem Grundkörper 16 und zwei Greiferbacken 17, welche mit je einer Parallelogrammführungen 18 mit Biegegelenken mit dem Grundkörper verbunden sind. Die beiden Parallelogrammführungen sind ferner mit einem Zwi schenelement 19 mit zwei Biegegelenken in der Art eines ge genläufigen Viergelenkgetriebes miteinander so verkoppelt, dass sich die beiden Greiferbacken 17 stets synchron gegen läufig aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Die Parallelogrammführungen 18 bewirken dabei in vorteilhafter Weise, dass die Greiferbacken in jeder Position stets Parallel zueinander ausgerichtet sind.

Zur Befestigung des Greifinstruments 4 an den Träger 1 wird der Grundkörper 16 formschlüssig, vorzugsweise über in den Figuren nicht näher dargestellte, im Träger 1 eingelassene Führungsstifte, welche in die Führungsbohrungen 20 im Grundkörper 16 eingeschoben sind, an der Trägerunterseite fixiert. Eine leichte Presspassung verhindert dabei ein Herausrutschen des Grundkörpers 16 von den Führungsspitzen, ermöglicht aber gleichzeitig einen schnellen und vor allem einen automatisierbaren Wechsel des Greifinstruments.

Ferner ist zur Übertragung der Stellbewegung vom Hebelme chanismus 3 auf das Greifinstrument 4 in eines der Paralle logrammführungen 18 eine Ansteuerungsbohrung 21, in der Stift 10 (vgl. Fig. 2) eingeführt ist, vorgesehen. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist zudem die Kinematik des Greifinstrumentes so ausgelegt, dass der Ausschlag der über den Stift 10 übertragene Stellbewegung über die Parallelo grammführungen 18 und dem Zwischenelement 9 nochmals um ei nen Faktor 2 übersetzt an die Zustellung der Greiferbacken 17 weitergeleitet wird.

Ist bei der Verbindung zwischen Träger und Greifinstrument 4 die Zuverlässigkeit besonders wichtig, kann eine nicht weiter dargestellte Einrastverbindung, vorzugsweise mittels einer im Träger 1 oder im Grundkörper 16 integrierte auf biegbare Rastnase für eine zusätzliche Fixierung vorgesehen werden.

In der beschriebenen Ausführungsform ist das Greifinstru ment 4 mechanisch aus einer Kunststoffplatte herausgearbei tet. Im Rahmen einer Serienfertigung bietet sich als Her stellungsverfahren jedoch die für große Stückzahlen je nach erforderliche Geometrie des Greifinstrumentes preisgünstige Spritzgusstechnik oder ein maschinelle Stanzverfahren an.

Literatur

[1] R. Fischer, J. Hankes, D. Zühlke: Greifer für die automatisierte Mikromontage; Mikrofertigung, F 105 (

1997

) S. 814-818, Carl Hanser Verlag, München, 1997
[2] J. Hesselbach, R. Pittschellis: Mechanical Grippers for Microassambly, Proc. Of the Symp. On Handling and Assembly of Micropart (28. und 29. November 1997, Wien), S. 67-72

Bezugszeichenliste

1

Träger

2

Stapelaktor

3

Hebelmechanismus

4

Greifinstrument

5

Stirnseite

6

Gegenüberliegenden Seite

7

Erster Hebel

8

Zweiter Hebel

9

Dritter Hebel

10

Stift

11

Biegegelenk

12

Rahmen

13

Bohrung

14

Hilfsführung

15

Befestigungslasche

16

Grundkörper

17

Greiferbacken

18

Parallelogrammführung

19

Zwischenelement

20

Führungsbohrung

21

Ansteuerungsbohrung

Claims

1. Mikrogreifer, bestehend aus einem Träger (1), auf dem ein Linearaktor aufgesetzt ist, sowie zwei gegeneinander wirkende Greiferbacken (17), wobei

a) die beiden Greiferbacken (17) gemeinsam mit mindes tens einem Biegegelenk konstruktiv zusammenhängend zu einem Greifinstrument zusammengefasst sind,
b) das Greifinstrument als ein vom Mikrogreifer abnehm bares Bauteil, welches auf geeignete Weise, vorzugs weise über eine Stift-Bohrung-Presspassung oder eine Einrastverbindung, formschlüssig am Mikrogreifer fi xierbar und abnehmbar gestaltet ist, konzipiert ist, sowie
c) das Greifinstrument mit dem Linearaktor und dem Trä ger (1) in der Art verbunden ist, dass die Greiferba cken (17) durch den Linearaktor angesteuert gegenein ander auf und zu bewegbar sind.

2. Mikrogreifer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass

a) das Greifinstrument in der Art gestaltet ist, dass die beiden Greiferbacken (17) über Parallelogrammführungen (18) mit einen Grundkörper (16) sowie über ein gegenläufi ges Viergelenkgetriebe miteinander verbunden und gekoppelt sind, sodass beide Greiferbacken (17) zwangsgeführt paral lel zueinander ausgerichtet synchron gegenläufig zueinan der auf- und zubewegbar sind,
b) der Grundkörper in einer Führung, vorzugsweise auf mindes tens zwei im Träger (1) eingesetzten parallel zueinander ausgerichteten Stiften, welche in zwei Bohrungen im Grund körper eingreifen, formschlüssig an dem Träger des Mikro greifers geführt ist, sowie
c) eine der beiden Greiferbacken (17) für das gegeneinander auf und zu Bewegen der beiden Greiferbacken (17) eine Ansteuerungsbohrung (21) aufweist, in die ein Stift (10), welcher mit dem Linearaktor verbunden ist und durch diesen radial verschoben wird, eingreift.

3. Mikrogreifer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet da durch, dass das Greifinstrument aus einem biegeelastischen Material, vorzugsweise Metall oder Kunststoff, besteht und entweder aus einer Kunststoffplatte herausgearbeitet oder als Bauteil mit einem Spritzgussverfahren hergestellt ist.

4. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein piezoelektri scher Stapelaktor (2) mit einer mechanischen Übersetzung, vorzugsweise einem Hebelmechanismus (3), ist.

5. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein pneumatisch oder hydraulisch ansteuerbarer Antriebszylinder ist.

6. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein elektromagne tischer Tauchspulenaktor ist.

7. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein elektromoto rischer Linearantrieb mit einem mechanischen Überset zungsgetriebe ist.

8. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein elektrostati scher Aktor ist.

9. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein piezoelektri scher Inch-Worm-Aktor ist.

10. Mikrogreifer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn zeichnet dadurch, dass der Linearaktor ein Formgedächt nisaktor ist.