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Die
Erfindung betrifft einen Bestückautomaten
zum Bestücken
von Platinen mit elektrischen Bauelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Mit
zunehmender Strukturdichte von Leiterplatten steigen auch die Anforderungen
an die Bestückgenauigkeit
von Bestückautomaten,
die die Platinen mit elektrischen Bauelementen, wie z.B. Transistoren,
Widerständen
oder Kondensatoren, bestücken.
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Zum
Bestücken
der Bauelemente ist ein Bestückkopf
vorgesehen, welcher entlang eines Trägers bewegbar geführt ist.
Um sämtliche
Positionen eines zu bestückenden
Feldes mit dem Bestückkopf erreichen
zu können
wird beispielsweise der Bestückkopf
relativ zu dem Träger
bewegt, um eine erste Bewegungsrichtung des Bestückkopf es zu ermöglichen.
Eine zweite, bevorzugt zu der ersten Bewegungsrichtung senkrechte,
Bewegungsrichtung des Bestückkopfes
wird durch Bewegen des Trägers
erreicht.
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Der
Träger
ist dabei häufig
nur an einem Ende angetrieben und gelagert. Das andere Ende des
Trägers
ragt beispielsweise frei in den Raum, wodurch es zu starken Schwingungen
an dem Träger, insbesondere
an dem freien Ende des Trägers kommt.
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Ein
hochgenaues Bestücken
kann jedoch nur erfolgen, wenn der Träger in einer definierten und wiederholbaren
Position zum Stillstand gebracht werden kann. Außerdem ist es erforderlich,
den Träger
in ausreichend geringer Zeit an einer vorbestimmten Position zum
Stillstand zu bringen, um ein schnelles Bestücken zu ermöglichen.
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Aus
JP-2000-317870 ist ein
Bestückungsautomat
bekannt, bei dem ein rotierender Trägerarm, auf dem der Bestückkopf sitzt,
an den Aufnahme- und Bestückungspositionen
durch Anpressen eines Reibungskissens angehalten wird.
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Aus
EP-0932331 ist bekannt,
zur Dämpfung von
Vibrationen in einem Bestückungsautomaten zwei
Reibflächen
mittels pneumatischen Antriebs in Kontakt zu bringen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bestückautomaten
zum Bestücken von
Platinen mit elektrischen Bauelementen zu schaffen, der eine wesentlich
höhere
Bestückgenauigkeit
aufweist, und mit welchem hohe Bestückgeschwindigkeiten möglich sind.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
die in den Patentansprüchen
1 und 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der
wesentliche erfinderische Gedanke besteht darin, das freie Ende
des Trägers,
an welchem ein Reibklotz angebracht ist, der auf eine Reibfläche gedrückt wird,
im Zustand der Gleitreibung zu halten, bis sich der Träger in die
Normallage bewegt hat. Hierdurch wird erreicht, daß der Träger schnell
in eine hysteresefreie Ruhelage gebracht werden kann.
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Es
wird ein Bestückautomat
zum Bestücken von
Platinen mit elektrischen Bauelementen vorgeschlagen, der einen
Bestückkopf
und einen Träger mit
einem Trägerschaft
umfaßt,
an dessen freiem Ende eine Stirnfläche gebildet ist, die an einer
Reibfläche
anliegt, um die Bewegung des Trägerendes
zu dämpfen.
Der erfindungsgemäße Bestückautomat hat
ferner eine Einrichtung, mit der die Andruckkraft der Stirnfläche gegen
die Reibfläche
variiert, und insbesondere verringert werden kann.
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Wahlweise
hat der erfindungsgemäße Bestückautomat
eine Einrichtung, mit der hochfrequente Mikrobewegungen quer zur
Andruckkraft erzeugt werden können.
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Eine
mögliche
Realisierung der erstgenannten Einrichtung wäre z.B. ein einstellbares Druckelement,
wie etwa eine einstellbare Feder, die vorzugsweise im Trägerschaft
angeordnet ist.
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Eine
andere Möglichkeit
zur Realisierung dieser Einrichtung wäre z.B. ein elektronischer,
elektromechanischer oder pneumatischer Antrieb.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind ein oder mehrere Piezoelemente vorgesehen,
die vorzugsweise im Trägerschaft
angeordnet sind. Die Piezoelemente können z.B. stapelweise übereinander
angeordnet sein.
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Die
Einrichtung zur Regelung der Andruckkraft wird vorzugsweise so gesteuert,
dass die Andruckkraft reduziert wird, wenn sich der Träger nahe seiner
Endposition befindet, so dass der Träger in eine entspannte Ruhelage
kommen kann. Danach wird die Andruckkraft vorzugsweise wieder auf
ein normales Maß erhöht.
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Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Andruckkraft in
mehreren aufeinanderfolgenden Pulsen kurzfristig verringert bzw. ausgesetzt.
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Die
Reduzierung der Andruckkraft erfolgt vorzugsweise in dem Moment,
in dem der Träger
aus einer Bewegung zum Stillstand kommt bzw. kurz davor.
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Ferner
wird ein Bestückautomat
vorgeschlagen, der eine Einrichtung zur Erzeugung hochfrequenter
Mikrobewegungen zwischen der Stirnfläche des Trägers und der Reibfläche aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Einrichtung zur Erzeugung von
Mikrobewegungen einen oder mehrere Piezoelemente, die vorzugsweise
im Trägerschaft
angeordnet sind.
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Die
genannte Einrichtung erzeugt vorzugsweise linear oder kreisförmig oszillierende
Mikrobewegungen.
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Die
Mikrobewegungen werden vorzugsweise dann erzeugt, wenn sich der
Träger
nahe seiner Sollposition befindet, vorzugsweise noch bevor das Trägerende
in einen Zustand der Haftreibung übergegangen ist.
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Die
am freien Ende des Trägers
befindliche Stirnfläche
bzw. der Reibklotz wird vorzugsweise ständig im Zustand der Gleitreibung
gehalten.
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Zur
Verringerung des Abriebes der Stirnfläche und/oder der Reibfläche kann
die Stirn- und/oder Reibfläche
aus einem besonders abriebfesten Material bestehen oder mit einer
abriebfesten Schicht beschichtet sein.
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Selbstverständlich kann
auch eine Einrichtung vorgesehen sein, die sowohl eine Reduzierung der
Andruckkraft bewirkt als auch Mikrobewegungen quer zur Andruckkraft
erzeugt.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a, b das
freie Ende eines Trägers
mit einer Einrichtung zur Reduzierung der Andruckkraft gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung; und den Verlauf der Andruckkraft bei
dieser Einrichtung;
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2a, b das
freie Ende eines Trägers;
und eine graphische Darstellung von Mikrobewegungen in Richtung
der Andruckkraft;
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3a, b das
freie Ende eines Trägers;
und eine graphische Darstellung von Mikrobewegungen quer zur Andruckkraft;
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4a, b Piezoelemente
zur Reduzierung der Andruckkraft; und Piezoelemente zur Erzeugung hochfrequenter
Mikrobewegungen quer zur Andruckkraft; und
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5a, b einen
Positioniermechanismus eines Bestückautomaten; und den Bewegungsablauf des
freien Trägerendes
und der Trägerwurzel.
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Der
Positioniermechanismus eines Bestückautomaten, wie er mit der
Erfindung verwendet wird, wird im Folgenden anhand von 5a erläutert. 5a zeigt eine Draufsicht auf einen bekannten
Positioniermechanismus mit einem Träger 1 und einem Bestückkopf 4,
wobei die mittlere Abbildung einen Träger in normaler Ruhelage, und
die linke und rechte Abbildung einen schräg geneigten Träger darstellen.
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Der
Träger
besteht aus einem Trägerschaft 2 und
einer Trägerwurzel 3.
Der Bestückkopf 4 umfaßt mehrere
Pipetten 13 zum Ansaugen und Halten von Bauelementen und
ist entlang des Trägerschafts 2 bewegbar
(Pfeil A). Die Trägerwurzel 3 wird
von einem Antrieb (nicht gezeigt) in Richtung des Pfeiles 8 angetrieben.
Der Antrieb hat einen Encoder 8 zur Bestimmung der Trägerposition.
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Der
Trägerschaft 2 umfaßt ferner
ein Federelement 7 und einen Reibklotz 5, dessen
Stirnfläche 9 an
einer Reibfläche 10 anliegt
und mit einer Kraft F gegen die Reibfläche 10 gedrückt wird.
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Der
Träger 1 wird
mit sehr hoher Geschwindigkeit angetrieben und unterliegt Beschleunigungen von
mehreren g. Der am freien Ende des Trägers 1 angeordnete
Reibklotz 5 hat die Funktion, die Bewegung und insbesondere
die Schwingungen des freien Trägerendes
zu dämpfen.
Dabei ist das Schwingungsverhalten von der Position des Bestückkopfes 4 an
dem Trägerschaft 2 abhängig.
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5b zeigt typische Bewegungsabläufe der
Trägerwurzel 3 und
des Bestückkopfes 4 am
freien Ende des Trägerschafts 2 im
Vergleich zu einer idealisierten Sollbewegung.
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Die
idealisierte Sollbewegung des Trägers
ist in Kurve a dargestellt, die zum Zeitpunkt t1 eine nahezu sprungartige
Positionsänderung
zeigt. Dagegen bewegt sich die Trägerwurzel 3 ab dem
Zeitpunkt t1 verzögert
von einer Position x1 zu einer Position x2 und schwingt an der Position
x2 mit abklingender Amplitude nach (Kurve b). Der Reibklotz 5 befindet sich
anfangs noch in Gleitreibung und dämpft diese Schwingung.
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Der
Nachteil dieses Reibklotzes 5 liegt allerdings darin, dass
der Reibklotz ab einem bestimmten Zeitpunkt in Haftreibung übergeht
und an einem zufälligen
Punkt x stehenbleibt, der nicht der Sollposition x2 entspricht.
Dadurch tritt ein Positionsfehler auf, der bei modernen Bestückautomaten
nicht mehr tolerierbar ist.
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Die
mittlere Abbildung von 5 zeigt
einen Träger 1 in
Normalposition. In der linken und rechten Abbildung von 1a ist ein Positionsfehler
x, entsprechend dem Abstand der gekippten Trägerachse von der Trägerachse
im Normalzustand, zu erkennen. Der Positionsfehler ist um so geringer,
je näher sich
der Bestückkopf 4 an
der Trägerwurzel 3 befindet.
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1 zeigt das freie Ende eines
Trägers 1 mit
einem Trägerschaft 2.
Der Trägerschaft 2 umfasst ein
Federelement 7 und einen Reibklotz 5, der von der
Druckfeder 7 gegen einen stationären Anschlag 6 gedrückt wird.
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Der
Reibklotz 5 hat eine Stirnfläche 9, die an einer
Reibfläche 10 anliegt
und an dieser Fläche reibt,
wenn der Träger
bewegt wird. Dadurch wird die Schwingneigung des Trägerendes
bedämpft.
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Die
Druckkraft des Reibklotzes gegen die Reibfläche ist z.B. mittels eines
elektromechanischen oder pneumatischen Antriebes (nicht gezeigt)
einstellbar.
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Die
Andruckkraft F wird mittel des Antriebs, wie in 1b dargestellt ist, verringert, um zu
verhindern, dass das Trägerende
außerhalb
seiner Sollposition stehen bleibt. Die Andruckkraft wird insbesondere
kurz soweit reduziert, dass der Träger in die entspannte Ruhelage
kommen kann. Anschließend wird,
um eine ruhige, schwingungsfreie Lageregelung zu erhalten, die Andruckkraft
wieder erhöht.
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2a zeigt die Kraftwirkung
auf den Reibklotz 5 am Trägerende. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden Mikrobewegungen in Richtung des Pfeils c, also wechselseitig
in Richtung der Andruckkraft F, erzeugt.
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2b zeigt den Verlauf der
Andruckkraft in einer Betriebsart, bei der hochfrequente Mikrobewegungen
in Richtung der Andruckkraft F erzeugt werden. Dadurch wird der
Reibklotz kurze Zeit entlastet und dabei ggf. von der Reibfläche abgehoben
und wieder belastet bzw. auf die Reibfläche 10 aufgesetzt.
Dieses Verfahren, ebenso wie das bezüglich 1 erläuterte
Verfahren, wird vorzugsweise unmittelbar nach dem Trägerstillstand
durchgeführt.
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3a zeigt die Bewegungsrichtung
von Mikrobewegungen (Pfeil d) am Trägerende bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
Durch kleine hochfrequente Mikrobewegungen senkrecht zur Andruckkraft
F, wie sie in 3b dargestellt
sind, wird der Reibklotz im Zustand der Gleitreibung bzw. viskosen Reibung
gehalten. Dieser Betriebszustand kann zu beliebigen Zeitpunkten
ein- und ausgeschaltet werden.
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4a zeigt eine mögliche Realisierung
einer Einrichtung zur Reduzierung der Andruckkraft F nach 2 mit mehreren Piezoelementen,
die zwischen dem Reibklotz 5 und dem Trägerschaft 2 angeordnet
sind. Mit dieser Anordnung kann z.B. der in 2b gezeigte Verlauf der Andruckkraft
erzeugt werden.
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4b zeigt eine ebenfalls
aus Piezoelementen 12 bestehende Einrichtung zur Erzeugung von
Mikrobewegungen nach 3,
wobei die Mikrobewegungen jedoch quer zur Andruckkraft erzeugt werden.
Die Piezoelemente sind wie in 4a angeordnet,
haben jedoch eine unterschiedliche Zellausrichtung. Mit dieser Ausrichtung
lassen sich Mikrobewegungen quer zur Richtung der Andruckkraft erzeugen.
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- 1
- Träger
- 2
- Trägerschaft
- 3
- Trägerwurzel
- 4
- Bestückkopf
- 5
- Reibklotz
- 6
- Stationärer Anschlag
- 7
- Feder
- 8
- Antrieb
- 9
- Stirnfläche
- 10
- Reibfläche
- 11,
12
- Piezoelemente
- t
- Zeit
- c
- Bewegungsrichtung
- d
- Bewegungsrichtung
- A
- Bewegungsrichtung
des Kopfes
- B
- Antriebsrichtung