DE10139596C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Postitionieren eines Objekts an einem Ziel - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Präzisionspositionierung eines an einem Ziel zu montierenden oder zu positionierenden Objekts, insbesondere zur Montage von elektronischen Bauteilen, wobei unter Einsatz einer Bilderfassungseinrichtung und einer Bildverarbeitungseinrichtung Positionen des Objekts und des Ziels ermittelt und verarbeitet werden und mittels einer Handhabungseinrichtung das Objekt am Ziel positioniert wird.

Bei der Präzisionspositionierung oder (Mikro-) Präzisionsmontage sind verschiedene Verfahren bekannt:
So ist es beispielsweise möglich, unter Verwendung einer Matrixkamera, oder einer sonstigen Bilderfassungseinrichtung eine Aufnahme des Ziels, d. h. der Position und des Bildes des Ziels, anzufertigen. Hierbei werden in bekannter Weise am Ziel vorgesehene Marken erfaßt, aus denen mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung die Position des Ziels ermittelt werden kann. Daraufhin wird ein zu positionierendes Objekt durch einen Greifer aufgenommen, wobei die Position des Objekts im Greifer entweder bekannt ist oder in verschiedener Weise ermittelt wird. Es wird dann rechnerisch anhand der Daten über die Position des Ziels und des Greifers bzw. der Position des Bauteils im Greifer ein Verschiebevektor ermittelt und dann unter Ansteuerung des Greifers mittels eines Roboters die Positionierung entsprechend dem zuvor ermittelten Verschiebevektor durchgeführt. Die Bahn des Roboters verläuft dabei dreidimensional in X-, Y- und Z-Richtung. Die Genauigkeit des Verfahrens ist durch die mechanische Ungenauigkeit des Roboters bestimmt, die annähernd proportional zur Länge der Bahn bzw. des Verschiebevektors ist. Bei einer Bahnlänge von 100 mm liegt die erreichbare Positioniergenauigkeit im Bereich von wenigen Mikrometern.

Nach einem weiteren Verfahren wird das zu montierende Objekt in einer Position oberhalb des Ziels angeordnet oder vorpositioniert. Anschließend wird eine Kamera mit Split- Field-Optik zwischen Bauteil und Ziel gebracht, welche die Position des Bauteils und die Position des Ziels in X-, Y- Richtung erfasst. Es wird also das Ziel von oben und das Bauteil von unten erfaßt. Unter Auswertung dieser Daten über die Positionen von Ziel und Bauteil wird mittels einer Handhabungseinrichtung die Positionierung des Objekts zum Ziel in X-, Y-Richtung korrigiert. Anschließend wird die Kamera ausgeschwenkt und die Positionierung in Z-Richtung durchgeführt. Da nach dieser Korrektur Objekt und Ziel nur noch in Z-Richtung, also über eine wesentlich kürzere Distanz als bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren, verlagert werden, wird hiermit eine höhere Positioniergenauigkeit erreicht. Ein Mindestverfahrweg in Z-Richtung ergibt sich jedoch aus der Notwendigkeit, eine optische Einrichtung der Bilderfassungseinrichtung nach der Vorpositionierung zwischen Objekt und Ziel einbringen zu können. Ferner ist dieses Verfahren mit dem Nachteil verbunden, dass das Ein- und Ausschwenken der Kamera zwischen Objekt und Ziel mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden ist, wodurch die Taktzeit wesentlich erhöht wird.

DE 44 19 521 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten einer Photomaske für einen Belichtungsprozess. Dabei wird die elastische und dehnbare Photomaske aus einem durchsichtigen Werkstoff in Kontakt mit einer durchsichtigen Platte, z. B. einer Glasscheibe, gebracht, so dass ihre Oberfläche durch Anlage an die Glasscheibe eine Ebene bildet. Über eine Anzahl von Greifelementen wird die Photomaske in der Ebene gedehnt, so dass auf der Photomaske vorgesehene Positionsmarken mit Positionsmarken am Rand des zu belichtenden Substrats übereinstimmen. Dieser Vorgang wird mittels stationärer Bilderfassungseinrichtungen durch Ausführung eines Soll/Ist-Vergleichs der Positionen der jeweiligen Positioniermarken auf der Photomaske und auf dem Substrat gesteuert. Dabei wird die Photomaske zu Beginn des Ausrichtvorgangs in einem Abstand vom zu belichtenden Substrat in z-Richtung positioniert und dann in Ebenenrichtung gedehnt. Eine Positionierung der Photomaske in Richtung auf das zu belichtende Substrat wird nicht ausgeführt. Die DE 44 19 521 A1 offenbart jedoch die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 5, wobei - wie ausgeführt - die Photomaske als Objekt nicht am Ziel positioniert, sondern in einem Abstand zum Ziel durch Einleitung von Dehnungskräften ausgerichtet wird.

DE 41 41 226 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Montage und Justierung von Bauelementen und Baugruppen, wobei tragende Bauteile, Montagehilfen und/oder Befestigungsmittel für die zu montierenden Bauelemente optisch durchsichtig ausgebildet sein sollen, so dass der Montagevorgang durch diese Elemente hindurch beobachtet und kontrolliert werden kann. Auch die Verwendung von optisch erfassbaren Marken ist erwähnt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Durchführen einer Präzisionspositionierung eines Objekts an einem Ziel der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die Positionierung rasch ausführbar ist und unabhängig vom Verfahrweg der Komponenten sowie unabhängig von mechanischen Ungenauigkeiten des Roboters zu einer gegenüber bekannten Verfahren höheren Positioniergenauigkeit führt. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Nach der Erfindung wird während des Positioniervorgangs eine Positionserfassung sowohl des Bauteils als auch des Ziels gleichzeitig durchgeführt. Es wird also die Position des Objekts zusammen mit der bildlichen Erfassung des Ziels, also direkt gegenüber der Zielposition, erfaßt, und es wird dann während des Positionierens durch den Soll/Ist-Vergleich von Objekt- und Zielpositionsdaten ein Regelvorgang durchgeführt.

Es kann also erfindungsgemäß der Einfluß der Positionierungenauigkeit des Roboters durch den geregelten Zielführungsvorgang eliminiert werden. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Bild bzw. die Position von Bauteil und Ziel durch dieselbe Optik der Bilderfassungseinrichtung ermittelt werden, da dann Abweichungen oder Fehler verschiedener optischer Systeme sich nicht verfälschend auswirken bzw. ein Fehler im einzigen verwandten optischen System für die Erfassung des Ziels wie des Objekts gleichermaßen gilt und keine negative Auswirkung auf die Positioniergenauigkeit hat.

Die Anordnung der Optik der Bilderfassungseinrichtung ist auf der vom Ziel abgewandten Seite des Objekts angeordnet. Wenn vorstehend von einem durchsichtigen Bereich der Handhabungseinrichtung, bei der es sich üblicherweise um eine Greifvorrichtung für das Objekt handelt, gesprochen wird, so ist dies im weitesten Sinne zu verstehen. Es wäre also beispielsweise möglich, dass ein das Objekt greifender Bereich, also beispielsweise die Greiferfinger einer Greifvorrichtung optisch durchlässig, insbesondere durchsichtig ausgebildet sind, also beispielsweise aus Glas oder einem für optische Wellen, insbesondere Licht durchlässigen Material, beispielsweise Plexiglas oder sonstigen Kunststoffen, ausgebildet sind.

Es wäre aber auch denkbar, dass das Objekt von Komponenten der Handhabungseinrichtung gehalten oder gegriffen wird, die das Sichtfeld der Bilderfassungseinrichtung nur unwesentlich einschränken, weil beispielsweise die von zwei Seiten wirkenden Greiferfinger der Greifvorrichtung gegenüber den Abmessungen des Objekts klein sind, so dass es möglich ist, das Ziel gleichwohl durch dieselbe Optik hindurch zusammen mit dem Objekt zu erfassen, so dass Objekt und Ziel gleichzeitig sichtbar sind. Auch in diesem Fall ist ein Bereich der Handhabungseinrichtung durchsichtig.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweist es sich als zweckmäßig, dass das Objekt zu Beginn des Positioniervorgangs in einem separaten vorhergehenden Verfahrensschritt in einem Abstand vom Ziel (Z-Richtung) positioniert wird und dass während des Annäherns des Objekts an das Ziel (nur Z-Richtung) die Position des Objekts in X- und Y-Richtung relativ zum Ziel durch Ansteuerung der Handhabungseinrichtung entsprechend dem Soll/Ist-Vergleich gesteuert wird.

Des weiteren wird vorgeschlagen, dass im Zuge der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Lage des Tiefenschärfebereichs der Optik der Bilderfassungseinrichtung derart gewählt wird, dass schon zu Beginn des Positioniervorgangs das Objekt scharf abgebildet wird und während einer letzten Phase der Annäherung von Objekt und Ziel Objekt und Ziel beide scharf abgebildet werden. Wenn also das Ziel zu Beginn des Positioniervorgangs noch weit entfernt ist, erscheint es unscharf, da es außerhalb des Tiefenschärfebereichs der optischen Einrichtung der Bilderfassungseinrichtung liegt. Die Verarbeitung der gewonnenen Bild- bzw. Positionsdaten kann aber auch bei unscharfer Abbildung des Ziels (aber auch des Bauteils) bestimmt werden, da sie in vorteilhafter Weise über die Position eines bildlichen Schwerpunkts bestimmt wird. Deshalb erfolgt in weiterer Ausbildung der Erfindung die Erfassung des Ziels und/oder des Objekts über am Ziel oder Objekt vorgesehene Marken, beispielsweise in Form von einfachen geometrischen Strukturen, wie Kreisen, Kreuzen, Strichen oder dergleichen. Werden derartige Marken auch unscharf erfaßt, so ist es gleichwohl möglich, den Schwerpunkt dieser Marken und damit die Position des Ziels oder des Objekts korrekt zu bestimmen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bilderfassungseinrichtung eine CMOS-Kamera oder eine CCD- Hochgeschwindigkeitskamera umfaßt, vorteilhafterweise wird mit einer Aufnahmezeit von 30 bis 100, insbesondere 30 bis 60 Millisekunden gearbeitet. Im Ergebnis kann die Positioniergenauigkeit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Positionier- bzw. Montageverfahrens auf wesentlich unter 1 µm verbessert werden. Es wurden Meßungenauigkeiten von nur 0,2 µm (6 S-Bereich) erreicht. Diese Positionierungenauigkeit geht zurück auf die Meßungenauigkeit der Bilderfassung, die im Bereich von etwa 0,2 µm liegen kann.

Nach der Erfindung sind die Handhabungseinrichtung, also beispielsweise eine lageveränderbare Greifvorrichtung, für das Objekt und die Bilderfassungseinrichtung oder zumindest eine optische Einrichtung (Erfassungsoptik) der Bilderfassungseinrichtung derart miteinander montageverbunden, dass sie im Zuge der Positionierung gemeinsam lageverändert werden. Die Bilderfassungseinrichtung und die Handhabungseinrichtung für das Objekt können beispielsweise an einem gemeinsamen Roboterflansch vorgesehen sein.

Weitere Einzelheite, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein im Zuge der Positionierung aufgenommenes Bild von Objekt und Ziel.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen einer (Mikro-) Präzisionsmontage eines Objekts, insbesondere eines elektronischen Bauteils, an einem Ziel, etwa an einer Leiterplatte. Die Vorrichtung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet, das Objekt bzw. Bauteil trägt das Bezugszeichen 4 und das Ziel das Bezugszeichen 6. Im dargestellten Fall ist das Ziel 6, beispielsweise eine Leiterplatte, auf eine flächenhaften Unterlage 8 aufgelegt. Die Vorrichtung 2 umfaßt eine schematisch dargestellte Bilderfassungseinrichtung 10, die auf der vom Ziel 6 abgewandten Seite des Objekts 4 angeordnet ist. Ferner umfaßt die Vorrichtung 2 eine ebenfalls schematisch angedeutete Handhabungseinrichtung 12 mit einer Greifvorrichtung 14. Bei der Greifvorrichtung 14 handelt es sich um einen Glasgreifer, d. h. eine Greifvorrichtung mit einem durchsichtigen Bereich 16 sowie mit nicht dargestellten, das Objekt 4 greifenden gläsernen Greiferfingern.

Die Bilderfassungseinrichtung 10 ist dabei an der Handhabungseinrichtung 12 so montiert, dass sie gleichzeitig sowohl das Objekt 4 als auch das Ziel 6 durch den durchsichtigen Bereich 16 der Handhabungseinrichtung 12 hindurch erfassen kann. Sie wird auch zusammen mit der Handhabungseinrichtung 12 verlagert.

Mit dem gepunkteten Rahmen 18 ist ein Tiefenschärfebereich der Bilderfassungseinrichtung 10 angedeutet.

Zu Beginn des Positioniervorgangs wird das Bauteil 4 mittels der Handhabungsvorrichtung 12 und deren Glasgreifer 14 gegriffen und über einen nicht dargestellten Roboter oberhalb des Ziels 6 vorpositioniert.

Es wird nun mittels der Bilderfassungseinrichtung sowohl ein Bild des Objekts 4 als auch ein Bild des Ziels 6 erfaßt. Man erkennt in Fig. 2 ein derartiges Bild, wobei das Objekt 4 innerhalb des Tiefenschärfebereichs 18 aufgenomnen ist und dabei scharf erscheint, während das Bild des außerhalb des Tiefenschärfebereichs aufgenommenen Ziels 6 unscharf abgebildet wird. Man erkennt eine kreisringförmige Positionsmarke 20 auf dem Objekt 4 und dahinter drei linienförmige Positionsmarken 22 auf dem Ziel 6. Obschon die linienförmigen Positionsmarken 22 auf dem Ziel unscharf abgebildet werden, ist es aufgrund der Kenntnis der Geometrie der Positionsmarken 22 möglich, deren Zentrum und damit deren exakte Position, den Schwerpunkt der Marken, zu erfassen. Dies ist in Fig. 2 durch ein Kreuz 24 angedeutet.

Entsprechend der gewonnenen Bilder wird nun mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung die aktuelle Position des Objekts 4 in X- und Y-Richtung sowie des Ziels 6 ebenfalls in X- und Y-Richtung ermittelt. Es wird dann rechnergesteuert ein Soll/Ist-Vergleich der Objekt- und Zieldaten durchgeführt und es wird dementsprechend robotergesteuert die Position der Handhabungseinrichtung 12 mitsamt der Bilderfassungseinrichtung 10 in X-Y-Richtung korrigiert. Währenddessen wird die Handhabungseinrichtung 12 in Z-Richtung auf das Ziel 6 zu bewegt. Es werden vorzugsweise quasi kontinuierlich oder in vorbestimmten oder vorbestimmbaren Zeitintervallen die Bild- bzw. Positionsdaten von Objekt 4 und Ziel 6 erfasst und ausgewertet und dem erwähnten Soll/Ist- Vergleich unterworfen, so dass ein geregelter Zielführungsvorgang ausgeführt wird. In einer letzten Phase des Positioniervorgangs gelangt das Ziel 6 in den angedeuteten Tiefenschärfebereich 18 der Bilderfassungseinrichtung 10. Dies kann über die Bildverarbeitungseinrichtung als Signal dafür verwendet werden, dass das Objekt 4 sich in einer bestimmten Nähe (Z-Richtung) zum Ziel 6 befindet. Während der Positionierung kann die Z-Position des Greifers aber auch durch optische Verfahren wie Triangulation, Autofokus, Fotogrammetrie oder Interferometrie bestimmt werden.

Bei der Bildaufnahme kann in vorteilhafter Weise eine CMOS- Kamera oder eine CCD-Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt werden, was sich in stark verringerten Bildaufnahmezeiten positiv auswirkt. Hierdurch wird die Meßzeit und in ihrer Folge die Taktzeit und die Zeit zur Ausführung der Positionierung weiter verringert.

Um ein Verschmieren des Kamerabilds durch die Bewegung der Handhabungseinrichtung 12 zu verhindern, kann eine gepulste Lichtquelle, wie z. B. eine Blitzlichtlampe, eingesetzt werden.

Des weiteren kann in vorteilhafter Weise nach der Ausführung der Positionierung das Bauteil unter Verwendung der Bilderfassungseinrichtung auf Beschädigungen hin untersucht werden.

Es wird des weiteren ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung auch einsetzen läßt bei der Aufnahme des zu positionierenden Objekts durch die Handhabungseinrichtung. Wenn das Objekt durch die Handhabungseinrichtung aufgenommen, insbesondere gegriffen wird, so treten hierbei ebenfalls Ungenauigkeiten auf, die jedoch bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge der gemeinsamen Erfassung von Objekt und Ziel durch die Bilderfassungseinrichtung sich nicht fehlerhaft auf die Positionierung auswirken, da ja die tatsächlichen Positionen von Objekt und Ziel direkt erfaßt werden. Gleichwohl kann die Erfindung aber auch beim Aufnehmen eines Objekts eingesetzt werden. Solchenfalls würde der durchsichtige Bereich der Handhabungsvorrichtung eine Markierung tragen, die dann im Wege des Soll/Ist-Vergleichs mit einer Markierung des aufzunehmenden Objekts, welches beispielsweise in einem Magazin vorgehalten werden kann, verglichen werden kann, um eine optimale Greifposition zu erreichen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Durchführen einer Präzisionspositionierung eines an einem Ziel (6) zu montierenden oder zu positionierenden Objekts (4), insbesondere zur Montage von elektronischen Bauteilen, wobei unter Einsatz einer Bilderfassungseinrichtung (10) und einer Bildverarbeitungseinrichtung Positionen des Objekts (4) und des Ziels (6) ermittelt und verarbeitet werden und das Objekt (4) mittels einer Handhabungseinrichtung (12) am Ziel (6) positioniert wird, wobei das Objekt (4) zu Beginn des Positioniervorgangs in einem Abstand vom Ziel (z-Richtung) positioniert wird und während des Annäherns des Objekts (4) an das Ziel (z-Richtung) sowohl das Objekt (4) als auch das Ziel (6) mittels der Bilderfassungseinrichtung (12) durch einen durchsichtigen Bereich (16) der Handhabungseinrichtung (12) hindurch gleichzeitig erfasst werden und unter Ausführung eines Soll/Ist-Vergleichs der Positionen in x- und y-Richtung von Objekt (4) und Ziel (6) das Objekt (4) mittels der Handhabungseinrichtung (12) robotergesteuert zum Ziel (6) geführt wird und dabei die Handhabungseinrichtung (12) und die Bilderfassungseinrichtung (10) oder zumindest eine optische Einrichtung der Bilderfassungseinrichtung (10) gemeinsam lageverändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (4) und das Ziel (6) durch dieselbe Optik der Bilderfassungseinrichtung (10) erfasst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Ziels (6) und/oder des Objekts (4) über am Ziel (6) oder Objekt (4) vorgesehene Marken (22, 20) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Tiefenschärfebereichs (18) der Bilderfassungseinrichtung (10) derart gewählt wird, dass zu Beginn des Positioniervorgangs das Objekt (4) scharf abgebildet wird und während einer letzten Phase der Annäherung von Objekt (4) und Ziel (6) Objekt (4) und Ziel (6) beide scharf abgebildet werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, mit einer Handhabungseinrichtung (12) zum Positionieren des Objekts (4) am Ziel (6), mit einer Bilderfassungsvorrichtung (10) und einer Bildverarbeitungsvorrichtung zum Erfassen und Verarbeiten von Positionsdaten von Objekt (4) und Ziel (6), mit einer Steuereinrichtung für die Handhabungseinrichtung (12), wobei die Handhabungseinrichtung (12) im Bildaufnahmebereich der Bilderfassungseinrichtung (10) durchsichtig ausgebildet ist, so dass die momentanen Positionen von Objekt (4) und Ziel (6) durch diesen durchsichtigen Bereich (16) hindurch gleichzeitig erfasst werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (12) und die Bilderfassungseinrichtung (10) oder zumindest eine optische Einrichtung der Bilderfassungseinrichtung (10) derart miteinander montageverbunden sind, dass sie im Zuge der Positionierung gemeinsam lageveränderbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (12) eine lageveränderbare Greifvorrichtung (14) für das Objekt (4) umfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Abmessungen des Ziels (6) größer sind als diejenigen des Objekts (4) und dass die Bilderfassungseinrichtung (10) auf der vom Ziel (6) abgewandten Seite des Objekts (4) vorgesehen ist.