DE102004059018A1

DE102004059018A1 - Verfahren zur Registrierung von Werkstücken und Erfassungssystem für die Registrierungsanalyse

Info

Publication number: DE102004059018A1
Application number: DE102004059018A
Authority: DE
Inventors: Paul R. Waldner
Original assignee: Multiline International Europa LP
Current assignee: Multiline International Europa LP
Priority date: 2004-12-08
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2006-06-14
Also published as: WO2006061201A1

Abstract

Das Verfahren dient zur optimierten Ausrichtung von Werkstücken (24) in einer Bearbeitungsstation durch Erfassung zweier Hauptreferenzstellen (26a, b), deren Ist-Positionen zur Lageoptimierung mit Sollpositionen verglichen werden. Zur Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit und/oder Verkürzung der Verfahrensdauer wird vorgeschlagen, in einem vorgeordneten Schritt in einer Empfangsstation (20) auch die Ist-Positionen weiterer Nebenreferenzstellen (28a-f) zu erfassen und einen Vergleich mit Sollpositionen anzustellen. Die optimierte Ausrichtung des Werkstückes (24) wird unter Berücksichtigung aller Referenzstellen (26a, b, 28a-f) vorgenommen und die optimierte Lage dann durch eine Positionsvorgabe für die wenigstens zwei Hauptreferenzstellen (26a, b) definiert. In der Bearbeitungsstation wird schließlich die Ausrichtung des Werkstückes (24) anhand dieser Positionsvorgabe für die beiden Hauptreferenzstellen (26a, b) vorgenommen. Gegenstand der Anmeldung ist auch ein Erfassungssystem (20) für das vorstehende Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur optimierten Registrierung, d. h. Ausrichtung wenigstens einer Oberfläche von Werkstücken in einer Bearbeitungsstation, bei welchem wenigstens zwei Hauptreferenzstellen erfaßt werden und die Ausrichtung anhand eines Vergleiches der Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen mit Sollpositionen vorgenommen wird. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Erfassungssystem zum Einsatz bei einem solchen Verfahren.

Für die automatisierte Bearbeitung von Werkstücken ist es in der Regel notwendig, diese in der Bearbeitungsposition exakt definiert festzulegen, wobei man von einer Registrierung des Werkstückes spricht. Die Registrierung kann für eine Vielzahl völlig unterschiedlicher Bearbeitungsvorgänge notwendig sein, beispielsweise bei einer abrasiven Bearbeitung, Montagevorgängen, wie z. B. dem Bestücken einer Leiterplatte, Ätz- oder Belichtungsvorgänge im Zuge einer Leiterplattenherstellung, dem definierten Bedrucken von Oberflächen und dergleichen. Insbesondere die Herstellung von Leiterplatten kann als ein Musterbeispiel für einen Herstellungsvorgang gelten, bei welchem ein Werkstück in den aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten jeweils wieder genau registriert werden muß, um eine den Anforderungen entsprechende Leiterplatte herstellen zu können. Erschwerend kommt hinzu, daß die Leiterplatte zwar ein an sich starres Gebilde darstellt, sich jedoch durch die einzelnen Bearbeitungsschritte Formänderungen ergeben können, wie z. B. eine Stauchung oder Streckung, d. h. bestimmte Bearbeitungspunkte verändern ihre Relativpositionen zueinander.

Dadurch ist in jeder Bearbeitungsstation eine Neuausrichtung mit jeweils einer neu durchzuführenden Optimierung erforderlich.

Bisher ist es beispielsweise aus dem Bereich der Leiterplattenfertigung bekannt, Werkstücke mit zwei Referenzmarkierungen zu versehen, deren Ist-Position in der Bearbeitungsstation durch Kameras erfaßt wird. Anschließend werden die erfaßten Ist-Positionen der Referenzstellen mit vorab festgelegten Sollpositionen verglichen, und es wird eine Lagekorrektur vorgenommen, bei welcher eine Optimierung der Lage der beiden Referenzstellen vorgesehen ist.

Problematisch ist die Registrierung mit zwei Referenzstellen dann, wenn großflächige Werkstücke, wie z. B. große Leiterplatten, in einigen Bereichen einen stärkeren Verzug in einem vorangegangenen Herstellungsschritt erfahren haben, als im Bereich der Referenzmarkierungen. So kann es sein, daß zwar die Bereiche um die Referenzmarkierungen optimiert ausgerichtet sind, dabei jedoch ein Verzug im Randbereich nicht berücksichtigt werden kann, der letztlich dazu führt, daß Toleranzen überschritten werden und das bearbeitete Werkstück Ausschuß ist. Die Erkenntnis, daß in einem solchen Fall oftmals eine Korrektur bei der Registrierung grundsätzlich möglich ist, weil der Toleranzbereich in der Umgebung der Referenzstellen noch gar nicht ausgeschöpft worden ist, hat zu Überlegungen geführt, weitere Referenzstellen auf dem Werkstück vorzusehen, wobei solche Referenzstellen Markierungen, aber auch ohnehin an dem Werkstück vorgesehene Besonderheiten, wie z. B. Sichtkanten, Leiterbahnenden, Bedruckungen oder dergleichen sein können. In der Bearbeitungsstation kann dann durch eine entsprechend vergrößerte Anzahl von Kameras oder eine verfahrbare Kamera eine Registrierung des Werkstückes unter Berücksichtigung aller Referenzpunkte erfolgen, so daß auch ein nur in einem kleineren Bereich des Werkstückes auftretender Verzug unter Ausschöpfung der Toleranzbereiche in den nicht verzogenen Zonen kompensiert werden kann. Nachteilig bei einer solche Lösung ist zum einen der extrem hohe Aufwand, da alle betroffenen Arbeitsstationen mit den zusätzlichen Kameras zur Erfassung aller Referenzstellen oder mit einer präzisen Verfahreinrichtung für eine Kamera ausgerüstet werden müssen und auch eine entsprechende Software für den Abgleich der Ist-Positionen mit den Sollpositionen an allen Stationen erforderlich ist. Zum anderen ergibt sich aber auch eine Verzögerung bei der Verweildauer in der Bearbeitungsstation, da die Lageoptimierung mit einer Vielzahl von Referenzstellen eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, insbesondere wenn nur eine Kamera nacheinander alle Referenzstellen anfahren muß. Bei getakteten Herstellungsvorgängen in einer automatisierten Abfolge mehrerer Bearbeitungsvorgänge wirkt sich eine solche Taktzeitverlängerung äußerst negativ aus, da die langsamste Taktzeit maßgeblich für die Produktionsfrequenz ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Registrierung von Werkstücken in Bearbeitungsstationen zu schaffen, das bei gleicher Registrierungsgenauigkeit nicht auf eine Vielzahl von Erfassungskameras oder eine aufwendig verfahrbare Kamera in der Bearbeitungsstation angewiesen ist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß in einem Schritt vor der Übergabe des Werkstückes an die Bearbeitungsstation in einer Erfas sungsstation Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen und weiterer Nebenreferenzstellen erfaßt werden, die Ist-Positionen mit den Sollpositionen aller Referenzstellen verglichen werden, eine optimierte Lageausrichtung des Werkstückes unter Berücksichtigung aller Referenzstellen ermittelt wird, die optimierte Lage durch eine Positionsvorgabe für die wenigstens zwei Hauptreferenzstellen definiert wird und in der Bearbeitungsstation die Ausrichtung des Werkstückes anhand der Positionsvorgabe für die beiden Hauptreferenzstellen vorgenommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, daß die Erfassung der Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen des Werkstückes wie gehabt mit den ohnehin vorgesehenen Erfassungskameras erfolgen kann. Im Unterschied zu der bekannten Registrierung wird jedoch dann keine Lagekorrektur anhand vorab gespeicherter Sollpositionen für die Hauptreferenzstellen vorgenommen, sondern die Ausrichtung der Hauptreferenzstellen erfolgt anhand der Daten der Positionsvorgabe, die zuvor in der Erfassungsstation ermittelt worden ist. Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht dabei einem unmittelbar in der Bearbeitungsstation durchgeführten Verfahren mit einer gleichen Anzahl von Referenzstellen, d. h. der Summe aus Haupt- und Nebenreferenzstellen mit einer entsprechenden Anzahl von Kameras in der Bearbeitungsstation, da das an sich starre Werkstück ja bei der Positionskorrektur nicht gestaucht oder gestreckt werden kann, sondern auch nur ein Verlagern in der X-Y-Ebene und/oder ein Verdrehen um die Z-Achse möglich ist. Die gleiche Ausrichtmöglichkeit besteht auch bei nur zwei Referenzstellen in Verbindung mit der exakten Positionsvorgabe für diese. Auch kann an sich bekannte Analyse- und Optimierungssoftware zur Bestimmung der Positionsvorgabe eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Verweilzeit des Werkstückes in der Bearbeitungsstation nicht verlängert wird und u. U. sogar verkürzt werden kann, da der Ist-/Sollwertabgleich mit der Lageoptimierung durch die Positionsvorgabe im wesentlichen vorweggenommen ist und nach der Bestimmung der Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen diese unmittelbar in die optimale Position bewegt werden können. So ist es in automatisierten Anlagen beispielsweise denkbar, die Erfassungsstation der jeweiligen Bearbeitungsstation vorzuschalten und die Positionsvorgabe mit der Übergabe des Werkstückes an die Bearbeitungsstation durchzuführen. Der zeitliche Ablauf der gesamten Bearbeitung wird damit nicht verzögert und u. U. wegen der verkürzbaren Auswertung beschleunigt.

Wie bereits erwähnt, können die Referenzstellen durch gesonderte Markierungen gebildet sein, es ist aber auch ohne weiteres denkbar, ohnehin vorhandene Merkmale des Werkstückes, wie z. B. Sichtkanten von Bohrungen, Absätzen, Leiterbahnen oder bereits montierte Bauteile als Referenzstellen zu wählen. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang auch, bestimmten Referenzstellen Prioritäten zukommen zu lassen, weil beispielsweise im Bereich einer Leiterplattenfertigung in bestimmten Zonen der Leiterplatte eine höhere Fertigungsgenauigkeit gewünscht ist als in anderen Zonen.

Ferner ist es denkbar, daß die Referenzstellen optisch gar nicht sichtbar sind und beispielsweise durch in dem Werkstück angeordnete Hohlräume, allseitig umschlossene Leiterbahnen oder Leitungen oder sonstige Inhomogenitäten in der Materialbeschaffenheit des Werkstückes definiert sind. Zur Erfassung dieser Referenzstellen können beispielsweise Röntgenstrahlen, Infrarotlicht, Ultraschall oder Magnetfelder eingesetzt werden, wobei die Erfassung anstelle der bei sichtbarem Licht verwendeten herkömmlichen Kameras mit Hilfe von Röntgenkameras, infrarotlichtempfindlichen Kameras, Ultraschallsensoren oder Induktivsensoren erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, auch Verfahren zur Lagebestimmung einzusetzen, beispielsweise mit Hilfe von Röntgenstrahlen, die sich in den meisten Fällen in einer Bearbeitungsstation gar nicht realisieren ließen. Bei einer separaten Positionserfassung ist beispielsweise bei Röntgenstrahlung die dann erforderliche Abschirmung ohne große Probleme zu erreichen.

Das Vorsehen von zwei vorzugsweise mit gewöhnlichen Kameras erfaßbaren Hauptreferenzstellen ist zweckmäßig, um die bislang übliche Erfassung mit zwei Kameras in den Bearbeitungsstationen beibehalten zu können. Da Bohrungen, Sichtkanten, Farbmarkierungen oder dergleichen in der Regel auch mit Röntgenstrahlen, Infrarotstrahlen oder Ultraschall erfaßt werden können, sind bei entsprechend gewählter Art der Positionserfassung in der Erfassungsstation auch solche Hauptreferenzstellen ohne weiteres erfaßbar.

Für die Positionserfassung in der Erfassungsstation ist es denkbar, daß diese mit einer der Anzahl der Referenzstellen entsprechenden Anzahl von Kameras oder Sensoren erfaßt wird, es ist aber auch möglich, die Positionen der Referenzstellen durch eine Kamera oder einen Sensor zu erfassen, die wenigstens in einer X-Y-Ebene verfahrbar ist und nacheinander zu den Referenzstellen bewegt wird. Alternativ kann das Verfah ren auch eine Gruppe von Kameras oder Sensoren vorsehen, die beispielsweise nur in einer Richtung verfahren werden und jeweils eine Reihe von Referenzstellen gleichzeitig erfassen oder es können auch Bilderfassungssysteme mit einer oder mehreren starren Kameras oder Sensoren vorgesehen sein, wobei jede Kamera mehrere Referenzstellen erfaßt und die Lageerfassung dann im Rahmen der Bildauswertung vorgenommen wird. Eine schnelle Erfassung mit mehreren Kameras ist vor allen dann von Vorteil, wenn in der Bearbeitungsstation ein kurzer Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden soll, damit die Erfassungszeit nicht länger als die Bearbeitungszeit wird und damit die Taktzeit verlängert.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung des Verfahrens, bei welcher die Positionserfassung der Referenzstellen mit Hilfe eines Blitzlichtes während der Bewegung der Kamera erfolgt. Dadurch erreicht man einen Zeitgewinn, da ein Anhalten der Kamera zur Positionserfassung nicht mehr notwendig ist.

Wie bereits angesprochen, ist es von Vorteil, die Positionsvorgabe in einem Datenformat zur Verfügung zu stellen, das mit der Übergabe des Werkstückes an die Bearbeitungsstation dieser für die Positionierung zur Verfügung gestellt wird. Das Datenformat orientiert sich dann zweckmäßig an dem zur Steuerung der Registrierung ohnehin vorgesehenen Datenformat, um alleine durch softwareseitige Programmierung vorhandene Bearbeitsstationen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens tauglich zu machen. Denkbar wäre aber auch eine unmittelbare Steuerung der Positionsoptimierung in der Bearbeitungsstation durch die Datenverarbeitungseinrichtung der Erfassungsstation.

Bei einer direkten Datenweitergabe mit dem Werkstück bereitet auch die Zuordnung der ermittelten Positionsvorgabe für das entsprechende Werkstück keine Probleme. Bei einer räumlichen Trennung von Erfassungsstation und Bearbeitungsstation kann es aber auch sinnvoll sein, für eine Mehrzahl von Werkstücken die Positionsvorgabe in einem Datenformat zur Verfügung zu stellen, die jeweils zugehörigen Werkstücke individuell zu markieren und zu einem späteren Zeitpunkt die Positionsvorgaben dem jeweiligen Werkstück in der Bearbeitungsstation zuzuordnen. So ist es beispielsweise denkbar, eine Charge von Werkstücken zunächst in der Erfassungsstation zu analysieren und dann später bei der Bearbeitung auf die ermittelten Datensätze zurückzugreifen. Die individuelle Kennzeichnung der einzelnen Werkstücke ist hierfür allerdings unerläßlich. Besonders vorteilhaft erscheint hierbei eine Weiterbildung des Verfahrens, bei welcher die Werkstücke selbst mit einer Codierung, z. B. einem Strichcode, als Datenformat gekennzeichnet werden, der die Positionsvorgabe enthält.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, daß mehrere Positionsvorgaben pro Werkstück errechnet werden, die sich jeweils auf eine bestimmte Zone der Werkstückoberfläche oder weitere Werkstückoberflächen beziehen, und das Werkstück in der Bearbeitungsstation nacheinander in Bezug auf jeweils eine Zone oder eine der Oberflächen zur Bearbeitung ausgerichtet wird.

Eine solche Weiterbildung des Verfahrens ist beispielsweise bei der Herstellung von Leiterplatten vorteilhaft, wenn mehrere gleiche Leiterplatten aus einem einzigen Werkstück hergestellt werden. Beispielsweise ist es üblich, die Leiterplatten für Mobiltelefone aus einem einzigen großflächigen Rohling herzustellen, wobei der gleiche Bearbeitungsvorgang, beispielsweise bei der Belichtung, nacheinander für die einzelnen Zonen durchgeführt wird, die später die einzelnen Leiterplatten bilden. Durch die jeweiligen Positionsvorgaben kann eine Optimierung der Lage für jeden dieser einzelnen Bearbeitungsschritte erfolgen, da entsprechend in den einzelnen Zonen die dort gelegenen Referenzpunkte für die Lagekorrektur herangezogen werden können. Die Mehrfachoptimierung kann aber auch bei dreidimensionalen Werkstücken eingesetzt werden, wenn mehrere Oberflächen des Werkstückes nach dessen Neuregistrierung bearbeitet werden sollen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, daß das Werkstück in der Bearbeitungsstation zunächst nach den beiden Hauptreferenzstellen ausgerichtet wird und die Bearbeitung, wie z. B. das Aufbringen eines Druckbildes, das Herstellen eines Bohrschemas oder dergleichen, auch unter Berücksichtigung der Nebenreferenzstellen vorgenommen wird. So wäre es beispielsweise bei einem Druckbild vorstellbar, dieses entsprechend dem zuvor ermittelten Verzug unter Berücksichtigung der Lage aller Referenzstellen anzupassen, um eine optimierte Bearbeitungsposition in allen Bereichen des Werkstückes zu erreichen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Erfassungssystem für ein vorgenanntes Verfahren mit einer Erfassungsstation, in welcher ein Werkstück definiert positionierbar ist, wenigstens einer Kamera oder einem Sensor zur Erfassung der Ist-Position von wenigstens zwei Hauptreferenzstellen und weiterhin von Nebenstellen sowie einer Datenverarbeitungseinrichtung, die die erfaßten Ist-Werte aller Referenzstellen mit gespeicherten Sollwerten vergleicht, eine opti mierte Lage des Werkstückes im Hinblick auf alle Referenzstellen errechnet und die Lage durch eine Positionsvorgabe mit Bezug auf die beiden Hauptreferenzstellen definiert. Ein solches Erfassungssystem kann beispielsweise einer üblichen Bearbeitungsstation vorgeschaltet werden, oder es kann separat eingesetzt werden, um Positionsvorgaben für eine Reihe von individuell gekennzeichneten oder zu kennzeichnenden Werkstücken zu ermitteln.

Die Kamera bzw. der Sensor des Erfassungssystems ist vorzugsweise zur Ansteuerung der Referenzstellen nacheinander beweglich, so daß mit einer einzigen Kamera bzw. eines Sensors alle Referenzstellen erfaßt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, ein Blitzlicht vorzusehen, das die Erfassung der Referenzstellen während der Kamerabewegung ermöglicht, um die Zeit für den Erfassungsvorgang insgesamt zu verkürzen.

Für die zuvor angesprochene Bearbeitung mehrerer Zonen der Werkstückoberfläche mit gleichen Bearbeitungsvorgängen kann eine Weiterbildung des Erfassungssystems von Vorteil sein, bei welcher mehrere Positionsvorgaben mit Bezug auf die beiden Hauptreferenzstellen zur optimierten Ausrichtung jeweils zugeordneter einzelner Zonen der Werkstückoberfläche definiert werden. Damit ist eine zonenweise optimale Ausrichtung mit Bezug auf die dort in der Nähe liegenden Referenzpunkte möglich.

Wie bereits erwähnt, kann das Erfassungssystem für die unmittelbar Übergabe der Daten für die Positionsvorgabe mit dem Werkstück an die Bearbeitungsstation vorgesehen sein, das Erfassungssystem kann aber auch in der Weise weitergebildet sein, daß die Daten der Positionsvorgabe in einer einem be stimmten Werkstück eindeutig zuordenbare Weise speicherbar sind. Beispielsweise kann das Erfassungssystem auch vorteilhaft so ausgebildet sein, daß es die Daten durch Markierung des Werkstückes mit einem Code speichert. Auf diese Weise ist eine sichere Zuordnung der Positionsvorgabe zu jedem späteren Zeitpunkt möglich.

Werden zur Positionserfassung keine üblichen Kameras sondern Infrarot- oder Röntgenkameras oder Ultraschallsensoren oder induktiv arbeitende Sensoren eingesetzt, sollten diese in der Lage sein, auch Hauptreferenzstellen in ihrer Position zu erfassen, die anschließend in der Bearbeitungsstation mit üblichen Kameras zur Erfassung sichtbaren Lichts in ihrer Lage bestimmbar sind.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Zielerfassung mit zwei Kameras in einer Bearbeitungsstation;
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Zielerfassung nach dem Stand der Technik;
3 eine schematische Schrägansicht eines Positionserfassungssystems;
4 eine Draufsicht auf eine zu bearbeitende Leiterplatte mit Referenzmarkierungen;
5 anhand der Leiterplatte gemäß 4 einen ersten Verfahrensschritt;
6 anhand der Leiterplatte einen nachfolgenden Verfahrensschritt zur Positionsvorgabe;
7 anhand der Leiterplatte einen optionalen weiteren Verfahrensschritt für eine zonenweise Lageoptimierung;
8 schematisch einen Vergleich von Soll- und Ist-Form einer Leiterplatte.
In 1 ist schematisch eine Anordnung zur Bestimmung der Ist-Position eines Werkstückes 10 mit zwei Referenzmarkierungen 12 dargestellt, wie sie aus Bearbeitungsstationen nach dem Stand der Technik bekannt sind. Zwei starr angeordnete Kameras 14, an deren Stelle auch eine beweglich angeordnete Kamera vorgesehen sein kann, erfassen optisch die Ist-Positionen der Referenzstellen 12 und vergleichen diese mit Sollpositionen. Anschließend wird das Werkstück 10 ausgerichtet, bis eine optimierte Lage der beiden Markierungsstellen erreicht ist.
Eine Anordnung mit einer verbesserten Genauigkeit ist in 2 gezeigt. Zur Verbesserung der Ausrichtgenauigkeit werden acht Referenzmarkierungen 12b durch acht Kameras 14b erfaßt und die optimierte Ausrichtung des Werkstückes 10 erfolgt durch Vergleich aller acht Ist-Positionen der Referenzstellen 12b mit gespeicherten Sollwerten. Neben dem erhöhten Zeitauf wand unmittelbar in der Bearbeitungsstation stehen bei starren Kameras auch ein großer Investitionsaufwand einer solchen Lösung entgegen.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Erfassungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das vor der eigentlichen Bearbeitungsstation angeordnet ist, die beispielsweise mit einer in der Kamera vorgesehenen Erfassungsvorrichtung für die Ist-Positionen zweier Referenzstellen geeignet ist, wie sie in 1 dargestellt ist. Das Erfassungssystem besitzt einen Rahmen 22, in welchem das Werkstück 24, hier eine Leiterplatte, definiert festlegbar ist. Die Leiterplatte 24 ist mit acht Referenzstellen gekennzeichnet, zwei Hauptreferenzstellen 26a, 26b und sechs Nebenreferenzstellen 28a – 28f. An dem Rahmen 22 ist ferner ein Querträger 30 in einer Linearführung verschieblich montiert und mit Hilfe eines leistungsfähigen Antriebes in der Y-Richtung verschieblich. An dem Querträger wiederum ist ein Kameraträger 32 in eine Linearführung (nicht gezeigt) linear verschieblich und mit Hilfe eines Antriebs verstellbar angeordnet, so daß eine an dem Kameraträger 32 fest angebrachte Kamera 34 an jede X-Y-Koordinate oberhalb der Leiterplatte 24 schnell verfahrbar ist. Die Positionserfassung der einzelnen Referenzstellen 26a, b und 28a – f erfolgt nacheinander durch gezieltes Anfahren der betreffenden Position durch die Digitalkamera 34, die eine kurze Erfassungszeit hat. Die Aufnahmen werden an den einzelnen Stellen bei fortbewegter Kamera 34 während der Bewegung aufgenommen, was durch eine Blitzlampe 36 ermöglicht ist, die in der entsprechenden X-Y-Position kurzzeitig auslöst. Positionssensoren (nicht gezeigt) bestimmen dabei die exakte Position der Kamera und eine angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet die Bilddaten in ein geeignetes Datenformat, das die exakte Ist-Position der einzelnen Referenzstellen 26a und 28a – f wiedergibt.
Der Ablauf der Ausrichtung der Leiterplatte 10 in der Bearbeitungsstation mit Hilfe des Erfassungssystems 20 wird nachfolgend anhand der Abbildungen 4 – 6 näher erläutert.
In 4 ist in Draufsicht die Leiterplatte 10 mit den beiden Hauptreferenzstellen 26a und 26b sowie den Nebenreferenzstellen 28a – f gezeigt. Schematisch angedeutet sind ferner Leiterbahnen 38 und Lötstellen 40 oder bereits vorgesehene Bauteile 42, Bohrungen oder dergleichen, die zusätzlich oder anstelle der markierten Referenzstellen als Referenzstellen dienen können.
Da die in 4 gezeigte Leiterplatte in einem nächsten Bearbeitungsvorgang exakt ausgerichtet werden kann, damit nachfolgende Bearbeitungsvorgänge passend zu den bereits erzeugten Leiterbahnmustern 38, 40, 42 durchgeführt werden können, wird die Leiterplatte 10 entsprechend der Abbildung 3 in die Aufnahme 23 des Erfassungssystems 20 eingelegt. Die Kamera 34 beginnt nun mit Hilfe der verstellbaren Vorrichtung, die Referenzstellen nacheinander abzufahren, wobei sich die Abfolge zweckmäßigerweise danach richtet, wie mit möglichst kurzem Weg alle Referenzstellen nacheinander angefahren werden können. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel beginnt die Positionserfassung mit der Nebenreferenzstelle 28f und in der weiteren Abfolge werden die Hauptreferenzstellen 26a, die Nebenreferenzstellen 28a, 28b, 28c, die weitere Hauptreferenzstelle 26b und schließlich die beiden Nebenreferenzstellen 28d und 28e erfaßt. Die Erfassung erfolgt, wie zuvor bereits beschrieben, in der Bewegung der Kamera durch Auslösen des Blitzlichtes 36. Während 4 und 5 idealisierte Leiterplatten mit exakt an der richtigen Position liegenden Referenzstellen zeigen, ergibt sich in der Praxis tatsächlich ein abweichendes Bild. Wie aus 6 zu ersehen ist, liegen die tatsächlich ermittelten Ist-Positionen (hell gezeigt) in der Regel mehr oder weniger deutlich versetzt zu den idealen Sollpositionen. Dieser Versatz ergibt sich durch Schrumpfungs- oder Dehnungsvorgänge der Leiterplatte während der Bearbeitung, wobei auch die Positionen eventuell schon aufgebrachter Leiterbahnen 38, Lötstellen 40 oder Bohrungen von diesen Verzugsvorgängen betroffen sind.
Mit Hilfe einer an sich bekannten, geeigneten Software, die nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist, wird nunmehr rechnerisch eine ideale Positionierung errechnet, bei welcher in der Summe der Versatz aller Referenzstellen von ihren Sollpositionen miniert wird. Diese optimierte Ausrichtung der Leiterplatte anhand des Vergleiches aller Ist-Positionen der Referenzstellen mit den Sollpositionen wird nun in der Weise in einem geeigneten Datenformat abgelegt, das diese durch eine Positionsvorgabe der beiden Hauptreferenzstellen 26a, b bezüglich einer Sollposition definiert werden. Diese Daten werden dann anschließend mit dem Werkstück 10 an die Bearbeitungsstation übergeben, die wiederum die beiden Hauptreferenzstellen 26a, b (siehe 1) ausschließlich erfaßt, dann aber in Abweichung zu vorbekannten Lösungen die Ausrichtung anhand der Positionsvorgabe vornimmt und nicht anhand einer Optimierung der Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen 26a, b ausschließlich zu den ihnen zugeordneten Sollpositionen. Die Genauigkeit der Ausrichtung leidet hierunter nicht, da es sich bei der Leiterplatte ohnehin um ein zumindest im Rahmen des Ausrichtsvorganges als starr anzunehmendes Gebildet han delt, d. h. es genügt, die in der Erfassungsposition ermittelte optimierte Lage anhand der beiden Hauptreferenzstellen einzustellen.
Die Bearbeitungsstation selbst kann in aller Regel durch eine kleine softwareseitige Änderung auf das Zusammenspiel mit dem Erfassungssystem umgerüstet werden, das die Positionsvorgabe in einem für die Bearbeitungsstation geeigneten Format zur Verfügung stellt.
Anstelle einer unmittelbaren Datenübergabe gemeinsam mit dem Werkstück, wodurch eine spezielle Zuordnung nicht notwendig ist, ist es auch denkbar, die Positionsvorgaben zunächst für eine Reihe von Leiterplatten zu ermitteln und die einzelnen Datensätze diesen individuell zuzuordnen. Dazu ist eine individuelle Kennzeichnung der Leiterplatten notwendig, wobei beispielsweise fortlaufenden Nummern die einzelnen Datensätze zugeordnet werden können. Es ist aber auch denkbar, die Positionsvorgabe unmittelbar als Code auf der Leiterplatte zu markieren, beispielsweise als Strichcode, und diesen dann in der Bearbeitungsstation mit einem geeigneten Lesegerät, das sehr einfach beschaffen sein kann, zu erfassen, um die optimierte Ausrichtung des Werkstückes vorzunehmen.
In 7 ist schließlich wiederum anhand der in 6 gezeigten Leiterplatte veranschaulicht, welche weitergehenden Nutzungsmöglichkeiten die Erfassung der Hauptreferenzstellen 26a, b und zusätzlich der Nebenreferenzstellen 28a – f bietet. Aus den Ist-Positionen aller Referenzstellen gemäß 7 ermittelt die Datenverarbeitungseinrichtung des Erfassungssystems einen anzunehmenden Ist-Zustand 46 der Leiterplatte während des Erfassungsvorgangs. Mit Hilfe dieses als reines Datenformat oder auch grafisch hinterlegten Abbildes des Ist-Zustandes der Leiterplatte ist es denkbar, auf den Bearbeitungsvorgang selbst Einfluß zu nehmen und neben der Positionsvorgabe auch beispielsweise die Koordinaten anzubringender Bohrstellen, Lötstellen oder sonstigen entsprechend dem ermittelten Bild der Leiterplatte zu verlagern.
Anhand 7 und 8 läßt sich aber noch eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens erläutern, die insbesondere dann von Nutzen ist, wenn zu fertigende Leiterplatten in mehrere Zonen 48, 50, 52, 54 unterteilt ist, in denen jeweils die gleichen Leiterbahnen auszubilden sind, um später aus dem Rohling mehrere kleinere Leiterplatten herzustellen, im gezeigten Ausführungsbeispiel vier. In einem solchen Fall wird die Leiterplatte in der Bearbeitungsstation in der Regel einer der Anzahl der Zonen entsprechenden Anzahl sich wiederholender, gleicher Bearbeitungsvorgänge ausgesetzt.
Mit Hilfe des Erfassungssystems 20 ist es nun möglich, für jeden dieser Bearbeitungsschritte eine optimierte Ausrichtung im Hinblick auf die jeweilige Zone 48, 50, 52 oder 54 vorzunehmen, die aktuell für den nächsten Bearbeitungsvorgang ansteht. Auf diese Weise können insbesondere Verzüge im Bereich einer einzelnen Zone, die im übrigen statistisch nicht sehr ins Gewicht fallen und dazu führen könnten, daß die in dieser Zone hergestellte Leiterplatte später Ausschuß wird, durch die spezielle Ausrichtung kompensiert werden.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die ideale Positinnierung jeder Zone anhand der jeweils drei in diesem Bereich liegenden Referenzstellen vorgenommen werden, wobei allerdings wiederum diese Idealposition als Positionsvorgabe für lediglich die beiden Hauptreferenzstellen 26a, b in Datenform angelegt wird, um wiederum die Ausrichtung in üblichen Bearbeitungsstationen zu ermöglichen.
Es ist auch denkbar, in dem Erfassungssystem verdeckte Werkstückmerkmale, wie z. B. Hohlräume, umschlossene Leitungen oder Leiterbahnen oder sonstige Inhomogenitäten des Werkstückes zu erfassen, beispielsweise mit Hilfe von Röntgenstrahlung, Infrarotstrahlung, induktive arbeitenden Sensoren oder Ultraschallsensoren. Zweckmäßigerweise sind jedoch wenigstens die Hauptreferenzstellen auch optisch sichtbar, um die üblichen Positionserfassungen in der Bearbeitungsstation mit Hilfe zweier optischer Kameras unverändert einsetzen zu können.

Claims

Verfahren zur optimalen Ausrichtung wenigstens einer Oberfläche von Werkstücken (24) in einer Bearbeitungsstation, bei welchem wenigstens zwei Hauptreferenzstellen (26a, 26b) erfaßt werden und die Ausrichtung anhand eines Vergleiches der Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen (26a, 26b) mit Sollpositionen vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schritt vor der Übergabe des Werkstückes (24) an die Bearbeitungsstation in einer Erfassungsstation (20) Ist-Positionen der Hauptreferenzstellen (26a, 26b) und weiterhin von Nebenreferenzstellen (28a – f) erfaßt werden, die Ist-Positionen mit Sollpositionen aller Referenzstellen (26a, b, 28a – f) verglichen werden, eine optimierte Lageausrichtung des Werkstückes (24) unter Berücksichtigung aller Referenzstellen (26a, b, 28a – f) ermittelt wird, die optimierte Lage durch eine Positionsvorgabe für die wenigstens zwei Hauptreferenzstellen (26a, 26b) definiert wird und in der Bearbeitungsstation die Ausrichtung des Werkstückes (24) anhand der Positionsvorgabe für die beiden Hauptreferenzstellen (26a, b) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstellen (26a, b, 28a – f) durch Markierungen und/oder Werkstückmerkmale, wie z. B. Sichtkanten, bereits montierte Bauteile, verdeckte Hohlräume und/oder sonstige Inhomogenitäten der Werkstückstruktur gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hauptreferenzstellen (26a, 26b) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassung der Referenzstellen (26a, 26b) mit einer deren Anzahl entsprechenden Anzahl von Kameras oder Sensoren durchgeführt, die Positionserfassung aller Referenzstellen mit einer starren Kamera oder einem starren Sensor über eine entsprechende Bildauswertung oder die Positionserfassung der Referenzstellen gruppenweise mit einer jeweils zugeordneten starren Kamera oder einem jeweils zugeordneten starren Sensor über eine entsprechende Bildauswertung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der Referenzstellen (26a, 26b) durch eine Kamera (34) oder einen Sensor erfaßt werden, die bzw. der in wenigstens einer X-Y-Ebene verfahrbar ist und nacheinander zu den Referenzstellen (26a, 26b, 28a – f) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassung der Referenzstellen (26a, 26b, 28a – f) mit Hilfe einer Blitzlichtauslösung (36) während der Bewegung der Kamera (34) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsvorgabe in einem Datenformat zur Verfügung gestellt wird und die Daten mit der Übergabe des Werkstückes (24) an die Bearbeitungsstation dieser für die optimierte Positionierung zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Mehrzahl an Werkstäcken (24) die Positionsvorgaben in einem Datenformat zur Verfügung gestellt und die zugehörigen Werkstücke (24) individuell markiert werden und zu einem späteren Zeitpunkt die Positionsvorgaben dem jeweiligen Werkstück (24) in der Bearbeitungsstation zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (24) mit einer Codierung, z. B. einem Strichcode, gekennzeichnet werden, der die Positionsvorgaben enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Positionsvorgaben pro Werkstück (24) errechnet werden, die sich jeweils auf eine bestimmte Zone (48, 50, 52, 54) der Werkstückoberfläche oder weitere Werkstückoberflächen beziehen und das Werkstück (24) in der Bearbeitungsstation in Bezug auf jeweils eine Zone (48, 50, 52, 54) oder eine der Oberflächen zur jeweiligen Bearbeitung ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (24) in der Bearbeitungsstation nach den beiden Hauptreferenzstellen (26a, 26b) ausgerichtet wird und die Bearbeitung auch unter Berücksichtigung der Ist-Position der Nebenreferenzstellen (28a – f) angepaßt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstücke Leiterplatten (24) verwendet werden.
Erfassungssystem für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Erfassungsstation (20), in welcher ein Werkstück (24) definiert positionierbar ist, wenigstens eine Kamera (34) und/oder wenigstens ein Sensor zur Erfassung der Ist-Positionen von wenigstens zwei Hauptreferenzstellen (26a, 26b) und weiterhin von Nebenreferenzstellen (28a – f) sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, die die erfaßten Ist-Positionen aller Referenzstellen (26a, b, 28a – f) mit gespeicherten Sollpositionen vergleicht, eine optimierte Lage des Werkstückes (24) im Hinblick auf alle Referenzstellen (26a, b, 28a – f) errechnet und die Lage durch eine Positionsvorgabe mit Bezug auf die beiden Hauptreferenzstellen (26a, b) definiert.
Erfassungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (34) oder der Sensor zur Ansteuerung der Referenzstellen (26a, b, 28a – f) nacheinander beweglich ist.
Erfassungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blitzlampe (36) vorgesehen ist, die die Erfassung der Referenzstellen (26a, b, 28a – f) während der Kamerabewegung ermöglicht.
Erfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Positionsvorgaben pro Oberfläche mit Bezug auf die beiden Hauptreferenz stellen (26a, b) zur optimierten Ausrichtung der jeweils zugeordneten Zone der Werkstückoberfläche definiert.
Erfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es die Daten für die Positionsvorgabe mit dem Werkstück (24) an die Bearbeitungsstation übergibt.
Erfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Positionsvorgabe in einer einem bestimmten Werkstück (24) eindeutig zuordenbaren Weise speicherbar sind.
Erfassungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es die Daten der Positionsvorgabe durch Markierung des Werkstückes (24) mit einem Code speichert.
Erfassungssystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Kamera bzw. der wenigstens eine Sensor zur Erfassung von verdeckten Nebenreferenzstellen und optisch sichtbaren Hauptreferenzstellen geeignet ist, die in der Bearbeitungsstation mit Hilfe wenigstens einer gewöhnlichen Kamera erfaßbar sind.