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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Bestücktechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Höhenlage eines Bauelements relativ zu einer Bauelement-Haltevorrichtung sowie ein Verfahren zum Aufgreifen eines Bauelements mittels einer einen Saugkanal aufweisenden Bauelement-Haltevorrichtung.
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Bei der Bestückung von Bauelementeträgern im Rahmen der sog. Surface-Mount-Technology (SMT) werden SMT-Bauelemente mittels eines Bestückkopfes von einer Abholposition einer Bauelement-Zuführeinrichtung abgeholt und an den vorgesehenen Bauelement-Einbauplätzen auf den Bauelementeträgern aufgesetzt.
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Unter dem Begriff ”Bauelementeträger” kann in diesem Dokument jede Art von bestückungsfähigem Substrat, insbesondere Leiterplatten, verstanden werden. Ein Bauelementeträger kann starr oder auch flexibel sein. Ein Bauelementeträger kann auch sowohl starre als auch flexible Bereiche aufweisen.
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Unter dem Begriff ”Bauelement” können in diesem Dokument alle bestückungsfähigen Elemente verstanden werden, welche auf einem Bauelementeträger platziert werden können. Bauelement können insbesondere zwei- oder mehrpolige SMT-Bauelemente oder andere hochintegrierte flächige Bauelemente wie beispielsweise Ball Grid Arrays, Bare Dies und Flip Chips sein. Ferner kann der Begriff ”Bauelement” auch mechanische Elemente wie beispielsweise Anschlussstifte, Stecker, Buchsen oder dergleichen oder optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Leuchtdioden oder Photodioden umfassen. Außerdem kann der Begriff ”Bauelement” auch sog. RFID-Chips umfassen, welche für sog. Transponder verwendet werden.
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Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen und eines starken Preisdruckes auf dem Elektronikmarkt werden an moderne Bestückautomaten sowohl hinsichtlich der Bestückgenauigkeit als auch hinsichtlich der Bestückgeschwindigkeit hohe Anforderungen gestellt. Hohe Bestückungsgeschwindigkeiten führen dazu, dass insbesondere bei kleinen Bauelementen die mechanischen Belastungen, denen das Bauelement beim Abholen von einer Bauelement-Zuführeinrichtung und/oder beim Aufsetzen auf einen Bauelementeträger ausgesetzt ist, so groß werden können, dass das Bauelement und die Unterlage, auf welcher sich das Bauelement befindet, beschädigt oder zumindest deformiert werden kann. Die mechanische Belastung eines Bauelements bei einem schnellen Bestückprozess beruht darauf, dass selbst ein sehr sanft arbeitender Bestückkopf beim Aufsetzen auf das Bauelement eine statische Aufsetzkraft von zumindest 1 Newton ausübt. Selbst eine derart geringe Aufsetzkraft bewirkt bei kleinen Bauelementen, welche eine Kantenlänge im Bereich von 0,5 mm aufweisen, einen so hohen Aufsetzdruck, dass eine mechanische Beschädigung des Bauelements und/oder der Bauelement-Unterlage nicht zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Durch eine Reduzierung der Aufsetzgeschwindigkeit könnten zwar die mechanischen Belastungen beim Aufgreifen und beim Aufsetzen weiter reduziert werden, dies hätte jedoch eine negative Auswirkung auf die Bestückgeschwindigkeit und widerspricht somit der oben genannten Anforderung an einen modernen Bestückautomaten in Bezug auf die Bestückleistung. Unter dem Begriff ”Bestückleistung” ist in diesem Zusammenhang die maximale Anzahl an Bauelementen zu verstehen, die innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit bestückt werden kann.
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Für einen einwandfreien Bestückungsbetrieb ist es ferner erforderlich, die relative Höhenlage aller an dem Bestückungsprozess beteiligten Komponenten zueinander genau zu kennen. Insbesondere ist es erforderlich, zum Zwecke einer fehlerfreien Abholung der Bauelemente die genaue Höhenlage einer Bauelement-Zuführeinrichtung, häufig auch als Feeder bezeichnet, relativ zu dem betreffenden Bestückautomaten genau zu kennen. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, insbesondere nach dem Andocken einer neuen Bauelement-Zuführeinrichtung an den Bestückautomaten die Höhenlage der Bauelement-Zuführeinrichtung und insbesondere die Höhenlage der Ansaugoberfläche eines in der Bauelement-Abholposition bereitgestellten Bauelements relativ zu dem Bestückautomaten zu bestimmen und, basierend auf der bestimmten (relativen) Höhenlage, das System bestehend aus Bestückautomat und angedockter Bauelement-Zuführeinrichtung entsprechend zu kalibrieren.
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Derzeit wird eine derartige Höhen-Kalibrierung vorgenommen, indem eine Bauelement-Haltevorrichtung eines Bestückkopfes, deren Höhenlage einer Steuerung des Bestückautomaten genau bekannt ist, von oben auf ein von der Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestelltes Bauelement mit einer zwar möglichst geringen aber trotzdem nicht unerheblichen Aufsetzkraft aufgesetzt wird. Mittels eines Sensors wird dann die Höhenposition der Bauelement-Haltevorrichtung bestimmt, bei der das (kraftbehaftete) Aufsetzen erfolgt. Je nach Art des verwendeten Bestückkopfes, an welchem die Bauelement-Haltevorrichtung (verschiebbar) angebracht ist, kann der genannte Sensor z. B. ein Stromsensor eines für die vertikale Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung verantwortlichen z-Antriebs oder ein Zähler eines sog. z-Messsystems sein, mit dem die Höhenposition der Bauelement-Haltevorrichtung bestimmt wird. Eine Eigenreibung einer sog. ”z-Achse”, welche neben einem z-Antrieb auch eine entsprechende Führungseinrichtung umfasst, führt jedoch regelmäßig zu falschen Messergebnissen und damit zu einer häufig ungenügend genauen Höhen-Kalibrierung.
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JP 2001 177296 A offenbart ein Verfahren zum schonenden Abholen von elektronischen Bauelementen aus einem Bauelementgurt, welcher eine Mehrzahl von Taschen zur Aufnahme jeweils eines Bauelementes aufweist. Zum Abholen eines Bauelements wird zunächst versetzt zu einer Tasche eine Saugpipette eines Bestückkopfes auf die Oberseite des Bauelementgurts abgesenkt und dabei der pneumatische Saugdruck erfasst. Bei Erreichen der Oberseite und einem geringfügigen Eindrücken des Bauelementgurts durch die Saugpipette wird eine signifikante Erhöhung des Saugdrucks gemessen und daraus geschlossen, dass die Saugpipette an der Oberseite des Bauelementgurtes angestoßen ist. Basierend auf der Kenntnis, wie tief sich ein Bauelement in einer Tasche des Bauelementgurts befindet bzw. basierend auf der Höhendifferenz zwischen der Oberseite des in der Tasche befindlichen Bauelements und der Oberseite des Bauelementgurts kann die Saugpipette in kontrollierter Weise und präzise auf die Oberfläche des abzuholenden Bauelements abgesenkt werden.
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DE 100 61 756 A1 offenbart ein Verfahren zum Entnehmen von Bauelementen aus einem Träger. Dabei wird eine mit einem Saugkanal versehene Vakuumpipette auf ein Bauelement abgesenkt. Mittels eines Messsystems wird die Position der Vakuumpipette erfasst. In einem vorbestimmten Abstand über dem Bauelement wird die Vakuumpipette. Anschließend wird der Saugkanal mit einer Vakuumquelle verbunden, so dass eine Luftströmung an der Vakuumpipette entsteht. Durch die Luftströmung wird eine Kraft auf das Bauelement ausgeübt, durch welche das Bauelement zu der Vakuumpipette bewegt und von dieser aufgenommen wird. Dabei wird das Bauelement auf kontaktlose Weise auf die Vakuumpipette transferiert.
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US 2007 0 176 121 A1 offenbart einen vakuumbetriebenen Näherungssensor mit zwei pneumatischen Kanäle, die von einer zentralen Vakuumerzeugungseinheit mit einem Unterdruck beaufschlagt werden, so dass durch jeden der beiden Kanäle Luft strömt. Ein pneumatischer Kanal ist ein Referenzkanal, der an einer Referenz-Prüfspitze endet, die mit einem bekannten Referenzabstand von einer Referenzoberfläche beabstandet ist. Der andere pneumatische Kanal ist ein Messkanal, der an einer Mess-Prüfspitze endet, die mit einem unbekannte Messabstand von einer Messoberfläche beabstandet ist. Zwischen den beiden Kanälen erstreckt sich ein Brückenkanal mit einem Massenflusssensor. In einem symmetrischen Betriebszustand, bei dem der unbekannte Messabstand gleich dem bekannten Referenzabstand ist, fließt keine Luft durch den Massenflusssensor. Ein Unterschied zwischen dem unbekannten Messabstand und dem bekannten Referenzabstand führt zu einem unsymmetrischen pneumatischen Zustand und der Massenflusssensor wird abhängig von dem Vorzeichen der Differenz zwischen dem unbekannten Messabstand und dem bekannten Referenzabstand einen Luftstrom in die eine oder die andere Richtung detektieren. Der Massenflusssensor kann auch durch einen Drucksensor ersetzt werden, welcher eine Druckdifferenz zwischen dem Referenzkanal und dem Messkanal erfasst. Die Messoberfläche kann die Oberfläche von einem Halbleiterwafer sein.
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DE 103 12 251 A1 offenbart ein Verfahren zur Positionsbestimmung einer Saugpipette. Dabei wird die Saugpipette, welche mit einem Überdruck oder mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, parallel zu einer Oberfläche eines Kalibrierelements bewegt, welches eine Durchgangsöffnung und/oder eine Vertiefung aufweist. Die Stärke der Luftströmung, welche aus einem Saugkanal der Saugpipette heraus in Richtung des Kalibrierelements oder in den Saugkanal strömt, hängt von dem Überlapp zwischen einer unteren Öffnung der Saugpipette und der Durchgangsöffnung bzw. der Vertiefung ab. Die Stärke der Luftströmung kann von einem Drucksensor oder von einem Strömungssensor gemessen werden. Bei einer Kenntnis der Positionen der Durchgangsöffnung und/oder der Vertiefung in dem Kalibrierelement kann somit basierend auf der Stärke der erfassten Luftströmung die Position der Saugpipette parallel zu der Oberfläche des Kalibrierelements bestimmt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung der Höhenlage eines insbesondere von einer Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellten Bauelements in Hinblick auf eine genaue Höhen-Kalibrierung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum kontaktlosen Bestimmen einer geeigneten Höhenlage einer Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu einem Bauelement zum Aufgreifen des Bauelements beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Positionieren der Bauelement-Haltevorrichtung bei einer ersten relativen Höhe über dem Bauelement und ein Anlegen eines Unterdrucks an einem Saugkanal der Bauelement-Haltevorrichtung, (b) ein Bewegen der Bauelement-Haltevorrichtung in Richtung des Bauelements, (c) ein Erfassen, während der Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung, einer pneumatischen Größe, welche für eine Luftströmung durch den Saugkanal indikativ ist, wobei die pneumatischen Größe eine Druckdifferenz zu einem Umgebungsdruck ist, (d) ein Erkennen einer Änderung der erfassten pneumatischen Größe, welche Änderung eine Behinderung der Luftströmung durch den Saugkanal infolge des sich in der Nähe der unteren Öffnung des Saugkanals befindlichen Bauelements kenntlich macht, und (e) ein Bestimmen einer zweiten relativen Höhe der Bauelement-Haltevorrichtung, bei der die Änderung der pneumatischen Größe erkannt wurde. Erfindungsgemäß besteht bei der zweiten relativen Höhe kein direkter Kontakt zwischen der Bauelement-Haltevorrichtung und dem Bauelement.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Messung einer pneumatischen Größe, welche für eine Luftströmung durch den Saugkanal indikativ ist, auf kontaktlose und nahezu kraftlose Weise die Höhenlage bzw. die Abholhöhe eines Bauelements in Bezug zu einer Bauelement-Haltevorrichtung und insbesondere einer Bauelement-Haltevorrichtung eines Bestückkopfes bestimmt werden kann. Da beispielsweise in einem Bestückautomaten bei einem korrekten Bestückungsbetrieb stets die aktuelle räumliche Position des Bestückkopfes und auch die aktuelle räumliche Position der daran ggf. verschiebbar abgebrachten Bauelement-Haltevorrichtung bekannt ist, kann durch die beschriebene pneumatische Bestimmung der relativen Höhenlage zwischen Bauelement und Bauelement-Haltevorrichtung die Höhenlage des Bauelements relativ zu einem Chassis des Bestückautomaten bestimmt werden. Sollte jedoch die Höhenlage des Bauelements relativ zu einem Chassis des Bestückautomaten aufgrund von anderen Informationen bekannt sein, dann könnte auch eine Positioniervorrichtung für den Bestückkopf und/oder für die Bauelement-Haltevorrichtung basierend auf der pneumatischen bestimmten Relativ-Höhenlage kalibriert werden.
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Die hier beschriebene zumindest annähernd kraftfreie pneumatische Bestimmung der relativen Höhenlage zwischen Bauelement-Haltevorrichtung und Bauelement hat den Vorteil, dass eine Beschädigung des von einer Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellten Bauelements, welches bei bekannten Verfahren zum Abholen des Bauelements oder zum räumlichen Kalibrieren der Höhenlage der Bauelement-Zuführeinrichtung einer nicht unerheblichen mechanischen Kraft ausgesetzt ist, zuverlässig vermieden werden kann. Ferner kann auch ein Eindrücken und/oder ein Beschädigen der Unterlage, auf welcher sich das bereitgestellte Bauelement befindet, durch einen Druck, den das einer Kraft von der Bauelement-Haltevorrichtung ausgesetzte Bauelement ausübt, zuverlässig vermieden werden. Ein derartiges Eindrücken und/oder Beschädigen der Unterlage kann nämlich bei bekannten Verfahren insbesondere dann vorkommen, wenn es sich um ein kleines Bauelement handelt, welches gemäß der physikalischen Gesetzmäßigkeit Druck = Kraft/Fläche bei einer von einer Bauelement-Haltevorrichtung ausgeübten Druckkraft von oben auf das Bauelement einen besonders hohen Druck auf die Unterlage ausübt. Demzufolge ist es bei dem beschriebenen Verfahren im Gegensatz zu bekannten nicht kontaktlosen und eine Kraftübertragung von Bauelement-Haltevorrichtung auf das Bauelement aufweisenden Verfahren nicht erforderlich, dass Bauelement durch eine spezielle Unterlage und/oder einer speziellen Unterstützung der Unterlage insbesondere in einer Bauelement-Zuführeinrichtung zu unterstützen. Ferner kann das beschriebene Verfahren auch dann ohne Einbußen der Genauigkeit der bestimmten Höhenlage verwendet werden, wenn eine sog. z-Achse oder z-Achsenantrieb, welche bzw. welcher für eine vertikale Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung in Richtung des Bauelements verantwortlich ist, eine vergleichsweise große Eigenreibung besitzt. Eine solche Eigenreibung führt in der Regel bei bekannten Verfahren zu einer großen Messungenauigkeit.
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Unter dem Begriff ”pneumatischen Größe” kann in diesem Dokument jede physikalische Messgröße verstanden werden, welche charakteristisch ist für die Stärke der Luftströmung durch den Saugkanal. Da entsprechend den Gesetzen der Strömungsmechanik eine Luftströmung stets mit einem Druck bzw. mit einem Druckunterschied verknüpft ist, kann die Luftströmung nicht nur mit einem Strömungssensor sondern auch mit einem Drucksensor auf einfache und zuverlässige Weise erfasst werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Bereitstellen des Bauelements mittels einer Bauelement-Zuführeinrichtung an einer Abholposition der Bauelement-Zuführeinrichtung auf.
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Die Bauelement-Zuführeinrichtung kann eingerichtet sein, in bekannter Weise in einem sog. Bauelement-Gurt verpackte Bauelemente in die Abholposition zu transferieren. In dieser Abholposition kann das jeweilige Bauelement dann von der Bauelement-Haltevorrichtung, deren Saugkanal mit einem Unterdruck, häufig auch vereinfachend als Vakuum bezeichnet, beaufschlagt ist, in bekannter Weise aus einer entsprechenden Aufnahmetasche des Bauelement-Gurts entnommen werden. Dabei kann ebenfalls in bekannter Weise unmittelbar vor dem Erreichen der Abholposition eine Deckfolie von dem Bauelement-Gurt abgezogen werden, so dass das Bauelement in der Aufnahmetasche von oben frei zugänglich ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner ein Kalibrieren der Höhenlage der Abholposition relativ zu einem Koordinatensystem auf, in welchem die Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung gesteuert wird.
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Das genannte Koordinatensystem kann beispielsweise ein Koordinatensystem sein, welches zu einem festen Ort eines Bestückautomaten, beispielsweise zu einem Chassis des Bestückautomaten, einen festen räumlichen Bezug aufweist. Das genannte Koordinatensystem kann demzufolge dafür verwendet werden, die Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung zu steuern.
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In diesem Zusammenhang kann der Begriff ”Steuern” eine sog. Open Loop-Steuerung umfassen, bei der die Bewegung des Bestückkopfes und/oder die Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung ohne eine Rückkopplung eines tatschlich gemessenen Positionswertes des Bestückkopfes und/oder der Bauelement-Haltevorrichtung gesteuert wird. Der Begriff ”Steuern” kann jedoch eine sog. Closed Loop-Steuerung umfassen, bei der beispielsweise die Bewegung des Bestückkopfes und/oder die Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung unter Berücksichtigung einer Rückkopplung eines tatschlich gemessenen Positionswertes des Bestückkopfes und/oder der Bauelement-Haltevorrichtung geregelt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass für eine sog. Closed Loop-Steuerung auch andere Messsignale wie beispielsweise eine auf das betreffende Bauelement wirkende Bestückkraft oder Aufsetzkraft verwendet werden können. Eine Kraft kann beispielsweise anhand einer Stromaufnahme eines Antriebsmotors gemessen und entsprechend als axiale Kraft interpretiert werden. Bei Erreichen der entsprechenden Stromstärke wird der Stromfluss abgeschaltet so dass der Antrieb nach unten gestoppt ist.
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Das beschriebene pneumatische und zumindest annähernd kraftfreie Kalibrieren hat, wie bereits oben angedeutet, den Vorteil, dass Beschädigungen und/oder Deformationen an dem Bauelement und/oder an einer Bauelement-Unterlage zuverlässig vermieden werden können. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise die Genauigkeit der beschriebenen Höhenkalibrierung im Vergleich zu bekannten kraftbehafteten Höhenkalibrierungsprozeduren verbessert werden. Dies hat wiederum einen positiven Einfluss insbesondere auf die Prozesssicherheit beim Abholen von Bauelementen, die an der Abholposition von der Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die pneumatische Größe ein Druck oder eine Druckdifferenz. Insbesondere ist die pneumatische Größe eine Druckdifferenz zu einem Umgebungsdruck.
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Die pneumatische Größe Druck oder Druckdifferenz kann dabei in oder an jeder Komponente insbesondere eines Bestückkopfes erfasst werden, welche Komponente pneumatisch mit dem Saugkanal in Wirkverbindung steht. Insbesondere kann die genannte Komponente eine Verlängerung des Saugkanals sein. Dabei ist es nicht erforderlich, dass diese Verlängerung den Saugkanal geradlinig verlängert. Die Verlängerung kann auch mittels eines ggf. gebogenen (flexiblen) Schlauches realisiert oder über einen ggf. gebogenen Schlauch mit dem Saugkanal pneumatisch gekoppelt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Druck oder die Druckdifferenz mittels eines Drucksensors erfasst.
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Bevorzugt kann der Druck oder die Druckdifferenz mittels eines in einem Bestückkopf oder an anderer Stelle eines Bestückautomaten ohnehin vorhandenen Drucksensors gemessen werden. Da ein derartiger Drucksensor im Vergleich zu dem Umgebungsdruck typischerweise einen geringeren Druck misst, wird ein derartiger Drucksensor häufig auch als Unterdrucksensor bezeichnet.
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Die Verwendung eines in einem herkömmlichen Bestückautomaten ohnehin vorhandenen Drucksensors hat den Vorteil, dass das beschriebene Verfahren ohne zusätzliche bauliche Veränderungen und insbesondere ohne den Einsatz von einem zusätzlichen Messinstrument in einem herkömmlichen Bestückautomaten durchgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Verwendung der Stärke der Luftströmung als die pneumatische Größe hat den Vorteil, dass unmittelbar diejenige pneumatische Größe erfasst wird, welche sich unmittelbar und nahezu ohne jede zeitliche Verzögerung genau dann ändert, wenn die Bauelement-Haltevorrichtung bis auf eine gewissen (Rest)Abstand auf das Bauelement abgesenkt wird.
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Auch im Falle der Erfassung der Luftströmung gilt, dass diese in jeder Komponente insbesondere eines Bestückkopfes erfasst werden kann, welche Komponente pneumatisch mit dem Saugkanal verbunden ist. Die genannte Komponente kann eine Verlängerung des Saugkanals sein, welche flexibel oder starr mit dem Saugkanal pneumatisch gekoppelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum kontaktlosen Aufgreifen eines Bauelements mittels einer einen Saugkanal aufweisenden Bauelement-Haltevorrichtung beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens zum kontaktlosen Bestimmen der Höhenlage eines Bauelements relativ zu einer Bauelement-Haltevorrichtung, (b) ein weiteres Bewegen der Bauelement-Haltevorrichtung in Richtung des aufzugreifenden Bauelements und (c) ein Aufgreifen des Bauelements mittels der Bauelement-Haltevorrichtung, bevor eine Spitze der Bauelement-Haltevorrichtung mit dem Bauelement mechanisch in Kontakt gekommen ist.
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Dem beschriebenen Verfahren zum kontaktlosen Aufgreifen eines Bauelements liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das aufzugreifende Bauelement mittels einer geeigneten Luftströmung, welche in den Saugkanal der Bauelement-Haltevorrichtung führt, mitgerissen und an die Spitze der Bauelement-Haltevorrichtung transferiert werden kann. Infolge des typischerweise sehr geringen Abstands zwischen der Unterseite der Spitze der Bauelement-Haltevorrichtung und der Oberseite des Bauelements kann bei diesem kontaktlosen Aufgreifvorgang das Bauelement ohne größere seitliche Verschiebungen bzw. Verkippungen auf die Bauelement-Haltevorrichtung übertragen werden.
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In diesem Zusammenhang ist der Begriff ”kontaktlos” insbesondere dahingehend zu verstehen, dass es zu dem Zeitpunkt, zu dem das aufzugreifenden Bauelement beginnt seine Abholposition in Richtung zu der Bauelement-Haltevorrichtung zu verlassen, noch keinen mechanischen Kontakt zwischen Bauelement-Haltevorrichtung und dem aufzugreifenden Bauelement gibt. Selbstverständlich liegt am Ende des Aufgreifvorgangs das Bauelement an der Stirnseite der Bauelement-Haltevorrichtung an.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) ein Erkennen einer weiteren Änderung der pneumatischen Größe, und (b) ein Stoppen der Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung als Antwort auf die erkannte weitere Änderung.
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Die weitere Änderung in dem erfassten zeitlichen Verlauf der pneumatischen Größe kann ein insbesondere im Vergleich zu der (ersten) Änderung relativ starker Abfall der pneumatischen Größe sein, welcher durch ein zumindest näherungsweise vollständiges Unterbinden der Luftströmung durch den Saugkanal verursacht ist, da das aufgegriffene Bauelement die Öffnung des Saugkanals an der Spitze der Bauelement-Haltevorrichtung verschließt.
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Die weitere Änderung der erfassten pneumatischen Größe kann in entsprechender Weise (wie bereits oben beschrieben) ein Abfall der Stärke der Luftströmung und/oder ein Druckabfall sein.
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Durch das beschriebene Stoppen der Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung wird sichergestellt, dass das inzwischen (kraftfrei und/oder kontaktlos) auf die Bauelement-Haltevorrichtung transferierte Bauelement nicht doch noch gegen eine Unterlage, auf welcher das Bauelement vor seinem Aufgreifen gelegen war, gedrückt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum kontaktlosen Bestimmen einer geeigneten Höhenlage einer Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu einem Bauelement zum Aufgreifen des Bauelements beschrieben. Das beschriebene System weist auf (a) eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen und Anlegen eines Unterdrucks an einem Saugkanal der Bauelement-Haltevorrichtung, (b) eine Positioniervorrichtung zum Bewegen der Bauelement-Haltevorrichtung von einer ersten relativen Höhe über dem Bauelement in Richtung des Bauelements, (c) eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer pneumatischen Größe, welche für eine Luftströmung durch den Saugkanal indikativ ist, während der Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung, wobei die pneumatischen Größe eine Druckdifferenz zu einem Umgebungsdruck ist, und (d) eine Auswertevorrichtung (d1) zum Erkennen einer Änderung der pneumatischen Größe infolge des sich in der Nähe einer unteren Öffnung des Saugkanals befindlichen Bauelements und (d2) zum Bestimmen einer zweiten relativen Höhe der Bauelement-Haltevorrichtung, bei der der die Änderung der pneumatischen Größe erkannt wurde. Erfindungsgemäß besteht bei der zweiten relativen Höhe kein direkter Kontakt zwischen der Bauelement-Haltevorrichtung und dem Bauelement.
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Auch dem beschriebenen System liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Messung einer pneumatischen Größe wie z. B. der Luftströmung und/oder einem (Unter)Druck, welche Größe für eine Luftströmung durch den Saugkanal indikativ ist, auf kontaktlose und nahezu kraftlose Weise die Höhenlage bzw. die Abholhöhe eines Bauelements in Bezug zu einer Bauelement-Haltevorrichtung bestimmt werden kann.
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Die Positioniervorrichtung kann jede Art von Vorrichtung sein, welche in der Lage ist die Bauelement-Haltevorrichtung entlang einer vertikalen z-Richtung zu verändern. Die Positioniervorrichtung kann derart eingerichtet sein, einen Bestückkopf, an welchem die Bauelement-Haltevorrichtung angebracht ist, entlang der z-Richtung zu verschieben. Alternativ oder in Kombination kann die Positioniervorrichtung eingerichtet sein, die Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu dem Bestückkopf entlang der z-Richtung zu verschieben.
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Die Auswerteeinrichtung kann mittels eines Prozessors realisiert sein, welcher in geeigneter Weise zur Durchführung der genannten Schritte programmiert ist. Der Prozessor kann ein eigener Prozessor sein, welcher ausschließlich zur Steuerung der Durchführung der in den o. g. Verfahren aufgeführten Verfahrensschritte vorgesehen ist. Die Funktionalität des genannten Prozessors kann jedoch auch in einer anderen Datenverarbeitungseinrichtung implementiert sein, beispielsweise eine Steuervorrichtung für einen Bestückautomaten oder für ein Positioniersystem oder ein sog. x-y Achsensystem eines Bestückautomaten.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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1 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein System zum Bestimmen der Höhenlage eines Bauelements relativ zu einer Bauelement-Haltevorrichtung.
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2 illustriert ein aus dem Stand der Technik bekanntes kontaktbehaftetes Aufgreifen eines Bauelements mittels einer Bauelement-Haltevorrichtung.
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3 illustriert gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein kontaktloses Aufgreifen eines Bauelements mittels einer Bauelement-Haltevorrichtung.
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4 illustriert eine aus dem Stand der Technik bekannte Bestimmung der Höhenlage eines von einer Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellten Bauelements.
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5 illustriert gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine kontaktlose Bestimmung der Höhenlage eines von einer Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellten Bauelements.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein System 100 zum Bestimmen der Höhenlage eines Bauelements relativ zu einer Bauelement-Haltevorrichtung. Das System 100 weist eine Unterdruckerzeugungsvorrichtung 102 auf, welche einen Unterdruck erzeugt, der an einen Saugkanal der Bauelement-Haltevorrichtung angelegt werden kann.
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Das System 100 weist ferner eine Positioniervorrichtung 104 auf, welche dafür vorgesehen ist, die Bauelement-Haltevorrichtung in Richtung des aufzugreifenden Bauelements zu bewegen. Die Positioniervorrichtung 104 kann beispielsweise ein einfacher z-Antrieb eines Bestückkopfes sein, mittels welchem die Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu dem Bestückkopf vertikal entlang einer z-Richtung verfahren werden kann.
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Ferner weist das System 100 eine Sensorvorrichtung 106 zum Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer pneumatischen Größe auf, welche für eine Luftströmung durch den Saugkanal indikativ ist. Die pneumatische Größe, welche beispielsweise die Stärke der Luftströmung und/oder ein Druck sein kann, wird dabei während des Absenkens der Bauelement-Haltevorrichtung in Richtung zu dem Bauelement erfasst.
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Außerdem weist das System 100 eine Auswertevorrichtung 108 auf, mittels welcher eine Änderung in dem erfassten zeitlichen Verlauf der pneumatischen Größe erkannt werden kann und mittels welcher die Höhenlage des Bauelements basierend auf der erkannten Änderung der pneumatischen Größe bestimmt werden kann.
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2 illustriert ein aus dem Stand der Technik bekanntes kontaktbehaftetes Aufgreifen eines Bauelements 220 mittels einer Bauelement-Haltevorrichtung 210. Eine Mehrzahl von Bauelementen 220 befindet sich in einem Bauelement-Gurt 230, welcher eine Mehrzahl von Aufnahmetaschen 232 aufweist. In jede Aufnahmetasche 232 kann jeweils ein Bauelement 220 aufgenommen werden. Der Gurt 230 wird in getakteter Weise in Richtung einer Abholposition 240 gefördert, von wo jeweils das Bauelement 220, welches sich gerade in der Abholposition 240 befindet, mittels der Bauelement-Haltevorrichtung 210 entnommen werden kann. Die Bauelement-Haltevorrichtung 210 ist eine sog. Saugpipette, welche einen Saugkanal 212 aufweist, mittels welchem ein Unterdruck auf die Oberfläche des in der Abholposition 240 befindlichen Bauelements 220 übertragen werden kann, so dass das betreffende Bauelement 220 pneumatisch an der Saugpipette 210 anhaftet.
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2(a) zeigt das Absenken der Bauelement-Haltevorrichtung 210 in Richtung des Bauelements 220 kurz vor dem Aufsetzen des unteren Endes der Bauelement-Haltevorrichtung 210 auf die obere Oberfläche des Bauelements 220. Das Absenken ist durch den Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 210a gekennzeichnet.
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2(b) zeigt den Moment, zu dem die Bauelement-Haltevorrichtung 210 gerade auf das Bauelement 220 mit einer Kraft von z. B. 1 Newton auf das Bauelement 220 drückt. Aufgrund eines geringfügigen seitlichen Versatzes zwischen dem Bauelement 220 und der Bauelement-Haltevorrichtung 210 ergibt sich eine ungewollte Deformation 235 des Bauelement-Gurts 230. Diese Deformation birgt die Gefahr, dass die Bauelement-Haltevorrichtung 210 das Bauelement 220 nicht oder nicht korrekt aufgreifen kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass auch bei einer perfekten Zentrierung von Bauelement-Haltevorrichtung 210 und aufzugreifenden Bauelement 220 infolge der nicht zu vermeidenden Aufsetzkraft Probleme beim Aufgreifen entstehen können. So kann z. B. auch der Teil des Bauelement-Gurts 230, auf dem das aufzugreifende Bauelement 220 aufliegt, deformiert werden. Dies kann zu einer Verkippung, einer Verschiebung und/oder einer Verklemmung des Bauelements 220 in bzw. an dem Bauelement-Gurt 230 führen.
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3 illustriert gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein kontaktloses Aufgreifen eines Bauelements mittels einer als Saugpipette ausgebildeten Bauelement-Haltevorrichtung 210. Im Gegensatz zu dem anhand von 2 illustrierten bekannten kontaktbehafteten Aufgreifen wird hier, wie aus 2(a) ersichtlich, die Saugpipette 210 bis zu einer Höhenlage nach unten in Richtung des sich in einer Abholposition 240 befindlichen Bauelements 220 bewegt, bis die Luftströmung 315, welche durch den Saugkanal 212 noch oben strömt, durch das sich in der Nähe der unteren Öffnung des Saugkanals 212 befindliche Bauelement 220 behindert wird. Diese Behinderung der Luftströmung 315 kann insbesondere mittels einer Druckänderung in dem Saugkanal 212 und/oder mittels einer Druckänderung in einer pneumatisch mit dem Saugkanal 212 der Saugpipette 210 gekoppelten Komponente unter Verwendung eines geeigneten Drucksensors (in 2 nicht dargestellt) erfasst werden. Infolge der Behinderung der Luftströmung 315 wird der Druck in dem Saugkanal 212 oder der mit dem Saugkanal 212 gekoppelten Komponente abnehmen. Dies bedeutet, dass der Druckunterschied zwischen (a) dem Unterdruck in dem Saugkanal und (b) einem Umgebungsdruck größer wird.
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Basierend auf der Detektion dieser Druckänderung kann man nun bestimmen, wie die relative Höhenlage zwischen dem in der Abholposition 240 befindlichen Bauelement 220 und der Saugpipette 210 ist. Diese Information kann zu einer Kalibrierung der Höhenlage der Abholposition 240, welche einer Bauelement-Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) zugeordnet ist, relativ zu einem Koordinatensystem eines Bestückautomaten (ebenfalls nicht dargestellt) verwendet werden.
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Wenn nun die Saugpipette noch geringfügig weiter nach unten abgesenkt wird (ohne ein Aufsetzen auf dem Bauelement 220), dann wird das Bauelement 220 von durch die Luftströmung 315 entlang einer Ansaugrichtung 320b mitgerissen und auf die untere Stirnfläche der Saugpipette 210 transferiert. Das dadurch von der Saugpipette 210 aufgegriffene Bauelement 220 ist in 2(b) dargestellt. Nun blockiert das aufgegriffene Bauelement 220 die untere Öffnung des Saugkanals 212 und es wird sich eine noch stärkere Druckänderung ergeben. Dabei wird der Druck in dem Saugkanal 212 noch kleiner bzw. die Druckdifferenz zum Umgebungsdruck wird noch größer. Auch diese weitere Druckänderung kann von dem o. g. Drucksensor erfasst werden, so dass anhand dieser Druckänderung festgestellt werden kann, ob das Bauelement 220 tatsächlich (kontaktlos) von der Saugpipette 210 aufgegriffen worden ist.
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4 illustriert eine aus dem Stand der Technik bekannte Bestimmung der Höhenlage eines von einer Bauelement-Zuführeinrichtung (nicht dargestellt) unter Verwendung eines Bauelement-Gurts 230 bereitgestellten Bauelements 220. Das Bauelement 220 wird von einer Saugpipette 210, welche an einem Bestückkopf 450 angebracht ist, nach einem (kontaktbehafteten) Aufsetzen der Saugpipette 210 auf dem Bauelement 220 in bekannter Weise mittels eines Unterdrucks gehalten. Die Saugpipette 210 ist relativ zu dem Bestückkopf 450 entlang einer vertikalen z-Richtung verschiebbar. Mittels eines nicht dargestellten z-Antriebs kann eine derartige Verschiebung vorgenommen werden.
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Um ein hartes Aufsetzen der Saugpipette 210 auf dem Bauelement 220 zu vermeiden, ist zwischen dem Bestückkopf 450 und der Saugpipette 210 eine Aufsetzkraft-Messeinrichtung 460 vorgesehen. Die Aufsetzkraft-Messeinrichtung 460 umfasst eine Feder 462, welche bei einem Kontakt zwischen Saugpipette 210 und Bauelement 220 komprimiert wird. Der Grad der Kompression wird mittels einer Messskala 464 erfasst. Aufgrund des bekannten Hook'schen Gesetzes ist das Ausmaß der Kompression direkt proportional zu Aufsetzkraft, so dass auf der Messskala 464 die Aufsetzkraft abgelesen werden kann. Sobald die Aufsetzkraft einen gewissen Wert erreicht, wird davon ausgegangen, dass sich die Saugpipette 210 bereits in Kontakt mit dem Bauelement 220 befindet. Dann wird die Bewegung der Saugpipette 210 nach unten gestoppt.
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Aufgrund von mechanischen Unzulänglichkeiten (z. B. Reibungseffekte in der Aufsetzkraft-Messeinrichtung) ist es jedoch nicht möglich, die effektiv auftretende Aufsetzkraft beliebig klein zu halten. Es muss vielmehr von einer Mindestaufsetzkraft von einem Newton ausgegangen werden, bevor das Aufsetzen der Saugpipette 210 auf dem Bauelement 220 tatsächlich erkannt werden kann. Diese Mindest-Aufsetzkraft kann jedoch insbesondere bei kleinen Bauelementen 220 beispielsweise zu einer unerwünschten Deformation des Bauelement-Gurtes 230 im Bereich der Abholposition 240 führen. Dies kann zu einer falschen Kalibrierung der Höhenlagen zwischen der Bereitstellungsposition des bereitgestellten Bauelements 220 und einem Koordinatensystem eines Bestückautomaten führen. Eine derartige falsche Kalibrierung kann, zumindest wenn sie eine gewisse Abweichung überschreitet, dazu führen, dass zukünftige Bauelemente nicht richtig von der Saugpipette 210 aufgenommen werden können und (a) entweder gar nicht an der Saugpipette 210 anhaften oder (b) bei einem Transport von der Saugpipette 210 fallen und demzufolge einem Bestückungsprozess nicht mehr zur Verfügung stehen.
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5 illustriert gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine kontaktlose Bestimmung der Höhenlage eines von einer (nicht dargestellten) Bauelement-Zuführeinrichtung in einer Abholposition 240 bereitgestellten Bauelements 220 relativ zu einem stationären Koordinatensystem eines nicht dargestellten Bestückautomaten. Im Gegensatz zu der anhand von 4 illustrierten bekannten kontaktbehafteten Bestimmung der Höhenlage wird hier die Saugpipette 210 bis zu einer Höhenlage nach unten in Richtung des sich in der Abholposition 240 befindlichen Bauelements 220 bewegt, bis die Luftströmung 315, welche durch den Saugkanal 212 noch oben strömt, durch das sich in der Nähe der unteren Öffnung des Saugkanals 212 befindliche Bauelement 220 behindert wird.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Behinderung der Luftströmung 315 mittels einer Druckänderung in einer Verlängerung des Saugkanals 212 der Saugpipette 210 unter Verwendung eines Drucksensors 580 erfasst. Da diese Behinderung der Luftströmung 315 erst dann auftritt, wenn der Abstand zwischen der Unterseite der Saugpipette 210 und der Oberseite des Bauelement 220 einen gewissen Mindestabstand unterschreitet, kann basierend auf der Erkennung dieser Druckänderung die relative Höhenlage zwischen dem Bauelement 220 und der Saugpipette 210 bestimmt werden. Dabei ist auf vorteilhafte Weise kein direkter Kontakt zwischen Saugpipette 210 und Bauelement 220 erforderlich, so dass es im Unterschied zu bekannten kontaktbehafteten Höhenkalibrierungsverfahren keine Mindest-Aufsetzkraft gibt, welche den Bauelement-Gurt 230 im Bereich der Abholposition 240 deformieren und demzufolge zu einer Ungenauigkeit bei der Höhenkalibrierung führen würde.
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Zusammenfassen bleibt festzustellen: Bei den in diesem Dokument beschrieben Verfahren (a) zum kontaktlosen Bestimmen der Höhenlage eines Bauelements relativ zu einer Bauelement-Haltevorrichtung und (b) zum kontaktlosen Aufgreifen eines Bauelements mittels einer einen Saugkanal aufweisenden Bauelement-Haltevorrichtung wird die Bauelement-Haltevorrichtung mit reduzierter Geschwindigkeit in Richtung des betreffenden von einer Bauelement-Zuführeinrichtung bereitgestellten Bauelements abgesenkt. Dabei ist ein Unterdruck (Vakuum) in dem Saugkanal der Bauelement-Haltevorrichtung eingeschaltet. Unterschreitet der Höhenabstand zwischen Bauelement-Haltevorrichtung und Bauelement einen gewissen Mindestabstand, dann steigt ein Vakuumwert, der mittels eines Vakuumsensors gemessen wird, infolge des Beginnens eines Abdichtens der unteren Öffnung des Saugkanals durch das Bauteil an. Beim Überschreiten einer bestimmten Schwelle des Vakuumwertes kann durch Auslesen eines Zählerstandes eines Messsystems für die vertikale Bewegung der Bauelement-Haltevorrichtung ein Höhenreferenzwert ermittelt werden, welcher für eine genaue Höhenkalibrierung zwischen Bauelement-Haltevorrichtung und Bauelement verwendet werden kann. Durch das Stoppen der Abwärtsbewegung der Bauelement-Haltevorrichtung vor einem direkten mechanischen Kontakt zwischen der Unterseite der Bauelement-Haltevorrichtung und der Oberseite des noch in seiner Abholposition befindlichen Bauelements kann eine unerwünschte Kraftausübung auf das Bauelement bzw. auf die Unterlage des Bauelements verhindert werden.
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Videoaufnahmen von Abholvorgängen haben gezeigt, dass das Bauelement ggf. durch geringfügiges weiteres Absenken durch den Ansaug-Luftstrom der Bauelement-Haltevorrichtung förmlich entgegen springt. Somit ist nicht nur eine kontaktlose und damit kraftfreie Ermittlung der Abholhöhe sondern auch ein kraftfreies Aufgreifen des Bauelements möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 102
- Unterdruckerzeugungsvorrichtung
- 104
- Positioniervorrichtung
- 106
- Sensorvorrichtung
- 108
- Auswertevorrichtung
- 210
- Bauelement-Haltevorrichtung/Saugpipette
- 210a
- Bewegungsrichtung/Absenkrichtung
- 212
- Saugkanal
- 220
- Bauelement
- 230
- Bauelement-Gurt
- 232
- Aufnahmetasche
- 235
- Deformation Bauelement-Gurt
- 240
- Abholposition
- 315
- Luftströmung
- 320b
- Ansaugrichtung
- 450
- Bestückkopf
- 460
- Aufsetzkraft-Messeinrichtung
- 462
- Feder
- 464
- Messskala für Federkompression
- 580
- Sensorvorrichtung/Drucksensor
- 590
- Steuerungsvorrichtung
