DE102017009542B3

DE102017009542B3 - Positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE102017009542B3
Application number: DE102017009542.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-10-14
Also published as: CN109664001B; CN109664001A; US20190115229A1; KR102106792B1; JP2019072836A; JP6675460B2; US10886150B2; KR20190041948A

Abstract

Eine Positioniervorrichtung umfasst ein zur Befestigung an einem Roboter vorgesehenes Grundelement, eine an dem Grundelement beweglich gelagerte Basis und einen Piezoaktor, durch welchen die Basis relativ zu dem Grundelement in einer Richtung bewegbar ist. Es ist ein zweiter Piezoaktor vorgesehen, mit dem zeitgleich ein Gegengewicht in entgegengesetzter Richtung bewegbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine an einem Roboter befestigbare Positioniervorrichtung, insbesondere für eine Dosiervorrichtung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ( DE 20 2015 104 610 U1 ).
Dosiervorrichtungen sind grundsätzlich bekannt und werden beispielsweise in der Halbleiterindustrie verwendet, um zur Bildung von Lötpunkten auf einem Substrat definierte Mengen einer Lotpaste, insbesondere in Form von Tropfen, auf das Substrat aufzubringen. Die Anbringung der Dosiervorrichtung an einem Roboter ermöglicht dabei eine vollautomatische Realisierung einer Vielzahl von tropfenförmigen Lötpunkten innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums, indem der Roboter die Dosiervorrichtung von einem Lötpunkt zum nächsten verfährt und zum exakten Setzen eines Tropfens anhält. Als problematisch erweisen sich bei bekannten Dosiervorrichtungen die insbesondere beim Beschleunigen und Abbremsen des Roboters auftretenden Massenträgheiten, welche unter Umständen zu unerwünschten Schwingungen des Roboters führen und dadurch eine exakte Dosierung des Mediums beeinträchtigen können und welche jedenfalls die Geschwindigkeit begrenzen, mit welcher Lötpunkte gesetzt werden können.
Weiterhin haben klassische Roboter immer ein Problem, wenn Bewegungen sehr schnell und in wechselnder Richtung oder mit schnellem Startstopp ausgeführt werden müssen. Die in der Richtung wechselnde Beschleunigung erzeugt im Roboter Schwingungen. Linearführungen, wenn diese leichtgängig sein sollen, können nicht stark vorgespannt sein, was bedeutet, dass diese für eine kleine Bewegung keinen hohen Widerstand leisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung zu schaffen, welche es erlaubt, mit hoher Geschwindigkeit präzise Positionen anzufahren.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt bei Verwendung der Positioniervorrichtung für ein Dosierventil zum einen der allgemeine Gedanke zugrunde, die für das Setzen eines Tropfens erforderliche Bewegung des Dosierventils nicht ausschließlich durch den Roboter zu realisieren, sondern hierfür zusätzlich einen Piezoaktor vorzusehen. Die Roboterbewegung wird gewissermaßen also von einer Piezobewegung überlagert, welche sich im Vergleich zu der Roboterbewegung erheblich schneller und exakter steuern lässt. Auf diese Weise kann die Dosiervorrichtung durch den Roboter beispielsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit, jedenfalls aber ohne signifikant abgebremst und beschleunigt werden zu müssen, über dem Substrat verfahren werden, während das eigentliche Setzen der Tropfen durch den Piezoaktor ausgelöst wird. Im Ergebnis lassen sich hierdurch exakt dosierte Tropfen, insbesondere Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 200 µm, wie zum Beispiel Tropfen einer Lotpaste, sehr viel schneller und somit wirtschaftlicher auf ein Substrat aufbringen.
Zum anderen beruht die Erfindung auf dem Gedanken, dass keine wechselnde Last am Roboter entsteht, wenn am Dosierkopf eine zweite Masse als Gegengewicht in gleicher Achse aber in entgegengesetzte Richtung bewegt wird.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Antrieb für das Gegengewicht auf dem gleichen Bauteil befestigt ist wie der Antrieb der Basis in dieser Achse. Das Gegengewicht muss nicht unbedingt in der gleichen Achse bewegt werden. Es wird eine Bewegung auch kompensiert, wenn bei Bewegung der Basis rechts und links jeweils die halbe Masse entgegengesetzt bewegt werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Antriebe für die Basis und die Antriebe für die Kompensationsmasse identisch zu gestalten, dann lassen sich diese beiden Bewegungen durch eine Ansteuerung entgegengesetzt gepolt durchführen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die zu bewegende Basis eine möglichst geringe Masse besitzt.
Gemäß einer Ausführungsform sind zwei verschiedene Piezobewegungen vorgesehen, welche eine Ebene aufspannen, innerhalb derer sich das Dosierventil bewegen lässt. Die Hübe der Piezoaktoren können im Bereich von 100 µm bis 500 µm liegen.
Dabei stehen die erste und zweite Richtung bevorzugt zumindest annähernd rechtwinklig zueinander. Eine der ersten und zweiten Richtungen kann sogar mit der Bewegungsrichtung des Roboters zusammenfallen, d.h. eine der Piezobewegungen fällt mit der Roboterbewegung zusammen. Beispielsweise kann die erste Richtung vertikal orientiert sein, und insbesondere eine Z-Richtung definieren, während die zweite und dritte Richtung horizontal orientiert ist und insbesondere eine X- und eine Y-Richtung definiert, in welcher sich auch der Roboter bewegen kann.
Wird eine horizontale Roboterbewegung durch eine erste Piezobewegung in derselben Richtung und eine zweite Piezobewegung in vertikaler Richtung überlagert, ist es möglich, mit dem Dosierventil und insbesondere mit einer Dosiernadel des Dosierventils eine Zykloide zu beschreiben, welche sich besonders gut zum Setzen von Tropfen auf ein Substrat eignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Stößel eines Dosierventils mittels eines Piezoaktors betätigbar. Durch die Verwendung eines Piezoantriebs für das Dosierventil kommen dessen Vorteile einer schnellen und exakten Steuerung auch bei dem Betrieb des Dosierventils selbst, d.h. bei der eigentlichen Dosierung zu tragen. Eine Wirkrichtung des dritten Piezoaktors kann dabei mit einer Wirkrichtung eines Piezoaktors zur Bewegung des Dosierventils zusammenfallen und beispielsweise vertikal orientiert sein.
Vorteilhafterweise ist mindestens ein Sensor zur Erfassung der Auslenkung des wenigstens einen Piezoaktors vorgesehen. Durch einen solchen Sensor kann demnach überprüft werden, ob durch Anlegen einer Spannung an den Piezoaktor tatsächlich eine gewünschte Auslenkung desselben erreicht wurde, und die Spannung gegebenenfalls geeignet angepasst werden. Mit anderen Worten ermöglicht der Sensor eine Regelung des Piezoaktors. Bevorzugt ist jedem Piezoaktor ein entsprechender Sensor zugeordnet. Grundsätzlich kann aber auch nur einer der Piezoaktoren oder eine Auswahl von Piezoaktoren mit jeweils einem Sensor überwacht werden.
Der oder jeder Piezoaktor kann ein sich unter Anlage einer elektrischen Spannung verformendes, insbesondere verkrümmendes, Piezoelement und einen an dem Piezoelement angebrachten Armausleger umfassen. Durch den Armausleger lässt sich der Hub des Piezoaktors vergrößern.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Dosieranlage mit einem Roboter und einer daran befestigten Positioniervorrichtung der voranstehend beschrieben Art. Mittels der Dosieranlage lassen sich die oben erläuterten Vorteile entsprechend erreichen.
Ferner ist ein Verfahren zur Dosierung eines Mediums mittels einer Dosieranlage offenbart, welche einen Roboter und ein an dem Roboter mit der Positioniervorrichtung beweglich gelagertes Dosierventil umfasst, wobei das Dosierventil durch den Roboter in einer ersten Richtung verfahren wird und zeitgleich mittels wenigstens eines ersten Piezoaktors in der ersten Richtung und mittels wenigstens eines zweiten Piezoaktors in einer zu der ersten Richtung im Wesentlichen senkrechten zweiten Richtung relativ zu dem Roboter bewegt wird, sodass eine Dosiernadel des Dosierventils in einer durch die erste und zweite Richtung aufgespannten Ebene eine Zykloide schreibt. Mithilfe dieses Verfahrens lassen sich exakt dosierte Tropfen, zum Beispiel einer Lotpaste, insbesondere Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 µm bis 200 µm, besonders schnell und wirtschaftlich auf ein Substrat aufbringen.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung;
2 einen Schnitt durch die Positioniervorrichtung von 1;
3 eine Ausschnitt aus der Ansicht von 1;
4 eine Detailansicht eines Dosierventils der Dosiervorrichtung von 1;
5 eine weitere Ausführungsform eines Gegengewichts.

Die 1 - 4 zeigen eine Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeugs. In den Figuren ist als Beispiel für ein Werkzeug eine Dosiervorrichtung 10 zum Setzen von Tropfen eines zu dosierenden Mediums, hier einer Lotpaste, auf ein Substrat dargestellt. Es kommen jedoch auch andere Werkzeuge in Frage, beispielsweise optische oder elektrische Prüfvorrichtungen oder dgl.
Die Positioniervorrichtung umfasst ein zur Befestigung an einem nicht dargestellten Roboter vorgesehenes Grundelement 12 sowie eine an dem Grundelement 12 befestigte Basis 14. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Basis 14 als Dosiervorrichtung 10 ausgebildet.
Die Basis 14 ist relativ zu dem Grundelement 12 in einer ersten Richtung X, in einer zweiten Richtung Y und in einer dritten Richtung Z bewegbar und insbesondere verschwenkbar. Hierzu ist die Basis 14 an einer Gelenksstelle 15 kardanisch gelagert, so dass die Basis 14 sowohl um die Achse A1 wie auch um die Achse A2 (3) verschwenkt werden kann.
Für ein Bewegen der Basis 14 in X-Richtung ist ein Piezoaktor 16 vorgesehen, der über einen Armausleger 17 mittels einer Schubstange 40 mit der Basis 14 verbunden ist. Durch betätigen des Piezoaktor 16 wird das untere Ende des Ausleger 17 in Richtung X hin und her bewegt, so dass das vordere Ende der Basis 14 um die Achse A2 verschränkt wird. Es ist hierbei zu beachten, dass der Hub des Piezoaktor 16 in einer Größenordnung von etwa 200 µm liegt, d.h. es handelt sich um sehr geringe Auslenkungen. Aufgrund des großen Hebelarms zwischen der Gelenksstelle 15 und dem vorderen Ende der Basis 14 bewegt sich das vordere Ende der Basis 14 im Bereich der tatsächlichen Auslenkungen nahezu linear.
Zur Kompensation der Bewegung der Basis 14 durch den Piezoaktor 16 ist ein weiterer Piezoaktor 18 an dem Grundelement 12 befestigt, der ebenfalls einen Armausleger 19 aufweist, an dessen unterem Ende ein Gegengewicht 20 befestigt ist. Die beiden Piezoaktoren 18 sind in umgekehrter Polung an ein und demselben Steuerausgang einer nicht dargestellten Steuerung angeschlossen, so dass bei einer Bewegung der Schubstange 40 in Richtung X das Gegengewicht 20 die gleiche Bewegung in Richtung -X vollzieht. Hierdurch entsteht am Roboter keine wechselnde Last, wenn die Basis 14 mit der Dosiereinrichtung häufig wechselnd hin und her bewegt wird.
Wie 4 zeigt, sind zur Bewegung der Basis 14 in Y-Richtung ein Piezoaktor 22 und eine Schubstange 42 vorgesehen, wobei zur Kompensation der Bewegung ein Piezoaktor 26 vorgesehen ist, an dem ein Gegengewicht 24 befestigt ist. Die Konstruktion ist die gleiche wie die vorstehend beschriebene.
Um die Basis 14 in Richtung Z bewegen zu können, ist diese über zwei Schubstangen 44 und 46 mit einem Armausleger 60 verbunden, der wiederum von zwei Piezoaktoren 28 und 30 in Richtung des dargestellten Doppelpfeils 61 ( 3) bewegt werden kann, wodurch die Basis 14 um die Achse A2 verschwenkbar ist. Zur Kompensation dieser Bewegung ist an dem Grundelement 12 ein drittes Gegengewicht 36 vorgesehen, dass über zwei Piezoaktoren 32 und 34 gegenläufig zur Bewegung der Piezoaktoren 28 und 30 verschwenkbar ist. Da jeweils der Piezoaktor für die Bewegung der Basis 14 und der Piezoaktor für die Gegenbewegung des Gegengewicht baugleich ausgebildet und gegengleich angesteuert sind, wird eine bestmögliche Kompensation der Bewegung erzielt.
Wie 2 verdeutlicht, ist die Basis 14 als Dosiereinrichtung ausgebildet und in der Basis 14 befindet sich ein Dosierventil 50, das von dem Stößel 52 verschlossen und geöffnet werden kann. Zur Zuführung des zu dosierenden Mediums ist ein Schlauch 65 vorgesehen.
5 zeigt eine Alternative Ausführungsform für den Antrieb des Stößels 52, wobei bei dieser Ausführungsform nicht ein Gegengewicht sondern zwei Gegengewichte 70 und 72 vorgesehen sind, die symmetrisch zu beiden Seiten des Stößels 52 bewegt werden können.
Die Basis 14 wird über die vier Schubstangen 40 - 46 bewegt, wobei die Schubstangen 44 und 46 in Z-Richtung eine parallele Bewegung ausführen und die Antriebe 16 und 22 in X und Y die Position der Düse des Ventils in diese Richtung jeweils schieben.
Die Konstruktion ist so gestaltet, dass die Bewegung des vorderen Endes der Basis 14 in X, Y und Z jeweils durch eine geringfügige Drehung um einen entfernten Fixpunkt 15 entsteht. Durch diese Konstruktion muss für die Bewegung des Ventils in X, Y und Z nur ein Teil der Masse der Basis bewegt werden. Der Fixpunkt 15 erlaubt es zudem, dass der Versorgungschlauch 65 für das Ventil 50 hier mit sehr geringer Verformung durch die Bewegung zu einer Kartusche geführt werden kann.
Es ist vorteilhaft den Antrieb und das Werkzeug zu trennen und die Bewegung durch Schubstangen zu übertragen. Es ist auch vorteilhaft, die Bewegung in X, Y und Z durch eine geringfügige Drehbewegung zu erzeugen. Wird das Werkzeug bzw. die Basis 14 dann länglich gestaltet, so dass der Schwerpunkt entfernt vom Ort der Positionierung (Dosierdüse) ist, muss für die Bewegung wiederum nur weniger Arbeit aufgewendet werden. Die Antriebe der einzelnen Achsen sowie die Antriebe der Gegengewichte sind jeweils exakt gleich. Die Steuerung kann dann in sehr einfacher Weise erfolgen, indem die beiden Antriebe entgegengesetzt gepolt an den gleichen Steuerausgang angeschlossen werden.

Claims

Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeugs, insbesondere einer Dosiervorrichtung, umfassend ein zur Befestigung an einem Roboter vorgesehenes Grundelement (12), eine an dem Grundelement (12) beweglich gelagerte Basis (14) und wenigstens ein erstes Mittel (16), durch welches die Basis (14) relativ zu dem Grundelement (12) in einer ersten Richtung (X) bewegbar ist, sowie wenigstens ein zweites Mittel (18), mit dem zeitgleich ein erstes Gegengewicht (20) in zur ersten Richtung entgegengesetzter Richtung (-X) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet dass das erste Mittel und das zweite Mittel jeweils ein Piezoaktor (16, 18) ist und ferner umfassend wenigstens einen dritten Piezoaktor (22), durch welchen die Basis (14) in einer zweiten Richtung (Y) relativ zu dem Grundelement (12) bewegbar ist sowie wenigstens einen vierten Piezoaktor (24), mit dem zeitgleich ein zweites Gegengewicht (26) in zur zweiten Richtung entgegengesetzter Richtung bewegbar ist, und wenigstens einen fünften Piezoaktor (28, 30), durch welchen die Basis (14) in einer dritten Richtung (Z) relativ zu dem Grundelement (12) bewegbar ist sowie wenigstens einen sechsten Piezoaktor (22, 34), mit dem zeitgleich ein drittes Gegengewicht (36) in zur dritten Richtung (Z) entgegengesetzter Richtung bewegbar ist, wobei alle drei Richtungen (Y, Y, Z,) insbesondere rechtwinklig zueinander verlaufen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (14) schwenkbar an dem Grundkörper (12) angeordnet ist und insbesondere um zwei zueinander senkrechte Achsen (A1, A2) verschwenkbar ist.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei und insbesondere alle Piezoaktoren an dem Grundelement (12) befestigt sind.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung von mindestens einem Piezoaktor über eine Schubstange (40 - 46) auf die Basis (14) übertragen wird.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Piezoaktoren baugleich sind.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Piezoaktoren in umgekehrter Polung an ein und denselben Steuerausgang einer Steuerung angeschlossen sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Gegengewichte (20, 24; 36) eine unterschiedlich große Masse besitzen.
Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (14) ein Dosierventil (50) aufweist, das von einem Stößel (52) betätigt ist, der von einem Dosierantrieb (54) bewegbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierantrieb (54) in einer Richtung zusammen mit der Basis (14) bewegbar ist.
Dosieranlage mit einem Roboter und einer daran befestigten Vorrichtung (10) nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche.