DE10304970A1

DE10304970A1 - Positioniereinheit mit einem Kraftsensor

Info

Publication number: DE10304970A1
Application number: DE10304970A
Authority: DE
Inventors: Jörg KEGELER; Eberhard Meissner; Detlef Rode
Original assignee: LAT SUHL AG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: DE10304970B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positioniereinheit, die insbesondere an einem Bewegungselement eines Automaten betriebsfähig befestigbar ist. Die Positioniereinheit umfasst ein Gehäuse (1); eine Welle (4), die drehbar und in Achsrichtung verschiebbar gelagert ist; einen rotatorischen Antrieb (2), der die Welle (4) zu einer Drehbewegung veranlasst; einen linearen Antrieb (3), der die Welle (4) zu einer Linearbewegung in Achrichtung veranlasst; und ein Halteelement (18), welches am abtriebsseitigen, aus dem Gehäuse (1) hinausragenden Ende der Welle (4) angeordnet ist und der Aufnahme und Positionierung kleiner Bauelemente dient. Erfindungsgemäß ist an die Welle (4) ein Kraftsensor (19) gekoppelt, welcher eine in Achsrichtung wirkende Gegenkraft misst, die über das Halteelement (18) von außen eingeprägt wird, wobei der Kraftsensor (19) ein von der Gegenkraft abhängiges Kraftsignal an den linearen Antrieb (3) liefert, um die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung bzw. die Antriebskraft der Linearbewegung zu beeinflussen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniereinheit, die an einem Bewegungselement eines Automaten betriebsfähig befestigbar ist. Eine solche Positioniereinheit umfasst mindestens ein Gehäuse, eine Welle, die drehbar und in Achsrichtung verschiebbar im Gehäuse gelagert ist, einen rotatorischen Antrieb und einen linearen Antrieb, um die Welle zu einer Drehbewegung und einer Linearbewegung in Achsrichtung zu veranlassen, und schließlich ein Halteelement, welches am abtriebseitigen Ende der Welle angeordnet ist und der Aufnahme und Positionierung kleiner Bauelemente dient.
Innerhalb automatisierter Fertigungsprozesse, insbesondere im Bereich der Feinmontagen werden solche Positioniereinheiten benötigt, um kleine Bauelemente beispielsweise aus Vorratsmagazinen zu entnehmen und in einer exakt definierten Lage in eine größere Baueinheit einzusetzen. Wenn beispielsweise elektronische Leiterplatten bestückt werden, müssen einzelne elektronische Bauelemente (z.B. integrierte Schaltkreise) mit hoher Präzision an die vorgesehene Einbaustelle auf der Leiterplatte gesetzt werden, um dort durch Löt- oder Klebeprozesse befestigt zu werden. Mit zunehmender Miniaturisierung derartiger Baueinheiten wachsen die Anforderungen an die Genauigkeit einer Positionierung.
Die von der vorliegenden Erfindung betroffenen Positioniereinheiten werden beispielsweise von einem größeren Automaten getragen, der die Positioniereinheit zwischen vorgegebenen Arbeitsräumen bewegt. In diesen Anwendungsfällen werden die Positioniereinheiten selbst mit zum Teil hohen Beschleunigun gen (bis zur dreifachen Fallbeschleunigung) bewegt, so dass sie auch unter diesen Bedingungen noch zuverlässig arbeiten müssen. Die Positioniereinheit kann aber auch ortsfest angeordnet sein, wenn z.B. die Werkstücke auf Förderbändern an der Positioniereinheit vorbeibewegt werden. Die Aufnahme und die Positionierung der jeweiligen Bauelemente erfolgt dann durch die Positioniereinheit, die dazu zumindest eine Linearbewegung, beispielsweise senkrecht zu der zu bestückenden Leiterplatte, und normalerweise auch eine Drehbewegung um die Achse der Linearbewegung ermöglichen muss, damit die einzelnen Bauelemente in der richtigen Winkelstellung auf die Leiterplatte aufgesetzt werden können. Dabei müssen vor allem sehr kleine Massen von typischerweise zwischen 1 g bis 50 g bewegt werden, wobei die von der Positioniereinheit bereitzustellende Hubkraft deutlicher größer dimensioniert wird (z.B. 50 N), um hohe Beschleunigungswerte zu erzielen. An die von der Erfindung betroffenen Positioniereinheiten werden außerdem große Anforderungen in Bezug auf die Dauerhaftigkeit und Fehlerfreiheit gestellt. Solche Einheiten führen beispielsweise ca. 10 Absetzbewegungen pro Sekunde ohne Unterbrechung über einen Zeitraum von vielen Stunden oder sogar Tagen aus.
Aus der DE 692 08 190 T2 ist eine Vorrichtung zum Bewegen und Positionieren einer Zusammenbaukomponente bekannt. Diese Vorrichtung umfasst eine elektrische Spule, welche bei entsprechender Bestromung zu einer linear geführten Bewegung veranlasst wird. An die Spule ist ein Greifer gekoppelt, mit welchem die Zusammenbaukomponente gegriffen und in gewünschter Weise positioniert werden kann. Die lineare Position des Greifers wird durch eine Wegmesseinrichtung ermittelt, die mechanisch an den Greifer gekoppelt ist. Mit Hilfe dieser Wegmesseinrichtung wird die tatsächliche Position des Greifers in Bezug auf das Gehäuse der Vorrichtung bestimmt.
Daraufhin kann ein Vergleich mit einer gewünschten Stoppposition vorgenommen werden, um ein Fehlersignal bereitzustellen, welches der Überwachung der von der Zusammenbaukomponente eingenommenen Position dient. Sofern ein bestimmter Toleranzbereich überschritten ist, wird die Zusammenbaukomponente verworfen oder der Zusammenbauprozess unterbrochen. Eine Abwandlung der in dieser Druckschrift gezeigten Vorrichtung ermöglicht darüber hinaus eine Drehbewegung des Greifers um seine Longitudinalachse. Ebenso ist es aus dieser Druckschrift bekannt, den Greifer als Hohlwelle zu gestalten, um mit Hilfe einer Vakuumpumpe einen Unterdruck am Ende der Hohlwelle zu erzeugen, mit welchem die Zusammenbaukomponente am Greifer gehalten werden kann. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass die Positionsbestimmung des Greifers nur die Position des Greifers in Bezug auf das Gehäuse der Vorrichtung ermitteln kann. Eine Positionsbestimmung in Bezug auf externe Komponenten ist nicht möglich. Dies führt insbesondere dann zu Problemen, wenn die Einbausituation für die Zusammenbaukomponente beispielsweise aufgrund von Toleranzen der Komponente oder der übergeordneten Baueinheit variiert. Beim Einbau von hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen oder Chips auf gedruckten Schaltungen oder ähnlichen Trägern können solche Toleranzen beispielsweise auftreten, wenn flexible Leiterplatten zum Einsatz kommen oder der Transport der externen Baugruppe nicht mit der benötigten Präzision möglich ist. Der Abstand zwischen der zu bestückenden Leiterplatte und dem Greifer kann dabei so stark differieren, dass eine exakte Positionierung des Bauelements nicht mehr möglich ist oder die Gefahr einer Zerstörung des Bauelements besteht, wenn der Greifer eine zu hohen Druckkraft ausübt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Wegmesseinrichtung vom Greifer mitbewegt werden muss, wodurch nur geringere Beschleunigungs werte erzielbar sind, was die Positionierungsgeschwindigkeit herabsetzt. Schließlich ergeben sich erhebliche Probleme aus der notwendigen Linearführung des Greifers, wenn gleichzeitig eine Drehbewegung des Greifers gewünscht ist, da entweder ein zu großes Lagerspiel die Positioniergenauigkeit vermindert oder aufgrund hoher Lagerkräfte starke Antriebe benötigt werden, die das Gesamtgewicht der Positionierungsvorrichtung drastisch vergrößern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Positioniereinheit bereitzustellen, welche eine Positionierung von Bauelementen mit höherer Genauigkeit insbesondere hinsichtlich der linearen Bewegungsrichtung ermöglicht, ohne jedoch das Gewicht der Positioniereinheit in unerwünschter Weise zu vergrößern. Insbesondere soll sichergestellt werden, dass auf das zu positionierende Bauelement keine unerwünschten Druckkräfte bei der Positionierung ausgeübt werden, um eine Beschädigung des Bauelements oder der zu bestückenden Baueinheit zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem an die Welle der Positioniereinheit ein Kraftsensor gekoppelt ist, welcher eine in Achsrichtung wirkende Gegenkraft misst, die über das Halteelement von außen eingeprägt wird, wobei der Kraftsensor ein von der Gegenkraft abhängiges Kraftsignal (kraftabhängiges elektrisches Signal) an den linearen Antrieb sendet, um die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung bzw. die Antriebskraft der Linearbewegung zu beeinflussen.
Eine derartige Kopplung eines Kraftsensors mit der Positioniereinheit ermöglicht die Ausführung von Positionierungsaufgaben mit wesentlich höherer Genauigkeit und auch mit höherer Geschwindigkeit als dies bei herkömmlichen Positioniereinhei ten der Fall ist. Für die Positionierungsaufgaben muss die aktuelle Position des Halteelements nicht mehr oder zumindest nicht ausschließlich über eine Wegmessung ermittelt werden, welche insbesondere Toleranzen der außerhalb der Positioniereinheit gelegenen Baueinheiten nicht berücksichtigen kann. Statt dessen bestimmt der Kraftsensor eine Gegenkraft, die beim Aufsetzen des zu positionierenden Bauelements auf die gewünschte Position in Achsrichtung in die Welle eingeleitet wird. In diesem Moment kann die Linearbewegung gestoppt oder in gewünschter Weise angepasst werden, so dass in jedem Fall ein exaktes Aufsetzen des Bauelements sichergestellt ist. Erfindungsgemäß wird also bei der Regelung der Positionierungsbewegung nicht mehr auf eine programmierte oder errechnete Position abgestellt sondern der tatsächliche Aufsetzpunkt dient als Referenz.
Vorzugsweise wird der Kraftsensor möglichst weit am abtriebseitigen Ende der Welle eingesetzt, also in der Nähe des Halteelements. Je weiter der Kraftsensor an den Ort der Einleitung der externen Gegenkraft verlagert werden kann, um so genauer wird die Messung und die innerhalb der Positioniereinheit wirkenden Kräfte haben auf die Messung nur einen minimalen Einfluss. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Kraftsensor zwischen dem Halteelement und der Linearführung angeordnet ist, welche als Führungselement für die Bereitstellung der Linearbewegung agiert. Da die Welle mit hoher Genauigkeit bewegt werden muss, ist jegliches Lagerspiel zu vermeiden, so dass auch innerhalb einer solchen Linearführung erhebliche Reibungskräfte auftreten, die als solche der linearen Antriebskraft entgegen wirken. Da der Kraftsensor allerdings außerhalb der Linearführung angeordnet ist, können durch die Rückkopplung des vom Kraftsensor gelieferten Kraftsignals auf den linearen Antrieb diese auftreten den Reibungskräfte ausgeregelt werden, so dass beispielsweise Aufsetzkräfte von etwa 50 mN sichergestellt werden können, obwohl die Reibungskräfte in der Linearführung der Positioniereinheit mindestens um den Faktor zehn größer sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Positioniereinheit mit einer Steuereinheit ausgerüstet, welche die Bestromung einer elektrischen Spule regelt, die ihrerseits als linearer Antrieb dient. Das vom Kraftsensor gelieferte Signal dient als Regelsignal, um die Linearbewegung fortzusetzen, bis der gewünschte Positionierungspunkt erreicht ist. Natürlich kann die Positioniereinheit weiterhin einen Weg- oder Positionssensor umfassen, welcher durch eine Längenmessung die Position des Halteelements zumindest grob bestimmen kann. Die Steuereinheit kann die entsprechenden Signale der Sensoren miteinander kombinieren, so dass eine Grobpositionierung unter Berücksichtigung der Wegmessung vorgenommen wird und die Feinpositionierung dann durch den taktilen Kraftsensor gesteuert wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass der lineare Antrieb beispielsweise wie in der o.g. DE 692 08 190 T2 aufgebaut sein kann. Eine ausführliche Beschreibung dieses Antriebs ist daher an dieser Stelle nicht erforderlich. Andererseits können jedoch auch andere Antriebe zum Einsatz kommen, z.B. lineare Direktantriebe nach dem Schritt- oder Reluktanzmotorprinzip. Auch diese Antriebe sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Als besonders zweckmäßig erweist es sich, wenn die Haltefunktion des Halteelements durch einen Unterdruck erzeugt wird, welcher von einem extern angeordneten Unterdruckerzeuger bereitgestellt wird. Dazu wird die Welle als Hohlwelle ausge staltet, um den Unterdruck vom Ende der Welle bis zum Halteelement zu leiten. Die Haltekräfte können dabei auf die entsprechenden Bauelemente eingestellt werden, um eine Beschädigung der zu positionierenden Bauelemente zu vermeiden. Als Halteelement können unterschiedlichste Greif- und Befestigungssysteme eingesetzt werden. Prinzipiell wird das Halteelement an den jeweiligen Einsatzzweck der Positioniereinheit anzupassen sein.
Um einerseits durch spielfreie Lagerung hohe Genauigkeiten zu erzielen und andererseits mit geringen Antriebskräften große Beschleunigungen sowohl hinsichtlich der Linearbewegung als auch hinsichtlich der Drehbewegung zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, die Welle in einen Antriebsabschnitt und einen Abtriebsabschnitt aufzuteilen, welche durch eine Kupplung miteinander verbunden sind, die die Drehbewegung und die Linearbewegung in Achsrichtung spielfrei überträgt und vier nicht achsparallel liegende Freiheitsgrade aufweist, um Antriebs- und Abtriebsabschnitt im übrigen zu entkoppeln. Dadurch werden unerwünschte Spannungen in der Linearführung vermieden. Ein gewisser Achsenversatz zwischen Antriebs- und Abtriebsabschnitt kann durch die Kupplung ohne weiteres ausgeglichen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Positioniereinheit außerdem einen Winkelsensor, um die Winkelstellung der Welle zu erfassen und ein Winkelsignal für die Steuerung bereitzustellen. Der rotatorische Antrieb überträgt die Antriebskraft vorzugsweise über einen Zahnriemen auf eine Nutwellenmutter, die mit einem Nutwellenabschnitt der Welle zusammenwirkt. Die Welle kann auf diese Weise unabhängig von der Linearbewegung zur Drehung veranlasst werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Baugruppendarstellung einer ersten Ausführungsform einer Positioniereinheit mit einem Kraftsensor;
2 eine vereinfachte Baugruppendarstellung einer zweiten Ausführungsform der Positioniereinheit;
3 eine vereinfachte Übersichtsdarstellung der Positioniereinheit mit drei Varianten der Anordnung eines Vakuumanschlusses;
4 eine geschnitten dargestellte Detailzeichnung eines Abtriebsabschnitts der Positioniereinheit mit dem daran befestigten Kraftsensor.
1 zeigt eine vereinfachte Baugruppendarstellung einer Positioniereinheit in einer Seitenansicht, wobei einzelne Bereiche der Positioniereinheit geschnitten dargestellt sind. Die Positioniereinheit besitzt ein nur abschnittsweise dargestelltes Gehäuse 1, welches die einzelnen Baugruppen der Positioniereinheit trägt und gleichzeitig der Befestigung der Positioniereinheit an einem Bewegungselement eines Automaten (nicht dargestellt) ermöglicht. In den Figuren sind nur einzelne Gehäuseabschnitte eingezeichnet, um den konstruktiven Zusammenhalt und die Befestigungsmöglichkeiten zu verdeutlichen, die durch entsprechende Gehäuseelemente bereitgestellt werden.
Die Positioniereinheit besitzt einen rotatorischen Antrieb 2 und einen unabhängig von diesem arbeitenden linearen Antrieb 3. Weiterhin ist eine Welle 4 vorgesehen, die drehbar und in Achsrichtung verschiebbar gelagert ist, wie dies durch die eingezeichneten Bewegungspfeile angedeutet ist. Die Drehbewegung der Welle 4 wird bei der dargestellten Ausführungsform hervorgerufen, indem ein Zahnriemen 5 die Kraft von einem Abtriebsritzel 6 des rotatorischen Antriebs 2 auf eine Nutwellenmutter 7 überträgt. Die Nutwellenmutter 7 wirkt mit einem Nutwellenabschnitt 8 der Welle 4 zusammen. Die Welle 4 kann dadurch unabhängig von ihrer jeweiligen linear veränderlichen Position und sogar während einer Linearbewegung zu einer Drehbewegung veranlasst werden. Zur Überwachung und Steuerung der Drehbewegung ist der rotatorische Antrieb 2 außerdem mit einem rotatorischen Geber 9 gekoppelt, der als Winkelsensor arbeiten kann. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann ein veränderter Winkelsensor auch unmittelbar an der Welle 4 angekoppelt sein.
Um die Welle 4 zu lagern ist im oberen Abschnitt ein Radial-Rillenkugellager 10 angeordnet. Außerdem erfolgt eine Lagerung im unteren Bereich der Welle 4 durch axial verspannte Präzisionskugellager 11, die in einem Verschiebeblock 12 befestigt sind. Der Verschiebeblock 12 wirkt mit einer Linearführung 13 zusammen, die für hohe Genauigkeiten zwei Schlittenführungen umfasst. Der Verschiebeblock 12 ist außerdem an den linearen Antrieb 3 gekoppelt, um die Linearbewegung der Welle 4 zu ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der lineare Antrieb 3 aus einer elektrischen Spule, die bei entsprechender Bestromung aufgrund der hervorgerufenen Magnetkräfte eine lineare Bewegung in einer entsprechenden Führung ausführt. Um im Fehlerfall oder beim Abschalten eine Beschädigung der Positioniereinheit oder des Werkstücks zu vermeiden ist außerdem eine Zugfeder 14 vorgesehen, die den Verschiebeblock 12 in eine obere Ausgangslage zurückzieht, wenn von der elektrischen Spule keine Magnetkraft mehr bereitgestellt wird.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Welle 4 in einen oberen Antriebsabschnitt 15 und einen unteren Abtriebsabschnitt 16 aufgeteilt. Als Antriebsabschnitt 16 kann eine Welle mit einer Präzisionsführung (z.B. Kugelführung) verwendet werden. Der Antriebsabschnitt 15 und der Abtriebsabschnitt 16 sind über eine Kupplung 17 miteinander verbunden. Die Kupplung 17 ermöglicht die Übertragung der Drehbewegung und der Linearbewegung zwischen den beiden Wellenabschnitten. Andererseits weist sie vier Freiheitsgrade auf, um unnötige Verspannungen zwischen den Wellenabschnitten zu vermeiden. Eine Präzisionslagerung muss daher nur für den Abtriebsabschnitt 16 vorgesehen sein, da Lagertoleranzen im Bereich des Antriebsabschnitts 15 durch die Kupplung kompensiert werden.
Am unteren Ende der Welle 4 ist ein Halteelement 18 angeordnet, welches an den jeweiligen Positionierungszweck angepasst ist. Es kann sich dabei um einen mechanischen oder magnetischen Greifer handeln. Bevorzugt wird jedoch ein Unterdruck-Halteelement, welches dadurch realisiert ist, dass die Welle 4 als Hohlwelle ausgestaltet ist, so dass mit Hilfe eines am oberen Ende der Welle 4 angeschlossenen Unterdruckerzeugers (nicht dargestellt) im Halteelement 18 ein Unterdruck erzeugt wird, mit welchem ein zu positionierendes Bauelement (nicht dargestellt) aufgenommen und gehalten werden kann. Die speziellen Möglichkeiten des Anschlusse einer Vakuumerzeu gungseinheit werden weiter unten in Bezug auf 3 erläutert.
Die Positioniereinheit umfasst weiterhin einen Kraftsensor 19, welcher eine in Achsrichtung von außen in die Welle eingeleitete Gegenkraft misst bzw. registriert. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Kraftsensor 19 unterhalb der Kupplung 17 in der Nähe des Halteelements 18 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die innerhalb der Linearführung 13 auftretenden Kräfte nicht auf den Kraftsensor 19 einwirken. Der Kraftsensor kann sowohl innerhalb des Gehäuses 1 als auch außerhalb angeordnet werden. Die letztere Variante ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Kraftsensoren in Abhängigkeit vom Einsatzzweck, ohne dass dafür ein Eingriff in die Positioniereinheit erforderlich wird.
Der Kraftsensor 19 gibt ein Kraftsignal ab, sobald am Halteelement 18 eine Kraft in Achsrichtung eingeleitet wird, was immer dann geschieht, wenn das vom Halteelement 18 zu positionierende Bauelement auf der gewünschten Oberfläche aufsetzt. Als Kraftsensor kann beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor verwendet werden, mit welchem Druckkräfte von etwa 50 mN festgestellt werden können.
Die Regelung für den linearen Antrieb kann zusätzlich ein Positionssignal berücksichtigen, welches von einem linearen Messsystem 20 bereitgestellt wird, in Abhängigkeit von der aktuellen Position der Welle 4. Dieses lineare Messsystem 20 kann jedoch nicht den tatsächlichen Abstand zwischen dem Halteelement 18 und einer externen Baueinheit, auf welcher das vom Halteelement getragene Bauelement positioniert werden soll, bestimmen. Bei einem Positionierungsvorgang wird man daher das Halteelement so nah an diese externe Baueinheit heranfahren, dass auch im Falle ungünstiger Toleranzen das Bauelement noch nicht aufsitzt oder zumindest noch keine übermäßigen Druckkräfte von der Positioniereinheit auf das Bauelement ausgeübt werden. Die letzte Positionierungsphase wird unter Auswertung des vom Kraftsensor gelieferten Kraftsignals ausgeführt. Sobald der Kraftsensor eine externe Gegenkraft registriert, ist dies das Signal dafür, dass das Bauelement auf der externen Einheit positioniert wurde. Das Halteelement kann das Bauelement nun freigeben.
2 zeigt eine vereinfachte Baugruppendarstellung einer zweiten Ausführungsform der Positioniereinheit, wobei in der dargestellten Seitenansicht wiederum einige Bereiche geschnitten dargestellt sind. Die Abwandlung, die hinsichtlich der oben beschriebenen Ausführungsform vorgenommen wurde, besteht in der veränderten Anordnung des Kraftsensors 19 und der Kupplung 17.
Die Kupplung 17 ist bei dieser Ausführungsform näher an das Halteelement 18 verlagert. Insbesondere befindet sich die Kupplung 17 zwischen der Linearführung 13 und dem Halteelement 18 und nicht mehr zwischen dem Nutwellenabschnitt und der Linearführung. Um den dadurch verkürzten Abtriebsabschnitt 16 zu lagern, ist zumindest ein weiteres Präzisionslager 21 unterhalb der Kupplung 17 erforderlich. Diese veränderte Anordnung der Kupplung 17 reduziert jedoch die unerwünschten Einflüsse der Antriebs- und Lagereinheiten auf die Positioniergenauigkeit des Halteelements 18 weiter, da die Entkopplung zwischen dem Antriebsabschnitt und dem Abtriebsabschnitt 16 weiter in Richtung zum Halteelement 18 verlagert ist. An die Linearführung 13 werden bei dieser Bauform geringere Anforderungen gestellt.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Kraftsensor 19 zwischen der Linearführung 13 und der Kupplung 17 angeordnet. Der Kraftsensor 19 befindet sich damit innerhalb des Gehäuses der Positioniereinheit. Allerdings wird die Messempfindlichkeit des Kraftsensors 19 reduziert, da die Kupplung 17 einen am Halteelement 18 eingeleiteten Impuls zumindest verzögert und/oder teilweise absorbiert.
Bei einer nochmals abgewandelten Ausführungsform wäre es auch denkbar, dass der Kraftsensor 19 zwischen der Kupplung 17 und dem Präzisionslager 21 angeordnet wird. Ebenso könnte der Kraftsensor zwischen dem Verschiebeblock 12 und einem Kugellager angeordnet werden, welches die Verschiebekraft auf die Welle überträgt. Der Kraftsensor kann dadurch von der Drehbewegung der Welle abgekoppelt werden, womit sich die Kabelzuführung zum Sensor vereinfacht.
In 3 ist die Positioniereinheit in einer Übersichtsdarstellung gezeigt. Im komplettierten Zustand ragt aus dem Gehäuse 1 die Welle 4 oben und unten heraus. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Kraftsensor 19 unterhalb des Gehäuses 1 am Abtriebsabschnitt 16 der Welle befestigt. Um am Halteelement 18 einen zur Aufnahme von Werkstücken geeigneten Unterdruck zu erzeugen (siehe oben), muss über eine Schlauch- oder Rohrverbindung ein Unterdruckerzeuger angeschlossen werden.
Für diesen Anschluss stehen prinzipiell drei Möglichkeiten zur Verfügung, die in 3 gestrichelt eingezeichnet sind. Der Anschluss des Unterdruckerzeugers kann beispielsweise über einen oberen Flansch 22a am oberen Ende der Welle 4 erfolgen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine verdrehbare Verbindung gewählt werden kann, so dass der angeschlos sene Schlauch bei Verdrehung der Welle nicht mitgedreht werden muss. Dadurch wird eine Drehung um 360° und mehr ermöglicht.
Eine zweite Möglichkeit der Vakuumzuführung besteht im Anschluss unterhalb des Gehäuses mit einem mittleren Flansch 22b. Die Zuführung des Unterdrucks muss in diesem Fall nicht über die gesamte Welle erfolgen, so dass insbesondere die oben beschrieben Kupplung zwischen Antriebs- und Abtriebsabschnitt nicht gasdicht ausgelegt werden muss. Das beim Umschalten zwischen Ablegen und Aufnehmen des Werkstücks zu evakuierende Gasvolumen reduziert sich ebenfalls, so dass die Schaltgeschwindigkeiten erhöht werden können. Die Anordnung des mittleren Flansches 22b oberhalb des Kraftsensors 19 hat außerdem den Vorteil, dass die am Halteelement eingeleiteten Kräfte nicht teilweise über den Schlauchanschluss abgeführt werden und somit das Messergebnis am Kraftsensor nicht verfälscht wird.
Schließlich kann der Vakuumanschluss auch über einen unteren Flansch 22c erfolgen, welcher unterhalb des Kraftsensors, in unmittelbarer Nähe des Halteelements 18, wo der Unterdruck benötigt wird, angebracht ist.
4 zeigt den unteren Teil des Abtriebsabschnitts 16 der Welle 4 in einer Schnittansicht. Als Kraftsensor 19 wird bei dieser Ausführungsform ein piezokeramische Ringsensor verwendet. Dieser Ringsensor bietet den besonderen Vorteil, dass die oben beschriebene Wegmessung durch die Verformung des Sensors kaum noch beeinflusst wird. Bei einer Krafteinwirkung wird der Ringsensor nur um wenige Nanometer zusammengepresst. Durch die starre Bauweise des Ringsensors können auch hohe Beschleunigungskräfte aufgenommen werden, ohne das es zu unerwünschten Schwingungen kommt.
Zur Aufnahme des Ringsensors ist die Welle zweigeteilt. An einem oberen Nachsensorabschnitt 23, der funktional sowohl dem Antriebs- als auch dem Abtriebsabschnitt der Welle zugeordnet sein kann, ist eine Sensorhalterung 24 verschiebefest befestigt. Der Ringsensor schlägt mit seiner Oberseite an dieser Sensorhalterung 24 an. Ein unterer Vorsensorabschnitt 25 ist über eine Schraubverbindung 26 mit dem Nachsensorabschnitt 23 verbunden. Der Vorsensorabschnitt 25 ist möglichst kurz ausgelegt, um die Kraftmessung nahe am Krafteinleitungspunkt zu gestatten. Der Ringsensor 19 ist zwischen Vor- und Nachsensorabschnitt eingepresst, so dass er die am Halteelement 18 eingeleiteten Kräfte messen kann. Durch entsprechendes Verschrauben des Vor- mit dem Nachsensorabschnitt kann der Kraftsensor außerdem mit einer Vorspannung beaufschlagt werden, so dass das gelieferte Sensorsignal auch in einem bestimmten Bereich für auftretende Zugkräfte aussagekräftig ist.
Die Vakuumzuführung erfolgt über den oben beschriebenen mittleren Flansch 22b und eine Bohrung 27, die sich bis zum Halteelement 18 erstreckt.

1: Gehäuse
2: rotatorischer Antrieb
3: linearer Antrieb
4: Welle
5: Zahnriemen
6: Abtriebsritzel
7: Nutwellenmutter
8: Nutwellenabschnitt
9: rotatorischer Geber
10: Radial-Rillenkugellager
11: axiales Kugellager
12: Verschiebeblock
13: Linearführung
14: Zugfeder
15: Antriebsabschnitt
16: Abtriebsabschnitt
17: Kupplung
18: Halteelement
19: Kraftsensor
20: lineares Messsystem
21: Präzisionslager
22a: oberer Flansch
22b: mittlerer Flansch
22c: unterer Flansch
23: Nachsensorabschnitt
24: Sensorhalterung
25: Vorsensorabschnitt
26: Schraubverbindung
27: Bohrung

Claims

Positioniereinheit, die insbesondere an einem Bewegungselement eines Automaten betriebsfähig befestigbar ist, wobei die Positioniereinheit umfasst: – ein Gehäuse (1); – eine Welle (4), die drehbar und in Achsrichtung verschiebbar gelagert ist; – einen rotatorischen Antrieb (2), der die Welle (4) zu einer Drehbewegung veranlasst; – einen linearen Antrieb (3), der die Welle (4) zu einer Linearbewegung in Achsrichtung veranlasst; – ein Haltelement (18), welches am abtriebseitigen, aus dem Gehäuse (1) hinausragenden Ende der Welle (4) angeordnet ist und der Aufnahme und Positionierung kleiner Bauelemente dient; dadurch gekennzeichnet, dass an die Welle (4) ein Kraftsensor (19) gekoppelt ist, welcher eine in Achsrichtung wirkende Gegenkraft misst, die über das Halteelement (18) von außen eingeprägt wird, wobei der Kraftsensor (19) ein von der Gegenkraft abhängiges Kraftsignal an den linearen Antrieb (3) liefert, um die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung bzw. die Antriebskraft der Linearbewegung zu beeinflussen.
Positioniereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (19) am abtriebseitigen Ende (16) in die Welle (4) eingekoppelt ist.
Positioniereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (19) zwischen dem Halteelement (18) und einer die Linearbewegung der Welle ermöglichenden Linearführung (13) angeordnet ist.
Positioniereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (19) außerhalb des Gehäuses (1) der Positioniereinheit an die Welle (4) gekoppelt ist.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Antrieb (3) durch eine mit einer Linearführung (13) zusammenwirkende elektrische Spule gebildet ist, welche an die Welle (4) angekoppelt ist und in Abhängigkeit von der Bestromung der Spule eine vorgegebene Position einnimmt.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Antrieb (3) durch einen mit einer Linearführung zusammenwirkenden linearen Direktantrieb gebildet ist.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Regeleinheit umfasst, welche zumindest den linearen Antrieb (3) regelt, wobei das vom Kraftsensor (19) gelieferte Kraftsignal als Regelsignal dient.
Positioniereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein lineares Meßsystem (29) umfasst, welches die Position des Halteelements (18) ermittelt und ein Positionssignal an die Regeleinheit liefert.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) als Hohlwelle gestaltet ist, dass an diese Hohlwelle ein Unterdruckerzeuger anschließbar ist, und dass am Halteelement (18) ein Unterdruck erzeugbar ist, durch welchen das zu positionierende Bauelement an diesem fixiert wird.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) in einen Antriebsabschnitt (15) und einen Abtriebsabschnitt (16) aufgeteilt ist, die durch eine Kupplung (17) miteinander verbunden sind.
Positioniereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (17) die Drehbewegung und die Linearbewegung in Achsrichtung zwischen Antriebsabschnitt (15) und Abtriebsabschnitt (16) nahezu spielfrei überträgt und im übrigen vier nicht achsparallel liegende Freiheitsgrade aufweist.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Winkelsensor (9) umfasst, welcher die Winkelstellung der Welle (4) erfasst und ein Winkelsignal bereitstellt.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (4) mindestens eine Nut (8) besitzt, die mit einer Nutwellenmutter (7) zusammenwirkt, an welcher ein Zahnriemen (5) angreift, der vom rotatorischen Antrieb (2) angetrieben wird.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (19) ein Biegefedersensor oder ein piezoelektrischer Sensor ist.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Kraftsensor (19) gelieferte Kraftsignal auch zur Steuerung des rotatorischen Antriebs (2) verarbeitet wird.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (19) ein piezokeramischer Ringsensor ist, welcher zwischen einem Vorsensorabschnitt (25) und einem Nachsensorabschnitt (23) in die Welle (4) in unmittelbarer Nähe des Halteelements (18) eingesetzt ist.
Positioniereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die von dieser positionierbaren Massen nicht größer als 50 Gramm sind.