DE1752620A1 - Vorrichtung zum selbsttaetigen Ausrichten von Werkstuecken - Google Patents

Vorrichtung zum selbsttaetigen Ausrichten von Werkstuecken

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DE1752620A1 DE19681752620 DE1752620A DE1752620A1 DE 1752620 A1 DE1752620 A1 DE 1752620A1 DE 19681752620 DE19681752620 DE 19681752620 DE 1752620 A DE1752620 A DE 1752620A DE 1752620 A1 DE1752620 A1 DE 1752620A1
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Description

Vorrichtung zum selbsttätigen Ausrichten von Werkstücken
In zahlreichen Fällen müssen Werkstücke für ihre Bearbeitung oder Montage in eine genaue vorbestimmte Lage ausgerichtet werden. Dabei handelt es sich vielfach um relativ flache Gegenstände von vorzugsweise rechteckiger Form, deren Kanten als Bezugslinien für die Ausrichtung dienen können.
Da bei der Ausrichtung derartiger Werkstücke häufig sehr große Stückzahlen bewältigt werden müssen, wurden bereits Vorrichtungen entwickelt, durch die der Ausrichtvorgang automatisch und unabhängig vom Augenmaß des Bedieners der Vorrichtung abläuft. In einer solchen bekannten Vorrichtung, wie sie beispielsweise in dem Artikel " High-Speed Servo Positioner Bonds Mesa Transistors" von Robert L. Moore. auf den Seiten 270 bis 273 des Buches "Optoelectronic Devices and Circuits" von Samuel Weber, 1964 herausgegeben von McGraw-Hill,beschrieben ist, wird die Lage des
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We rkstückes elektro-optisch abgetastet, und die so ermittelten Korrektur-•verte werden zwei Servomotoren zugeführt, die in der x-Richtung und in der y-Richtung je eine entsprechende Verschiebung des Werkstücks in seine gewünschte Lage bewirken.
Diese bekannte Vorrichtung reichte aber in allen den Fällen nicht aus, in denen gleichzeitig mit der Linearverschiebung des Werkstücks in Richtung der x-Achse und der y-Achse auch eine Verschiebung in Drehrichtung erforderlich ist. Daher wurden Vorrichtungen entwickelt, die mit Hilfe eines zusätzlichen Stelltriebes auch eine gleichzeitige oder nachfolgende Drehverstellung des Werkstücks durchführen können. Solche Vorrichtungen sind in den USA-Patentschriften 3 038 369 und 3 207 904 beschrieben. Die Beziehungen zwischen den bei der Abtastung der ursprünglichen Lage des Werkstücks ermittelten Werten und den Steuersignalen für die Betätigung der Stelltriebe für die translatorische und die Dreh-Verschiebung sind bei diesen Vorrichtungen jedoch außerordentlich komplex, da bei der Abtastung ausschließlich lineare Koordinatenwerte festgestellt werden, die für die Steuerung des Drehstelltriebes für das Werkstück mehrfach umgewandelt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selbsttätigen Ausrichten flacher Werkstücke zu schaffen, die gegenüber den bekannten Anordnungen wesentlich vereinfacht ist, indem die bei der Abtastung der ursprünglichen Lage des Werkstücks ermittelten Werte ohne nennenswerte
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Umwandlungen und Umrechnungen für die Steuerung der Stelltriebe verwendet werden können. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnet Vorrichtung gelöst worden.
Eine Anzahl vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der tesondere Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß alle drei Stelltriebe für die Korrektur der Lage des Werkstücks linear wirksam sind, wobei der Wertflir die Drehverstellung des Werkstücks aus den abgetasteten Koordinaten-Abweichungswerten auf ganz einfache Weise, nämlich durch einfache Multiplikation, in einer entsprechenden Schaltungsstufe ermittelt werden kann. Außer der dadurch erzielten wesentlichen Vereinfachung der Schaltung und Verringerung des Schaltungsaufwandes ermöglicht die Erfindung weiterhin die Verwendung dreier einheitlicher, linear wirksamer Stelltriebe, so daß die Herstellung der Vorrichtung verbilligt und die Zuverlässigkeit der Arbeitsweise verbessert ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:
Fig. IA eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zum selbsttätigen Ausrichten eines Werkstücks in Form eines kleinen Halbleiterplättchens für elektrische Schaltungen, wobei sich das Werkstück in seiner nicht ausgerichteten Ausgangslage befindet,
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Fig. IB eine Draufsicht entsprechend Fig. IA, jedoch nach Durchführung des Ausrichtvorganges,
Fig. 2 eine schaubildliche Ansicht einer Vorrichtung gemäß den Fig.
IA und IB,
Fig. 3 eine vergrößerte Detaildarstellung zweier Kanten der in der
Vorrichtung gemäß Fig. 2 gezeigten Richtplatte,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 2 und
Fig. 5 eine Abtasteinrichtung mit der zugehörigen Steuerschaltung zur
Feststellung der Ausgangslage des Werkstücks und Ermittlung der Korrekturwerte zum Zwecke der Steuerung der Antriebsmotoren für die Stelltriebe.
In Fig. IA ist eine Richtplatte 10 dargestellt, die aus einer beliebigen Lage in eine bestimmte Sollage bezüglich der x- und y-Koordinatenachse einzustellen ist. Zu diesemZweck ist die Richtplatte 10 bezüglich der x- und y-Achsen beweglich gelagert. Zum Zwecke der Ausrichtung befinden sich auf derRichtplatte 10 drei Bezugspunkte 11, 12 und 13, von denen zwei, nämlich die Bezugspunkte 11 und 12, auf die y-Achse zu liegen kommen müssen, während der dritte, nämlich der Bezugspunkt 13, mit der x-Achse auszurichten ist.
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Die Richtplatte 10 kann das auszurichtende Werkstück selbst darstellen, beispielsweise eine Maske oder eine photographische Platte, die in eine bezüglichyeiner Unterlage genaue Position ausgerichtet werden müssen; es kann sich aber auch um ein Werkstück handeln, das auf der Richtplatte 10 aufliegt und somit mit dieser zusammen in die gewünschte Lage ausgerichtet wird. In diesem Fall macht das Werkstück die Ausrichtbewegungen der Richtplatte 10 mit.
In den Fig. IA und IB befindet sich auf der Richtplatte 10 ein Werkstück 14, das beispielsweise ein Halbleiterplättchen für eine elektrische Schaltungsplatte sein kann und das zum positionsgenauen Aufsetzen auf die Schaltungsplatte in eine genau definierte Lage einzustellen ist. In dieser Lage befinden sich, wie erwähnt die Bezugspunkte 11, 12 und 13 auf der y·. bzw. x-Koordinatenachse.
Zum Zwecke derAusrichtung des Werkstücks 14 werden, wenn erforderlich, drei linear gerichtete Verstellkräfte auf die Richtplatte 10 wirksam gemacht. Die erste Verstellkraft wirkt längs der Linie 15^ senkrecht zur y-Achse und wird ausgeübt durch einen Schraubstößel 16, der gegen einenFederstößel 17 wirksam ist. Die zweite lineare Verstellkraft längs der Linie 18 ist senkrecht zur x-Achse gerichtet und wird durch einen gegen einen Federstößel 20 wirksamen Schraubstößel 19 ausgeübt. Die dritte Verstellkraft längs der Linie 21 ist wiederum senkrecht zur y-Achse gerichtet und zwischen dem Schraubstößel 22 und dem Federstößel 23 wirksam. Die Linie 21 hat von der Linie 15
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einen festgelegten Abstand. Beim Aufsetzen des We rkstücks 14 auf die Richtplatte 10 wird vorzugsweise so verfahren, daß der Schnittpunkt 24 der der ersten Verstellkraft zugeordneten Linie 15 mit der Linie 18 der zweiten Verstellkraft im Bereich des Werkstücks 14 liegt. Die Bezugspunkte 11, 12 und 13 sind dann folgendermaßen definiert: Bezugspunkt 11 ist der Punkt, an welchem diejenige Kante des Werkstücks 14, die mit der y-Achse auszurichten ist, die Linie 15 schneidet; Bezugspunkt 13 ist der Punkt, an dem die mit der x-Achse auszurichtende Kante des Werkstücks 14 die Linie 18 schneidet; Bezugspunkt 12 liegt auf der Linie 25, welche zwischen den Linien 15 und 21, parallel zu diesen sowie in einem festgelegten Abstand von der Linie 15 verläuft, und zwar im Schnittpunkt der Linie 25 mit der mit der y-Achse auszurichtenden Kante des Werkstücks 14. Die Lage dieser Bezugspunkte ist aus Fig. IA erkennbar.
Die Koordinatenwerte der Bezugspunkte 11 und 12 auf den Linien 15 bzw.
der
bezüglich/y-Achse sowie des Bezugspunkts 13 bezüglich der x-Achse sind
mit χ , χ bzw. y bezeichnet.
L Ct 1
Die erste der auf die Richtplatte 10 wirksamen Verstellkräfte verläuft längs der Linie 15 in Richtung des Pfeils gemäß Fig. IB zur Verstellung der Richtplatte 10 um den Betrag χ zur y-Achse hin, und zwar durch eine entsprechende Verstellung des Schraubstößels 16, so daß der Federstößel 17 in Pfeilrichtung wirksam werden kann. Dementsprechend wird das Werkstück 14 um den Betrag χ längs der Linie 15 verschoben. Diese Verstellung ist aus Fig. IB
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erkennbar, in der die ursprüngliche Lage des Werkstücks 14 strichpunktiert dargesfellt und seine neue Stellung ausgezogen gezeichnet ist. Die zweite lineare Verstellkraft ist längs der Linie 18 in Pfeilrichtung wirksam und bewirkt die Verstellung der Richtplatte 10 um den Betrag y1 zur x-Achse hin. Auch in diesem Fall wird der Schraubstößel 19 um einen entsprechenden Betrag zurückverstellt,0 daß der Federstößel 20 wirksam werden und die Richtplatte 10 mit dem Werkstück 14 auf der Linie 18 um den Betrag y verstellen kann. Die dritte Linearkraft ist längs der Linie 21 wirksam und verschiebt die Richtplatte 10 um den Betrag d durch entsprechende Verstellung des Schraubstößels 22 in Verbindung mit dem Wirksamwerden des Federstößels 23. Der Betrag d ist durch die folgende Formel definiert:
d Xl a K 2 V'
wobei χ und χ die bereits erläuterten Koordinatenwerte darstellen, A den festen Abstand zwischen den Linien 15 und 21 bedeutet und a den Abstand zwischen den Linien 15 und 25 kennzeichnet.
Durch die Verstellbewegung unter der Steuerung des Federstößels 23 wird das Werkstück 14 auf der Linie 25 um den Betrag χ verschoben. Ist d positiv,
Ct
so erfolgt diese Verschiebung auf der Linie 21 in der gleichen Richtung wie die Verschiebung χ auf der Linie 15, während bei negativem d die Richtung der Verschiebung entgegengesetzt zu χ ist.
Wenn möglich kann die dritte Verstellkraft auch längs der Linie 25 anstelle in der Linie 21 angesetzt werden, so daß sie durch den Bezugspunkt 12
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wirksam ist. In diesem Fall braucht der Wert d nicht berechnet zu werden, da er mit χ übereinstimmt. Es können auch, obwohl die erste und die zweite lineare Kraft vorzugsweise so gerichtet sind, daß der Schnittpunkt der Linien 15 und 18 innerhalb des Bereichs des Werkstücks 14 liegt, beide oder auch nur eine dieser Kräfte so gerichtet werden, daß ihre Fluchtlinie nicht durch den Bereich des Werkstücks 14 oder durch die Bezugspunkte und 13 verläuft. In diesem Fall stimmen die entsprechenden Verstellwege nicht mit χ und χ überein, sie könnende doch in der gleichen Weise berechnet werden wie d. Wenn beispielsweise die Wirkungslinie 18 der zweiten Verstellkraft nicht durch den Bezugspunkt 13 verläuft, ist der Verstellweg längs der Linie 18 so, daß das Werkstück 14 über einen Weg von y längs einer durch den Bezugspunkt 13 verlaufenden Wirkungslinie zu verschieben ist. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß die drei Verstellkräfte sowohl gleichzeitig als auch aufeinanderfolgend wirksam gemacht werden können.
Gemäß Fig. 2 werden die Schraubstößel 16, 19 und 22 durch Servomotoren 29, 31 bzw. 33 angetrieben. Zur Abtastung der Lage des Werkstücks 14 auf der Richtplatte 10 dienen drei jeweils in Richtung der zugeordneten Linie 15, 18 bzw. 21 verstellbare Photozellen 26, 27 bzw. 28. Die Photozelle 26 stellt den Abstand X1 des Bezugspunkts 11 auf der Linie 15 von der y-Achse fest und sendet über die Leitung 30 ein entsprechendes Signal zum Servomotor 29. In entsprechender Weise tastet die Photozelle 27 den Koordinatenwert y des Bezugspunkts 13 auf der Linie 18 ab und sendet ein entsprechendes Signal über die Leitung 32 zum Servomotor 31. Weiterhin tastet die Photozelle
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28 den Koordinatenwert χ des Punktes 12 auf der Linie 25 ab, und über die Leitung 34 erhält der Servomotor 33 das entsprechende Signal. Unter der Steuerung der so den Servomotoren 29, 31 und 33 zugeführten Signale betätigen diese die Schraubstößel 16, 19 und 22 zur Verschiebung der Richtplatte 10 längs den Linien 15, 18 und 21.
Nach Fig. 5, in der die Abtastschaltung dargestellt ist, werden die Koordinatenachsen χ und y auf der Oberfläche der Richtplatte 10 abgebildet. Diejenigen Kanten des Werkstücks 14, die mit den beiden Koordinatenachsen ausgerichtet werden sollen, werden durch LicHquellen 35 und 35* beleuchtet. Sobald die der Wirkungslinie 15 zugeordnete Photozelle, in Fig. 5 mit 38 bezeichnet, in Richtung der Linie 15 bewegt wird und die y-Achse abtastet, setzt sie einen Zähler 39 in Gang. Sobald dann die Photozelle 36 die beleuchtete Kante des Werkstücks 14, also den Bezugspunkt 11 abfühlt, erhält der Zähler 39 ein zweites Signal und wird gestoppt, nachdem er von einem (nicht gezeigten) Oszillator mit konstanter Frequenz fortgeschaltet worden ist. Die so im Zähler 39 gespeicherte Impuls zahl stellt den Abstand χ dar und gelangt zum Servomotor 29, der als Schrittmotor ausgebildet ist. Dieser betätigt dementsprechend den Schraubstößel 16 zur Verschiebung der Richtplatte 10 um den Betrag χ , wie in den Fig. IA und IB dargestellt.
In gleicher Weise wird die der Linie 18 zugeordnete Photozelle, in Fig. 5 mit 37 bezeichnet, in der durch den Pfeil angezeigten Richtung bewegt, tastet die x-Achse und anschließend die beleuchtete Kante des Werkstücks 14 ab, auf der sich der Bezugspunkt 13 befindet, und die entsprechenden Signale zum
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Starten und Stoppen des Zählers 40 stellen diesen auf einen den Betrag y darstellenden Wert ein. Dieser Wert bestimmt sodann die Steuerung des Servomotors 31 und dementsprechend den Verstellweg y des Schraubstößels 19.
Übereinstimmend mit den vorher beschriebenen Vorgängen wird auch die der Linie 25 zugeordnete Photozelle, in Fig. 5 mit 37 gekennzeichnet, längs der Linie 25 in Pfeilrichtung fortbewegt, fühlt zunächst die x-Achse und dann die beleuchtete Kante des Werkstücks 14 mit dem Bezugspunkt 12 ab und stellt den Zähler 41, der mit der gleichen Frequenz wie der Zähler betrieben wird, ein.
Ein Ausgang des Zählers 41 führt zu einer Sperrtorschaltung 42, und ein Ausgang des Zählers 39 ist mit dem Sperreingang 43 der Sperrtorschaltung 42 verbunden. Solange zum Sperreingang 43 Zählimpulse gelangen, läßt die Sperrtorschaltung 42 keine vom Zähler 41 ankommenden Impulse durch. Durch die Sperrtorschaltung 42 kann daher nur eine Anzahl von Impulsen gelangen, die dem Wert x_ - χ entspricht. Ist χ größer als χ , der Wert
Ct \ X L·
(x - X1) also negativ, so kann kein Signal durch die Sperrtorschaltung 42 hindurchgelangen. Ein zweiter Ausgang des Zählers 41 ist mit dem Sperreingang 45 einer weiteren Sperrtorschaltung 44 verbunden, zu der ein weiterer Ausgang des Zählers 39 führt. Solange dem Sperreingang 45 Impulse
vom Zähler 41 zugeführt werden, läßt die Sperrtorschaltung 44 keine Impulse vom Zähler 39 durch. Die durch die Sperrtorschaltung 44 hindurchgelangende
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Impulszahl entspricht daher dem Wert (x - χ ) und ist somit entgegengesetzt zu derjenigen der Sperrtorschaltung 42, indem durch die Sperrtorschaltung 44 nur dann Impulse gelangen können, wenn der Wert (x - X1)
Λ X
negativ ist. Ist somit χ größer als χ , gelangen durch das Tor 42 nur eine
Ci 1
Anzahl von Impulsen entsprechend xo -X1, und wenn X1 größer ist als xo,
, t Lt L· X Ci
du rc h
so können/das Tor 44 nur eine Anzahl Impulsqhindurchgelangen, die dem
Wert χ - χ entsprechen.
1 U
Das vom Zähler 39 dem Servonnotor 29 zugeführte Signal gelangt gleichzeitig über die Leitung 46 zum Servomotor 33 und bewirkt eine entsprechende Verstellung des Schraubstößels 22 um den Wert χ . Ist χ größer als χ , der Wert (x - x ) also positiv, so wird die die Sperrtorschaltung 42 passierende
&> X
Impulszahl (x - X1) einem Impulsmultiplikator 47 zugeführt, der eine Multi-
Lt X
A
plikation mit — ausführt und das Ergebnis dem Servomotor 33 zuführt.
OL
Dieser bewirkt somit die Verstellung des Schraubstößels 22 um den Weg —
(χ - X1). Der lineare Verstellweg längs der Linie 21 entspricht daher
dem Wert χ + — (χ - χ ) = d. Wenn andererseits χ größer ist als χ , X a it X X it
(χ - X1) also negativ, wird die den Betrag (x - χ ) darstellende Impulszahl einem Impuls multiplikator 48 zugeführt, der eine Multiplikation mit —
ausführt und das Ergebnis ebenfalls dem Servomotor 33 übermittelt. Dieser wird nun in der ent-gegengesetzten Richtung wie nach dem Signal vom Impulsmultiplikator 47 wirksam, so daß der zugeordnete Schraubstößel 22 um den
Betrag — (x - X1) verstellt wird. Der effektive Verstellweg längs der a ο l
p^
Linie 21 beträgt somit χ + — (x„ - X1).
l a ώ χ
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Anstelle der χ- und y-Koordinaten kann auch ein zweites Koordinatenachsenpaar verwendet werden. Diese als Abtastachsen bezeichneten Koordinatenachsen χ· und y· verlaufen parallel zu und in einem bestimmten Abstand von den Koordinatenachsen χ und y. Wenn nun der Abstand der Leitkanten des Werkstücks zu den Abtastachsen χ· und y· abgetastet wird, werden die Abtasteinrichtung und die Steuermittel an die abgetasteten Entfernungen der Bezugspunkte 11, 12 und 13 von den Abtastachsen x* und y* angepaßt, unter Berücksichtigung der festgelegten Entfernungen zwischen den Abtastachsen und den Koordinatenachsen.
Gemäß Fig. 3 können zwischen den Schraubstößeln, ζ. B. 16 und 19, und der Richtplatte 10 an dieser eine entsprechende Anzahl von Druckstücken 49 angeordnet sein, die vorzugsweise aus gehärtetem Material bestehen und deren Wirkungsflächen konvex gestaltet sind.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß das Werkstück, wie in den Fig. IA, IB und 2 dargestellt, unmittelbar auf der Richtplatte 10 aufliegt. Gemäß Fig. 4 kann das Werkstück auch auf andere Weise oberhalb oder unterhalb der Richtplatte 10 angeordnet und mit dieser fest verbunden sein. In der gezeigten Darstellung wird das Werkstück 50 durch einen Vakuumtaster 51 festgehalten, der in der Richtplatte 10 befestigt ist. Im übrigen stimmt die Anordnung mit derjenigen nach den vorherigen Figuren überein, indem die Richtplatte 10 mittels der Schraubstößel 16, 19 und 22 im Zusammenwirken mit den Federstößeln 17, 20 und 23 verstellt wird, wobei zur Abtastung der ursprünglichen Lage des Werkstücks 50 dessen Kanten 52 und
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verwendet werden. Die Abtasteinrichtung zur Ermittlung der Verstellwege χ , y und χ würde sich im Beispiel der Anordnung nach Fig. 4 ebenfalls unterhalb der Richtplatte 10 befinden.
Ist jedoch eine Abtastung von unten nicht möglich oder unerwünscht, so kann die Lage des Werkstücks 50 auch abgetastet werden, bevor dieses durch den Vakuumtaster 51 aufgenommen wird. Zu diesem Zweck wird das Werkstück zunächst auf die Unterlage, Schaltungsplatte o. ä. abgesetzt, dann werden die Verstellwege χ , y und χ durch Ermittlung der Abstände
11 Λ
der Bezugspunkte von den x- und y-Koordinatenachsen festgestellt und die so abgetastete Information gespeichert. Nun wird das Werkstück durch den Vakuumtaster 51 aufgenommen und in der gleichen Lage festgehalten, in der es vorher abgetastet wurde. Die folgenden Vorgänge laufen dann ab wie bereits vorher beschrieben.
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Claims (5)

  1. - 14 - 21. Juni 1968
    PATENTANSPRÜCHE
    \.J Vorrichtung zum selbsttätigen Ausrichten eines flachen Werkstücks in eine vorbestimmte Lage durch translatorisches und Dreh-Verschieben in seiner Ebene mittels in Abhängigkeit von bei der Abtastung der Ausgangslage ermittelten Korrekturwerten gesteuerter Stelltriebe, dadurch gekennzeichnet, daß drei linear wirksame Stelltriebe (16, 19, 22) angeordnet sind, von denen zwei (16, 22) parallele, zu derjenigen des dritten (19) senkrecht verlaufende Wirkrichtungen (15, 21; 18) aufweisen, und je einer der beiden senkrecht zueinandergerichteten Stelltriebe (16, 19) den translatorischen Verschiebungen und der dritte Stelltrieb (22)den Dreh-Verschiebungen zugeordnet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Stelltriebe mittels durch Schrittmotoren (29, 31, 33) angetriebene Schraubtriebe (16, 19, 22) und in Abhängigkeit von den in der Ausgangslage des Werkstücks (14) ermittelten Abständen (X1, χ , y ) dreier Bezugspunkte (11, 12, 13) von den zugeordneten Koordi· natenachsen (x, y) erfolgt, mit welchen die Bezugspunkte (11, 12, 13) auszurichten sind, wobei zwei Bezugspunkte (11, 12) der senkrecht zu den parallelen Wirkrichtungen verlaufenden Koordinatenachse (y)
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    und der dritte Bezugspunkt der anderen Koordinatenachse (x) zugeordnet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine das Werkstück (14) tragende rechteckige Richtplatte (10), an deren Kanten die Schraubtriebe (16, 19, 22) wirksam sind.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubtriebe (16, 19, 22) gegen drei an den entgegengesetzten Kanten der Richtplatte (10) anliegende Federstößel (17, 20, 23) wirksam sind.
  5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Richtplatte (10) ein das Werkstück (50) haltender Vakuumtaster (51) befestigt ist.
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    Leerseite
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