DE19501711C1 - Präzisionsjustiereinrichtung insbesondere für die Mikrooptik und Mikromechanik und Verfahren zur Präzisionsjustierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Präzisionsjustiereinrichtung, die insbesondere in der Mikro­ optik und Mikromechanik einsetzbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik ist, daß ein enormer Aufwand an Mechanik, Meß-, Steuer- und Regeltechnik getrieben wird, um Teile bei Montageprozessen mittels Roboter im Be­ reich kleiner 10 µm zu positionieren. Die Kosten für solch einen Roboter liegen beim zehnfachen gegenüber einem mit einer Positioniergenauigkeit von ca. 100 µm.

Bekannt ist eine Vorrichtung zum Justieren von mechanischen Baugruppen nach der DE 42 36 795 C1, bei der ein Hammerwerk an ein zu justierendes Bauelement ange­ setzt wird und das geklemmte, zu justierende Bauelement durch "Hammerschläge" in eine Sollposition gebracht wird.

Es wurde auch bereits eine Vorrichtung zum Einstellen der Lage eines Körpers vorge­ schlagen, bei der ein drehbar gelagerter Hammer auf das geklemmte, zu justierende Bauelement mittels Hammerschlägen einwirkt.

Der Nachteil dieser Vorrichtungen ist es, daß sie nur für kleine Positionierwege und auch nur für eine Verschieberichtung pro Schlagwerk eingesetzt werden können.

Die Erfindung soll das Problem lösen, grob vorpositionierte Teile mit vergleichsweise ungenau positionierfähigen Robotern hochgenau und feinfühlig zu justieren. Die Aus­ richtung soll, in Abhängigkeit von der zu lösenden Justieraufgabe, in allen Raumrich­ tungen möglich sein. Die Justiereinrichtung soll sehr flexibel einsetzbar sein. Die Ko­ sten für die gesamte Apparatur sollen bei höchsten Positioniergenauigkeiten gering gehalten werden.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Präzisionsjustiereinrichtung gemäß dem Oberbegriff durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Unteransprüche 2 bis 6 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Präzisionsjustierung gemäß dem Oberbegriff durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 angegebenen Merkmale.

Der Unteranspruch 8 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Hauptanspruchs 7.

Handelsübliche Montage-Roboter haben - je nach Verwendungszweck - eine Positionierunsicherheit von etwa 1000 µm bis zu etwa minimal 5 µm. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es, eine Justage von grob vorpositionierten Montageobjekten im Bereich von 0,1 µm bis 5 µm mittels eines Roboters zu realisieren. Dabei sind Positionierschritte kleiner 0,1 µm erreichbar. Aus diesen kleinen Schritten wird durch Addition ein größerer Verstellweg des Montageobjektes realisiert.

Voraussetzung für eine Feinjustierung mittels eines Schlagwerkes ist eine möglichst definierte Klemmung des Montageobjektes auf einer Montageplattform. Die Klemmung muß so sein, daß eine Bewegung des Montageobjektes auf der Montageplattform, die durch den Schlagstift des Schlagwerkes hervorgerufen wird, zugelassen wird. Diese Klemmung kann zeitweilig erfolgen (nur während des Justageprozesses) oder dauerhaft sein (während der Justage und des bestimmungsgemäßen Gebrauches).

Eine zeitweilige Klemmung des Montageobjektes kann durch eine Anpreßkraft erfolgen, die zweckmäßig von dem Roboterarm ausgehend auf das Montageobjekt ausgeübt wird. Eine zeitweilige Klemmung kann auch durch zusätzliche mechanische Mittel erfolgen, z. B. Vorschraubring, Schrauben, Federn, Knacke.

Bei einer nur zeitweiligen Klemmung des Montageobjektes muß bei Erreichen der Sollage eine zusätzliche dauerhafte Fixierung des Montageobjektes erfolgen, die durch die verwendeten mechanischen Spannmittel gewährleistet ist (Vorschraubring, Schrauben, Bördelverbindung, Federn, Knacke) oder zusätzlich durch eine stoffschlüssige Verbindung geschaffen wird, z. B. durch Löten, Kleben, Schweißen, anodic bonding.

Die notwendigen Informationen zur Steuerung des Roboters und des mindestens einen Schlagwerkes zur Feinjustage des Montageobjektes werden von einem Positionssensor gewonnen.

Der Positionssensor kann so ausgeführt sein, daß die notwendige Orientierung zur Steuerung des Roboters aus der Abbildung mindestens einer Marke gewonnen wird, die auf dem Montageobjekt und/oder auf der Montageplattform angeordnet ist. Weiterhin kann die Lageveränderung aus dem Abbild eines Lichtbündels registriert werden, dessen Position auf einem positionsempfindlichen Detektor durch das Montageobjekt beeinflußt wird. Dabei kann auch das Montageobjekt selbst Quelle des Lichtbündels sein.

Der Roboter verfügt vorteilhaft über ein Kopfstück, welches sequentiell mehrere oder alle der folgenden Arbeitsgänge realisiert:

• - Greifen des Montageobjektes
• - Transportieren
• - Absetzen des Montageobjektes auf die Montageplattform Fixieren des Montageobjektes durch das Kopfstück des Roboters oder die Montage einer Klemmung durch den Roboter
• - Austausch des Greifers gegen ein Schlagwerk
• - Feinpositionierung des Montageobjektes mittels Schlagwerk
• - Austausch des Schlagwerks gegen eine Fixiereinrichtung (z. B. Klebstoffauftragseinrichtung, Lötvorrichtung, Schweißvorrichtung)
• - Austausch der Fixiereinrichtung und des Schlagwerks gegen einen Greifer,
• - Greifen des auf die Montageplattform montierten Montageobjektes und Abtransport in eine Ablage
• - weiter im Zyklus von vorn.

Vorteilhaft erfolgen mit dem Kopfstück des Roboters in einem Arbeitszyklus die Montage des Montageobjektes durch ein vergleichsweise weit toleriertes Fügen der Teile und anschließend die Präzisionsjustierung des Montageobjektes.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Präzisions-Montage-Roboter im Prinzip beim Schlag von rechts;

Fig. 2 Präzisions-Montage-Roboter im Prinzip beim Schlag von links;

Fig. 3 Mehrfach-Schlagwerk an einem Portal-Roboter;

Fig. 4 Dreh-Schlagwerk an einem Montage-Roboter.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem Tisch 1 eine Montageplattform 3 befestigt. Ein Montageobjekt 2 wird zur Montageplattform 3 grob vorpositioniert. Dies kann manuell mit einer gesonderten Montagevorrichtung oder mit einem Montage-Roboter erfolgen. Das Montageobjekt 2 ist im Beispiel ein Linsenarray, das zur Montageplattform 3, im Beispiel einem optoelektronischen Schaltkreis, hochgenau positioniert werden soll. Zunächst erfolgt nach der Montage, die das Montageobjekt 2 zur Montageplattform 3 grob vorpositioniert, eine Fixierung des Montageobjektes 2 durch eine Klemmung (nicht dargestellt) mit einer Klemmkraft F. Die Klemmkraft F erzeugt eine Haftreibkraft zwischen der Montageplattform 3 und dem Montageobjekt 2.

In der Aufnahme eines Kopfstückes 14 eines Montage-Roboters 4 ist ein Schlagwerk 5 eingespannt. Das Schlagwerk 5 wird mit Hilfe der Roboterarme 6 des Montage- Roboters 4 so zum Montageobjekt 2 positioniert, daß sich der Schlagstift 11 in einem Abstand a zum Montageobjekt 2 befindet und die Schlagrichtung der Richtung der beabsichtigten Justagebewegung entspricht.

Der Abstand a zwischen dem Schlagstift in Ruhestellung und dem Montageobjekt beträgt typisch 0,1 mm bis 5 mm. Der Abstand a muß nur grob angenähert werden. Somit kann ein vergleichsweise kostengünstiger Roboter mit mittleren Positioniergenauigkeiten um 0,1 mm eingesetzt werden, um letztlich eine Positioniergenauigkeit des Montageobjektes im Bereich von 1 µm zu erreichen.

Bei der Positionierung durch den Montage-Roboter 4 muß sichergestellt werden, daß ein Schlagstift 11 des Schlagwerkes 5 einerseits nach einer Beschleunigungsphase frei fliegen kann, andererseits im freien Flug auf das Montageobjekt 2 auftrifft. Im Beispiel nach Fig. 1 erfolgt der Schlag mit dem Schlagstift 11 von rechts.

Die Koordinierung des Zusammenwirkens der Roboterfunktion und der Schlagwerkfunktion erfolgt mit Hilfe einer Steuereinrichtung 8. Die Steuereinrichtung ist über eine Steuerleitung 9 mit dem Montage-Roboter 4, über eine Steuerleitung 10 mit dem Schlagwerk und über eine Signalleitung 12 mit einem Positionssensor 7 verbunden.

Der Positionssensor 7 ermittelt die aktuelle Lage des vorpositionierten Montageobjektes 2 und steuert den Montage-Roboter 4 so an, daß das Schlagwerk 5 zum Montageobjekt so ausgerichtet wird, daß der Schlagstift 11 in seiner Wirkrichtung mit der beabsichtigten Bewegungsrichtung des Montageobjektes 2 in Übereinstimmung ist.

Dann wird mindestens ein Schlag mit dem Schlagstift 11 ausgeführt. Während des Schlagens wird mit dem Positionssensor 7 die Lageveränderung des Montageobjektes 2 zu einer Marke 13 auf der Montageplattform 3 oder einer Körperkante der Montageplattform 3 gemessen und das Schlagen beendet, wenn das Montageobjekt 2 im Toleranzfeld der Sollposition eingerückt ist.

Die Steuereinrichtung 8 bewertet die mit Hilfe der Meßanordnung gewonnenen Signale über den Erfolg jedes einzelnen Schlages und steuert das Schlagwerk 5 oder den Montage-Roboter 4 nach dem Erfolg des vorangegangenen Schlages.

Die Schlagwirkung ist von der Art und der Stärke des elastischen Schlages, von der Klemmkraft F und der Haftreibung zwischen der Oberfläche der Montageplattform 3 und der Oberfläche des Montageobjektes 2 abhängig.

Die Parameter des Schlagwerkes Hublänge, Impulsform, Impulsdauer und Periode der Impulse und der Abstand a des Schlagstiftes 11 von dem Montageobjekt 2 werden so eingestellt, daß

• - unbedingt die zeitlich aufeinanderfolgenden Phasen Beschleunigung, freier Flug, Aufprall und Rückholung des Schlagstiftes unterscheidbar sind und
• - die Wirkung des Schlages im gewünschten Umfang eintritt.

Dabei spielen die Parameter Reibung des Schlagstiftes 11 im Schlagwerk 5 (möglichst gering), Reibung des Montageobjektes 2 auf seiner Montageplattform 3 und die Materialpaarung Schlagstift 11 mit dem Montageobjekt 2 eine entscheidende Rolle. Mit der Materialpaarung Schlagstift 11 und Montageobjekt 2 wird über den Wirkungsgrad der Energie- und Impulsübertragung auf das Montageobjekt 2 entschieden.

Die Funktion der Einrichtung nach Fig. 2 entspricht der Funktion der Einrichtung, wie sie in Fig. 1 beschrieben wurde. Der Roboterarm 6 hat in Fig. 2 den Schlagstift so positioniert, daß der Schlag des Schlagstiftes 11 von links auf das Montageobjekt 2 erfolgt. In diesem Beispiel erfolgt die Zuordnung eines ersten Montageobjektes 2 zu einem zweiten Montageobjekt 16. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn das Montageobjekt 2 eine Zylinderlinse ist und das zweite Montageobjekt 16 eine Streifenlaserdiode ist, die zueinander ausgerichtet werden müssen.

Die Lage der Objekte wird von dem Positionssensor 7 ermittelt und Roboter 4 und Schlagwerk 5 werden mittels der Steuereinrichtung 8 so angesteuert, daß die Montageobjekte 2 und 16 ihre Soll-Lage erreichen.

Fig. 3 zeigt einen Portal-Roboter mit einem Mehrfach-Schlagwerk.

Das Mehrfach-Schlagwerk enthält im Beispiel zwei an einem Kopfstück 14 zu einer Achse fest angeordnete Schlagwerke 5′ und 5′′. Das erstes Schlagwerk 5′ kann mittels des Schlagstiftes 11′ von rechts, das zweite Schlagwerk 5′′ kann mittels des Schlagstiftes 11′′ von links auf das Montageobjekt 2 einschlagen. Vorteil eines solchen Zweifach-Schlagwerkes mit antiparallelen Wirkrichtungen der Schläge ist es, daß nach dem Überschreiten der Optimalposition eine Justierung in der Gegenrichtung erfolgen kann, ohne daß das Schlagwerk mit dem Roboter erneut positioniert werden muß.

Eine Vierfachanordnung (nicht dargestellt), mit um 90° versetzt angeordneten Schlagwerken, ermöglicht die Justage in einer Ebene in X-Y-Richtung. Dabei muß das Kopfstück 14 mit den aufgenommenen Schlagwerken nur vergleichsweise ungenau zum Montageobjekt positioniert werden.

Im Beispiel nach Fig. 3 ist die Präzisionsjustage einer in der Montageplattform 3 gefaßten Glasfaser 17 zu einer Laserdiode (Montageobjekt 2) in der Ebene senkrecht zur Faserachse dargestellt.

Die Laserdiode wird über eine Versorgungsleitung 15 mit Energie versorgt. Mit Hilfe der Kombination der Glasfaser 17 mit dem einem Lichtdetektor 18, wird ein Positionssensor realisiert, mit dem die in die Faser eingekoppelte Lichtleistung gemessen wird. Das entsprechende Signal wird zur Steuerung des Roboters 4 und der Schlagwerke 5, und 5′′ genutzt.

Fig. 4 zeigt die Präzisionsjustiereinrichtung mit einem Dreh-Schlagwerk 5.

Bei dem Dreh-Schlagwerk 5 ist der Schlagstift 11 in einer Drehschlagachse 20 drehbar gelagert.

Das Dreh-Schlagwerk ist im Kopfstück 14 des Roboters 4 eingesetzt. Im Beispiel sind die Montageobjekte 2 und 16 übereinander angeordnet. Das erste Montageobjekt 2 ist eine erste Linse, das zweite Montageobjekt 16 ist eine zweite Linse. Die zwei Montageobjekte 2 und 16 sollen zueinander und außerdem zur Montageplattform 3 hochgenau positioniert werden.

Die Messung der Position der Bauelemente zur Steuerung des Roboters 4 und des Dreh-Schlagwerkes 5 erfolgt in Funktion der Baugruppe im Durchlicht. Auf einer Seite der Baugruppe ist in der optischen Achse eine Lichtquelle 19, im Beispiel eine Laserdiode, und an der anderen Seite der Positionssensor angeordnet. Die Lichtquelle 19 ist durch die Versorgungsleitung 15 mit der Steuereinrichtung 8 verbunden. Der Positionssensor 7 ist durch die Signalleitung 12 mit der Steuereinrichtung 8 verbunden. Steuerleitungen 9 und 10 verbinden die Steuereinrichtung 8 mit dem Roboter 4 und dem Dreh-Schlagwerk 5.

Bezugszeichenliste

1 Tisch
2 Montageobjekt (Bauelement)
3 Montageplattform
4 Roboter
5 Schlagwerk
6 Roboterarm
7 Positionssensor
8 Steuereinrichtung
9 Steuerleitung zum Roboter
10 Steuerleitung zum Schlagwerk
11 Schlagstift
12 Signalleitung vom Positionssensor zur Steuereinrichtung
13 Marke (oder Körperkante)
14 Kopfstück
15 Versorgungsleitung
16 zweites Montageobjekt
17 Glasfaser
18 Lichtdetektor
19 Lichtquelle
20 Drehschlag-Achse
F Klemmkraft
a Abstand zwischen Schlagwerk und Montageobjekt

Claims (8)

1. Präzisionsjustiereinrichtung, insbesondere für Montageaufgaben in der Mikrooptik und Mikromechanik, bestehend aus einem kartesischen Roboter, einem Portal-Roboter oder einem Gelenkarm-Roboter (4) mit einem Kopfstück (14) zur Aufnahme von Werkzeugen und/oder Meßmitteln, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kopfstück (14) mindestens ein Schlagwerk (5) angesetzt ist und das Schlagwerk (5) einen Schlagstift (11) hat, der in seiner Ruhestellung einen Abstand (a) zumindest einem auf einer Montageplattform (3) geklemmten Montageobjekt (2) hat und der Schlagstift (11) mit dem Montageobjekt (2) impulsförmig in Kontakt bringbar ist, weiterhin
eine Meßanordnung (Positionssensor 7 oder Lichtdetektor 18) zur Erkennung und Bewertung der Wirkung des impulsförmigen Schlages vorhanden ist, die mit dem zu justierenden Montageobjekt (2, 16) und mit mindestens einem Bezugspunkt der Montageplattform (3) korrespondiert und daß zur Annäherung und zum Erreichen eines Toleranzfeldes die Meßanordnung mit einer Steuereinrichtung (8) für den Roboters (4) und für das mindestens eine Schlagwerk (5) verbunden ist, wobei die Parameter eines folgenden Schlages aus der Wirkung des vorhergehenden Schlages und der zu erreichenden Sollstellung errechenbar sind.

2. Präzisionsjustiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufnahme an dem Kopfstück (14) eine Kombination von mindestes zwei Schlagwerken (5′ und 5′′) um ein Zentrum angeordnet ist, wobei je ein Schlagwerk für je eine mögliche Schlagrichtung vorgesehen ist und sich das zu justierende Montageobjekt (2) im Zentrum befindet.

3. Präzisionsjustiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Meßeinrichtung (Positionssensor 7, Lichtdetektor 18)

• - ein Vergleich der Ist-Stellung mit einer Sollstellung einer Marke (13) an dem zu justierenden Montageobjekt (2) durchführbar ist oder
• - die äußere Form eines zu justierenden Montageobjektes (2) als repräsentatives Maß für die Funktionsparameter in Bezug zur Montageplattform (3) ermittelbar ist oder
• - eine Signalmessung im Funktionszustand des Montageobjektes (2) durchführbar ist und die Bestimmung des Nutzungsverhaltens erfolgbar ist.

4. Präzisionsjustiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmung des Montageobjektes (2) auf der Montageplattform (3)

• - mittels des Roboters (4) selbst für den Zeitraum der Schlagjustierung erfolgt und anschließend eine zusätzliche Fixierung des Montageobjektes (2) vornehmbar ist oder
• - mittels eines geeigneten Klemmelementes erfolgt welches gleichzeitig die Endfixierung übernimmt.

5. Präzisionsjustiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Montageobjekt (2) und/oder die Montageplattform (3) an ihren aneinanderliegenden Flächen mit einem Reibbelag versehen sind.

6. Präzisionsjustiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagwerk (5)

• - ein Schlagwerk mit einem linear bewegten Schlagstift (11) oder
• - ein Schlagwerk mit einem in einer Drehschlagachse (20) drehbar gelagerten Schlagstift (11) (Dreh-Schlagwerk) ist.

7. Verfahren zur Präzisionsjustierung mittels eines Roboters (4), dadurch gekennzeichnet, daß auf ein grob justiertes und auf einer Montageplattform (3) genügend fest geklemmtes Montageobjekt (2) mindestens ein Impuls mit einem Schlagstift (11) aus einem Schlagwerk (5) abgegeben wird, wobei das Schlagwerk (5) durch einen Roboterarm (6) in mindestens einer Raumstellung in einem Abstand (a) zum zu justierenden Montageobjekt (2) gebracht wird und die Schlagwirkung durch eine Meßeinrichtung (Positionssensor 7, Lichtdetektor 18) bewertet wird und die Annäherung und Erreichung einer vorgegebenen Sollstellung des Montageobjektes (2) mittels einer Steuereinrichtung (8) für den Roboter (4) und das Schlagwerk (5) realisiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Roboter (4) über ein Kopfstück (14) verfügt welches sequentiell mehrere oder alle der folgenden Arbeitsgänge realisiert:

• - Greifen des Montageobjektes (2) durch einen Greifer;
• - Transportieren;
• - Absetzen des Montageobjektes (2) auf die Montageplattform (3);
• - Fixieren des Montageobjektes (2) durch Erzeugung einer Klemmkraft (F) mit Hilfe des Roboters selbst oder die Montage einer Klemmung durch den Roboter (4);
• - Austausch des Greifers gegen das Schlagwerk (5);
• - Feinpositionierung des Montageobjektes mittels des Schlagwerkes (5);
• - Austausch des Schlagwerks gegen eine Fixiereinrichtung zur dauerhaften Fixierung;
• - Austausch der Fixiereinrichtung oder des Schlagwerkes gegen den Greifer;
• - Greifen des auf die Montageplattform (3) montierten Montageobjektes (2) und Abtransport in eine Ablage und
• - weiter im Zyklus von vorn.