DE19641534A1 - Schleifautomat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schleifautomat, insbe­ sondere für scheibenförmige Werkstücke, mit einer Zuführeinheit, einer drehbaren Scheibe mit Spann­ elementen, die achsensymmetrisch auf der Scheibe angeordnet sind und in denen die Werkstücke fest­ legbar sowie bearbeitbar sind, zwei Schleifstatio­ nen, an denen die Bearbeitung der Werkstücke er­ folgt, und mit einer Handhabungsvorrichtung, mit der die Werkstücke zwischen der Zuführeinheit und den Spannelementen beweglich sind, wobei eine Dre­ hung der Scheibe die Spannelemente zwischen dem Griffbereich der Handhabungsvorrichtung und den Schleifstationen bewegt.

Voll- oder teilautomatische Schleifmaschinen umfas­ sen eine Transportvorrichtung, mit der die Rohlinge einer oder mehreren Schleifstationen, an denen ihre Bearbeitung erfolgt, zugeführt und die bearbeiteten Werkstücke weiter transportiert werden. Von erheb­ licher Bedeutung sind Schleifautomaten insbesondere in der Halbleiterindustrie, wo sie zur Oberflächen­ bearbeitung scheibenförmiger Wafer dienen, die durch Trennschleifen oder Sägen von einem Halblei­ terkristall, beispielsweise einem Silizium- oder Germaniumeinkristall, abgeteilt werden und Aus­ gangsmaterial für die Chipproduktion sind. Auch ke­ ramische Werkstücke lassen sich auf vorteilhafte Weise mit Schleifautomaten bearbeiten.

Im Stande der Technik gebräuchliche Automaten sind mit zwei Schleifstationen versehen, die in der Re­ gel mit unterschiedlicher Abtraggeschwindigkeit und Körnung der Schleifscheibe als Vor- und Fein­ schleifstation betrieben werden. Üblicherweise be­ stehen die Stationen aus einer rotierenden Schleif­ spindel mit darauf befestigter Schleifscheibe und sind gegenüber dem Werkstück verfahrbar, das in ei­ nem drehbaren Spannelement festgelegt ist. Vielfach finden Topfschleifscheiben mit ringförmiger Schleiffläche Verwendung, wobei eine Rotation des Spannelementes um eine von der Schleifspindel ab­ weichende Achse, die vorzugsweise nahe des Umfangs der Schleifscheibe liegt, die gleichmäßige Bearbei­ tung der gesamten Werkstückoberfläche sicherstellt.

Mit dem Ziel eines zügigigen und effektiven Be­ triebsablaufes werden jeweils drei Spannelemente auf einer drehbaren Scheibe angeordnet, wobei sie bevorzugt Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks beschreiben, dessen Zentrum mit der Drehachse der Scheibe zusammenfällt. Durch Drehung der Scheibe, die auch als Tisch bezeichnet wird, lassen sich die Spannelemente zwischen Positionen, in denen sie die Werkstückaufnahme der Schleifstationen bilden, und einer freien Position bewegen. In der freien Posi­ tion nimmt eine Handhabungsvorrichtung, vorzugs­ weise ein Greifarm, bearbeitete Werkstücke von den Spannelementen ab und setzt Rohlinge auf sie auf. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Be- und Entstückung während der gleichzeitigen Be­ arbeitung zweier Werkstücke erfolgen kann, so daß ein rascher und effektiver Arbeitsablauf gewährlei­ stet ist. Die Handhabungsvorrichtung wirkt ihrer­ seits mit einer Zuführeinheit zusammen, welche den Nachschub von Rohlingen sowie den Abtransport der Werkstücke sicherstellt, beispielsweise einer Ab­ lage, Magazinen oder Vorratskassetten für Rohlinge und bearbeitete Werkstücke oder einem Transport­ band.

Derartige Schleifautomaten liefern bei dem be­ schriebenen Arbeitsablauf in bezug auf Werkstück­ durchsatz und -qualität optimale Ergebnisse. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, daß flexible Anpas­ sungen an wechselnde Fertigungsvorgänge nicht mög­ lich sind. Insbesondere ergibt sich bei der Produk­ tion von Wafern häufig die Notwendigkeit, neben le­ diglich einseitig geschliffenen Werkstücken auch solche herzustellen, die von zwei Seiten bearbeitet sind, etwa im Fall von durch Sägen erzeugten Rohlingen, die beidseitig Oberflächen hoher Rauhig­ keit aufweisen. Im Stande der Technik wird diese Anforderung durch die Verwendung zweier Schleifau­ tomaten realisiert, wobei eine Transporteinheit zur beidseitigen Bearbeitung vorgesehene Werkstücke nach Durchlaufen der ersten Maschine wendet und der zweiten Maschine zuführt. Einseitige Schleifvor­ gänge werden an beiden Automaten unabhängig vonein­ ander vorgenommen. Nachteilig ist in diesem Fall der hohe Investitionsaufwand zur Beschaffung zweier Schleifautomaten sowie der Platzbedarf.

Vor diesem Hintergrund hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Schleifautomaten zu entwickeln, der bei optimaler Produktivität eine flexible Umrüstung auf unterschiedliche Arbeitsab­ läufe gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Scheibe mindestens vier Spannelemente auf­ weist und der Schleifautomat mit einer zweiten Handhabungsvorrichtung versehen ist, welche auf der Seite der Schleifstationen angeordnet ist, die der ersten Handhabungsvorrichtung gegenüber liegt.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, den Schleifautomaten mit zwei Handhabungsvorrichtungen zu versehen. Sie sind in Drehrichtung der Scheibe jeweils einer unterschiedlichen Schleifstation vor­ geordnet. Auf diese Weise besteht vor Durchlaufen jeder Schleifstation die Möglichkeit einer Handha­ bung des Werkstücks. Um die Taktdauer der Maschine nicht zu verlängern und die Handhabung zu ermögli­ chen, während andere Werkstücke in den Schleifsta­ tionen bearbeitet werden, weist die Scheibe minde­ stens vier Spannelemente auf. Sie sind derart ange­ ordnet, daß sich zwei im Griffbereich jeweils einer Handhabungsvorrichtung befinden, während die beiden anderen an den Schleifstationen befindlich sind.

Zu diesem Zweck ist eine rotationssymmetrische An­ ordnung der Spannelemente, d. h. an den Eckpunkten eines regelmäßigen n-Ecks, dessen Zentrum auf der Achse der Scheibe liegt, von Vorteil, wobei n die Zahl der Spannelemente ist. Bei vier Spannelementen erfolgt die Anordnung somit jeweils um Winkel von 90° gegeneinander versetzt. Zwischen den Ar­ beitstakten des Schleifautomaten wird die Scheibe jeweils um den Winkel 360°/n gedreht. Obwohl in der Mehrzahl der Fälle vier Spannelemente auf der Scheibe ausreichen, ist denkbar, eine größere An­ zahl vorzusehen, beispielsweise um zwischen dem Schleifvorgang und der Handhabung eine Reinigung zu ermöglichen. Bewegliche Blenden, welche die Schleifstationen während der Bearbeitung umschlie­ ßen, verhindern eine Verschmutzung der Handhabungs­ bereiche.

Aufgrund den zusätzlichen Handhabungsvorrichtung zwischen beiden Schleifstationen ermöglicht der er­ findungsgemäße Schleifautomat eine wesentlich fle­ xiblere Anpassung an unterschiedliche Arbeitsab­ läufe. Dabei erfolgt die Bearbeitung mit maximaler Geschwindigkeit, welche nahezu ausschließlich durch die Dauer der Schleifvorgänge vorgegeben ist, wäh­ rend die parallel ablaufende Handhabung keine zu­ sätzlichen Arbeitstakte erfordert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Werkstückaufnahme im Griffbereich einer oder beider Handhabungsvorrichtungen angeordnet. Sie dient beispielsweise als Zwischenablage oder zur Durchführung von Bearbeitungs- und Prüfvorgän­ gen.

Eine vorteilhafte Werkstückaufnahme umfaßt eine Wendevorrichtung, mit der die Werkstücke um eine - i.a. horizontale - Achse drehbar sind, die paral­ lel der Scheibenebene ausgerichtet ist. Somit läßt sich ein Werkstück beidseitig bearbeiten, indem es die Handhabungsvorrichtung nach Durchlaufen der er­ sten Schleifstation aus dem Spannelement entnimmt und in die Werkstückaufnahme einsetzt. Letztere führt einen Wendevorgang um 180° durch, bevor das Werkstück erneut auf das Spannelement aufgesetzt wird und die zweite Schleifstation durchläuft. Eine vorteilhafte Alternative besteht darin, eine Hand­ habungsvorrichtung einzusetzen, die ein Wenden des Werkstücks ermöglicht.

Eine Werkstückaufnahme mit Zentriereinrichtung ge­ stattet eine wesentliche Erhöhung der Fertigungs­ präzision. Das einer Zuführeinheit oder einem Span­ nelement entnommene Werkstück wird dabei von der Handhabungsvorrichtung auf die Zentriereinrichtung aufgesetzt, seine Position bestimmt und es in der vorgesehenen Ausrichtung erneut aufgenommen. Somit ist ein exaktes Ergreifen und Aufsetzen auf die Spannelemente möglich, indem die Zentriereinrich­ tung die Lage des Werkstücks korrigiert oder der Handhabungsvorrichtung entsprechende Daten über­ trägt.

Schließlich ist eine Werkstückaufnahme mit einer Säuberungseinrichtung von Vorteil, welche die Vor­ reinigung der Rohlinge oder eine Werkstückreinigung zwischen einzelnen Arbeitsschritten vornimmt. So­ fern die Säuberung mit einem flüssigen Medium er­ folgt, umfaßt die Einrichtung vorzugsweise eine Trocknungseinheit. Grundsätzlich ist denkbar, sämt­ liche angesprochenen Ausgestaltungen von Werkstück­ aufnahmen sowohl im Griffbereich einer als auch beider Handhabungsvorrichtungen anzuordnen.

Vorzugsweise ist im Griffbereich beider Handha­ bungsvorrichtungen eine Zuführeinheit für Werk­ stücke vorhanden, beispielsweise eine oder mehrere Vorratskassetten oder Transportbänder. In diesem Fall bestehen die Voraussetzungen für eine Umrü­ stung des Schleifautomaten zwischen unterschiedli­ chen Bearbeitungsabläufen mit geringstem Aufwand:
Einerseits ist die beidseitige Bearbeitung der Werkstücke möglich, indem ein von der ersten Hand­ habungsvorrichtung eingelegter Rohling in der er­ sten Schleifstation einseitig bearbeitet und nach­ folgend, gegebenenfalls in Zusammenarbeit mit einer Werkstückaufnahme, von der zweiten Handhabungsvor­ richtung gewendet wird. Nach Bearbeitung der ande­ ren Seite in der zweiten Schleifstation wird das Werkstück von der ersten Handhabungsvorrichtung wieder entnommen. Unterbleibt der Wendevorgang, so ist alternativ die zweistufige Bearbeitung einer Seite des Werkstücks möglich, wobei eine Schleif­ station als Vor- und die andere als Feinschleifein­ richtung dient. Um eine einseitige Werkstückbear­ beitung mit maximalem Durchsatz des Automaten zu erreichen, können die Werkstücke schließlich von beiden Handhabungsvorrichtungen zugeführt werden. Nach Durchlaufen lediglich einer Schleifstation werden sie von der jeweils anderen Handhabungsvor­ richtung auf der gegenüberliegenden Seite des Auto­ maten entnommen. Auf diese Weise ist die flexible Anpassung an unterschiedliche Produktionserforder­ nisse möglich.

Bevorzugt sind die Schleifstationen an einem Portal befestigt, welches die Scheibe übergreift. Auf diese Weise entsteht eine stabile, belastbare An­ ordnung, die sich auch unter hohen Kräften allen­ falls geringfügig deformiert, so daß eine hohe Prä­ zision der Fertigung erreichbar ist. Weiterhin sind Scheibe und Schleifstationen von beiden Seiten des Portals zugänglich, was eine vorteilhafte Anordnung der Handhabungsvorrichtungen gestattet.

Als Schleifstationen haben sich insbesondere Schleifspindeln mit endseitiger Schleifscheibe, meist einer Topfschleifscheibe, bewährt, welche durch axialen Vorschub auf das im Spannelement be­ findliche Werkstück aufgesetzt wird. Vorzugsweise ist das Spannelement relativ zur Scheibe beweglich, etwa um eine Achse parallel der Spindelachse dreh­ bar, um die gleichmäßige Bearbeitung der Werkstückoberfläche sicherzustellen.

Soll die gesamte Bearbeitung an einer einzigen Schleifstation erfolgen, so ist in der Regel ein Kompromiß zwischen der Bearbeitungszeit, die sich mit zunehmender Korngröße der Schleifscheibe ver­ ringert, und der erreichbaren minimalen Oberflä­ chenrauhigkeit erforderlich. Eine vorteilhafte Al­ ternative sind Schleifstationen, die ohne Umrüstung Bearbeitungen mit unterschiedlicher Korngröße ge­ statten. Zu diesem Zweck ist beispielsweise eine in der Druckschrift DE 42 08 615 beschriebene Spindel mit zwei konzentrischen, axial gegeneinander beweg­ lichen Schleifscheiben unterschiedlicher Körnung geeignet. Mit ihr ist durch axiale Verschiebung der Scheiben sowohl eine grobe Vorbearbeitung bei hoher Abtraggeschwindigkeit als auch eine Feinbearbeitung möglich, welche eine sehr glatte Werkstückoberflä­ che erzeugt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert ist. Sie zeigt die Draufsicht auf die Werkstück-Transport­ vorrichtung eines erfindungsgemäßen Schleifautoma­ ten in prinzipienhafter Darstellung.

Kernstück des Schleifautomaten ist eine Scheibe (1), welche um die Achse (2) drehbar ist und auf der vier, im Winkel von 90° zueinander angeordnete Spannelemente (3) angebracht sind, auf denen sich Werkstücke (4) festlegen lassen. Durch Drehungen der Scheibe (1) um Winkel von jeweils 90° sind die Spannelemente (3) zwischen den Positionen (5, 6), in welchen sie sich Be- und Entstücken lassen, und Schleifstationen (7) beweglich, beispielsweise luftgelagerten Spindeln, die an einem oberhalb der Scheibe (1) verlaufenden Portal (8) befestigt sind.

Zum Zuführen und Abnehmen der Werkstücke (4) dient eine Handhabungsvorrichtung (9), welche aus einem Greifer (10) besteht, der an einem mehrteiligen, um die Drehachse (11) verschwenkbaren Gelenkarm (12) befestigt ist. Mit dem Greifer (10) lassen sich Rohlinge für die Werkstücke (4) aus Kassetten (13) entnehmen und bearbeitete Werkstücke (4) aus den auf der Position (5) befindlichen Spannelementen (3) in die gleiche oder eine andere Kassette (13) zurücklegen. Die Zahl der Kassetten (13) kann vari­ ieren, wobei im allgemeinen zumindest eine für Rohlinge und eine andere für bearbeitete Werkstücke (4) zweckmäßig ist. Mittels einer Zentriereinrich­ tung (14), auf der die Werkstücke (4) abgelegt und nach Bestimmung ihrer Lage erneut vom Greifer (10) erfaßt werden, ist die Handhabung mit hoher Präzi­ sion möglich. Eine Säuberungseinrichtung (15), in der die Werkstücke (4) gewaschen und nachfolgend getrocknet werden, gestattet ihre Reinigung von nach Abschluß des Schleifprozesses verbliebenen Verschmutzungen. Als zweckmäßig erweist es sich, Handhabungsvorrichtung (9), Kassetten (13), Zen­ triereinrichtung (14) und Säuberungseinrichtung (15) zu einer Baugruppe (16) zusammenzufassen, wel­ che vom Schleifautomaten lösbar ist.

Auf der der ersten Handhabungsvorrichtung (9) ge­ genüberliegenden Seite der Scheibe (1) ist eine zweite Handhabungsvorrichtung (17) mit gleichem Aufbau angeordnet, in deren Griffbereich sich eine Werkstückaufnahme (18) sowie gegebenenfalls eine weitere Säuberungseinrichtung (19) befindet. Die Werkstückaufnahme (18), welche eine Zentrierein­ richtung umfassen kann, dient als Zwischenablage der Werkstücke (4) und ermöglicht ihre Drehung eine um eine horizontale Achse, so daß auch ihre Rück­ seite in den Schleifstationen (7) bearbeitbar ist. Optional ist auch im Griffbereich der zweiten Hand­ habungsvorrichtung (17) eine Zuführeinheit (21) für die Werkstücke (4) angeordnet, welche mehrere Kas­ setten (13) umfaßt. Die aus Zuführeinheit (21) und Handhabungsvorrichtung (17) gebildete Baugruppe (20) ist vorzugsweise gleichfalls vom Schleifauto­ maten lösbar.

Oberhalb der Scheibe (1) sind zweckmäßig zwei auf die Positionen (5, 6) ausgerichtete Düsen (22) an­ geordnet, welche zur Säuberung der Spannelemente (3) sowie der Vorreinigung und Trocknung bearbeite­ ter Werkstücke (4) durch Luftstrom dienen. Um eine übermäßige Verschmutzung der Handhabungsvorrichtun­ gen (9, 17) zu vermeiden, werden die Schleifstatio­ nen (7) während der Bearbeitung von einer senkrecht der Zeichenebene beweglichen Blende (23) gegenüber den übrigen Funktionselementen des Schleifautomaten abgeteilt.

Der dargestellte Schleifautomat ermöglicht unter­ schiedliche Arbeitsabläufe, so daß er sich mit mi­ nimalem Aufwand auf verschiedene Produktionsanfor­ derungen umstellen läßt:
Zunächst gestattet er ein zweistufiges, einseitiges Schleifen der Werkstücke (4), die zu diesem Zweck mit der Handhabungsvorrichtung (9) auf ein an Posi­ tion (5) befindliches Spannelement (3) aufgesetzt und nachfolgend an beiden Schleifstationen (7) be­ arbeitet werden. Dabei dient eine Schleifstation (7) zum Vor- und die andere zum Endschleifen. Ab­ schließend werden die Werkstücke mit der gleichen Handhabungsvorrichtung (9) entnommen. Die zweite Handhabungsvorrichtung (17) ist in diesem Fall im allgemeinen ohne Funktion, ermöglicht jedoch ein vorübergehendes Abnehmen der Werkstücke (4) von den Spannelementen (3), beispielsweise zum Zweck einer Zwischensäuberung, einer erneuten Zentrierung oder einer Kontrolle der Bearbeitungsqualität.

Weiterhin erlaubt der Schleifautomat ein beidseiti­ ges Schleifen der Werkstücke (4), welche zu diesem Zweck von der Handhabungsvorrichtung (17) im Zusam­ menwirken mit der Werkstückaufnahme (18) um 180° um eine horizontale Achse gedreht werden. Ansonsten durchlaufen die Werkstücke (4) den Automaten in der vorhergehend beschriebenen Weise. Da in diesem Fall die Bearbeitung einer Seite des Werkstücks (4) in einzelnen Schleifstation (7) erfolgt, ist es zweck­ mäßig, wenn letztere Bearbeitungen unterschiedli­ cher Feinheit gestatten, so daß unter Verwendung von Schleifscheiben verschiedener Körnung eine hohe Oberflächenqualität bei kurzer Bearbeitungszeit er­ reichbar ist.

Schließlich ist eine einseitige Bearbeitung der Werkstücke (4) mit verdoppeltem Materialdurchsatz möglich, wenn im Griffbereich beider Handhabungs­ vorrichtungen (9, 17) Kassetten (13) zur Bereit­ stellung von Rohlingen und Werkstückaufnahme vor­ handen sind. Dabei werden die Werkstücke (4) von beiden Handhabungsvorrichtungen (9, 17) auf Spann­ elemente (3) in den Positionen (5, 6) aufgesetzt und nach einer Vierteldrehung der Scheibe (1) in einer Schleifstation (7) bearbeitet. Nach einer weiteren Vierteldrehung der Scheibe (1) entnimmt die jeweils andere Handhabungsvorrichtung (9, 17) das bearbeitete Werkstück (4), legt es in einer Kassette (13) ab und setzt einen neuen Rohling auf das freigewordene Spannelement (3) auf.

Im Ergebnis entsteht auf diese Weise ein Schleifau­ tomat, der sich flexibel für unterschiedliche Pro­ duktionsanforderungen umrüsten läßt und auf vor­ teilhafte Weise insbesondere die zweiseitige Bear­ beitung von Werkstücken sowie eine einseitige Bear­ beitung mit verdoppeltem Materialdurchsatz gestat­ tet.

Claims (9)

1. Schleifautomat, insbesondere für scheibenförmige Werkstücke, mit einer Zuführeinheit, einer drehba­ ren Scheibe mit Spannelementen, die achsensymme­ trisch auf der Scheibe angeordnet sind und in denen die Werkstücke festlegbar sowie bearbeitbar sind, zwei Schleifstationen, an denen die Bearbeitung der Werkstücke erfolgt, und mit einer Handhabungsvor­ richtung, mit der die Werkstücke zwischen der Zu­ führeinheit und den Spannelementen beweglich sind, wobei eine Drehung der Scheibe die Spannelemente zwischen dem Griffbereich der Handhabungsvorrich­ tung und den Schleifstationen bewegt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Scheibe (1) mindestens vier Spannelemente (3) aufweist
• - und der Schleifautomat mit einer zweiten Handha­ bungsvorrichtung (17) versehen ist, welche auf der Seite der Schleifstationen (7) angeordnet ist, die der ersten Handhabungsvorrichtung (9) gegenüber liegt.

2. Schleifautomat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Griffbereich einer Handhabungsvor­ richtung (9, 17) eine Werkstückaufnahme (18) ange­ ordnet ist.

3. Schleifautomat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Handhabungsvorrichtung (9, 17) oder Werkstückaufnahme (18) eine Wendevorrich­ tung umfaßt, mit der die Werkstücke (4) um eine Achse drehbar sind, die parallel der Ebene der Scheibe (1) verläuft.

4. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Griffbe­ reich einer Handhabungsvorrichtung (9, 17) eine Zentriereinrichtung (14) für die Werkstücke (4) an­ geordnet ist.

5. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Griffbe­ reich einer Handhabungsvorrichtung (9, 17) eine Säuberungseinrichtung (15, 19) für die Werkstücke (4) angeordnet ist.

6. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Griffbe­ reich der zweiten Handhabungsvorrichtung (17) eine Zuführeinheit (21) angeordnet ist.

7. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleif­ stationen (7) an einem Portal (8) befestigt sind, das die Scheibe (1) übergreift.

8. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleif­ stationen (7) Schleifspindeln mit einer endseitig befestigten Schleifscheibe sind.

9. Schleifautomat nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Schleifstation (7), die Bearbeitungen unterschiedlicher Feinheit ermöglicht.