DE19644502C2 - Greifervorrichtung für die Mikromontage kleiner Werkstücke mit wenigstens zwei Greiferelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Greifervorrichtung für die Mikromontage kleiner Werkstücke mit wenigstens zwei Greiferelementen, die jeweils über ein Festkörpergelenk mit einem Grundkörper verbunden sind und jeweils einen Greiferbackenbereich zur Auf­ nahme des Werkstückes, der auf einer Seite des Festkörpergelenkes vorgesehen ist sowie einen Hebelarmbereich zur Anlenkung des Greiferelementes, der auf der anderen Seite des Festkörpergelenkes angeordnet ist, aufweisen, wobei die Greiferelemente um eine Gelenkachse der Festkörpergelenke schwenkbar sind und einem Aktuator der einerseits mit dem Grundkörper und andererseits mit dem Hebelarmbereich in Wirk­ verbindung tritt.

Eine Greifervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art geht aus einem Beitrag von J. Hesselbach, R. Pittschellis "Greifer für die Mikromontage" in Produktion und Management 85, 1995, Springerverlag 1995 auf Seite 598 hervor. Der im Bild 4 in dem vorstehend genannten Artikel dargestellte Kniehebelgreifer ist einstückig aus einem Grundmaterial hergestellt und weist pro Greiferbackenanlenkung vier filigran ausgestaltete Filmgelenke auf. Filmgelenke oder auch sogenannte Festkörpergelenke sind Materialbereiche, die gegenüber der restlichen Materialstruktur des Greifers über deutlich geringere Biegesteifigkeiten verfügen. Die Realisierung derartiger Festkörpergelenke erfolgt in aller Regel durch Einkerbungen oder entsprechende Bohrungen. Insbesondere für die Mikromontage kleiner Werkstücke, bei der Genauigkeiten bei Greiferbacken­ bewegung im Bereich von 0,001 mm gefordert werden, ist ein hohes Maß an Fertigungsgenauigkeit bei der Herste­ llung der Greifervorrichtungen zu stellen.

So ist der vorstehend beschriebene Kniehebelgreifer, der im wesentlichen aus zwei aufeinander zubewegbaren Greiferbacken besteht und pro Greiferbackenseite über vier Filmgelenke verfügt, mit einem höchsten Maß an Genauigkeit herzustellen. Bereits kleinste Abweichungen in der Positionierung der Filmgelenke führen beispielseise zu Assymetrien beim Schließen der Greiferbacken, wodurch ein sicheres Ergreifen von mikromechanischen Bauelementen nicht mehr möglich ist.

Ferner werden bei der bekannten Greifervorrichtung als Antrieb für die Greifbackenbewegung Formgedächtnis­ aktoren eingesetzt, die derart mit dem Basisbereich der Greiferbacken in Verbindung stehen, so daß sich bei Ver­ kürzung der Formgedächtnisaktoren die Greiferbacken schließen und bei Längenausdehnung öffnen.

Gerade in Hinblick auf ein sicheres Greifen und Erfassen von mikromechanischen Bauteilen ist es jedoch wesentlich, exakt steuerbare Greifkräfte zu erzeugen, die durchaus zwischen einem bis ca. 1.000 Newton betragen sollen. Derartig hohe Greifkräfte können jedoch mit dem vorstehend bekannten Kniehebelgreifer nicht erzeugt werden, zumal durch Längenverkürzung der Formgedächtnisaktoren derartig hohe Zugkräfte ohne weitere mechanische Übersetzungsmaßnahmen nicht erzeugt werden können.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Formgedächtnisaktoren ist das nur zeitverzögerte Reaktionsvermögen, das laut Angaben in dem vorstehend zitierten Artikel den Greifer innerhalb von 0,5 Sekunden nach Ansteuerung der Aktoren schließen und innerhalb einer bis zwei Sekunden öffnen läßt. Zwar könnte die Dynamik von Formgedächtnisantrieben verbessert werden, sofern zwei Formgedächtnisaktoren zu einem Differential-Aktor-System verkoppelt werden, doch führt dies zu mechanisch komplizierten Greifersystemen, deren Herstellung nicht nur sehr kompliziert, sondern überdies auch mit hohen Kosten verbunden ist.

Neben dem vorstehend beschriebenen Greifersystem, von dem die Erfindung als nächstkommenden Stand der Technik ausgeht, sind für ein kraft- und weggeregeltes Greifen von feinmechanischen Bauteilen und insbesondere in der Mikrosystemtechnik weitere Greifersysteme bekannt.

So geht aus der DE 40 37 883 A1 eine Vorrichtung zum Greifen von Werkstücken hervor, die aus einem Scherengelenk besteht, das zur Grobverstellung entsprechend mechanisch wirkende Verstelleinrichtungen vorsieht und für die Feinverstellung an wenigstens einem Greifarm einen piezoelektrischen Aktor aufweist, der in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal eines druckempfindlichen Abtasters die Greifkraft regelt.

Ebenso geht aus einer US-Druckschrift, der US 4 610 475 ein mit piezoelektrischen Elementen versehener Mikromanipulator hervor, der zwei sich parallel gegenüberliegende Greiferbackenarme vorsieht, die jeweils aus einer Kombination zweier piezoelektrischer Materialien bestehen, deren Polarisationsrichtungen entgegengesetzt orientiert sind. Durch entsprechende elektrische Ansteuerung beider Greiferbackenarme bewegen sich die offenen Enden der Backen aufeinander zu, wodurch entsprechend zwischen den Backen positionierte Gegenstände erfaßt werden können. Nachteilhaft bei dieser bekannten Greiferbackenarm- Anordnung ist jedoch die nur beschränkte Haltekraft, die mit der bekannten Anordnung zu erzielen ist.

Aus der nachveröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift, der DE 195 23 229 A1, geht ein Mikrogreifer für die Montage hervor, der als Aktoreinheit einen Piezotranslator vorsieht, der über Biegegelenke mit Greiferarmen in Wirkverbindung steht. Nachteilig bei der bekannten Mikrogreiferanordnung ist die nur begrenzte Haltekraft, die mit den Greiferarmen erzeugt werden kann, zumal bei erhöhten Haltekräften u. a. die Formstabilitätsgrenzen, der länglich ausgebildeten Greiferarme überschritten werden können.

Schließlich geht aus der US 5 046 773 ein Mikrogreifer hervor, der in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 einen als Luftbalg ausgebildeten Aktuator vorsieht, der bei Balgverkürzung zum Schließen der Greiferbacken führt. Ferner geht aus der Druckschrift hervor, daß auch die Verwendung eines Piezostellelementes anstelle des Luftbalges als Aktuatormaterial möglich sei, doch würde ein Austausch des Luftbalges durch ein Piezostellementes zu einer Zugbelastung des Piezostellelementes führen, wodurch das Stellelement unmittelbar zerstört würde, da Piezomaterialien keiner Zugbeanspruchung standhalten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Greifervorrichtung für die Mikromontage kleiner Werkstücke mit wenigstens zwei Greiferelementen, die jeweils über ein Festkörpergelenk mit einem Grundkörper verbunden sind und jeweils einen Greiferbackenbereich zur Aufnahme des Werkstückes, der auf einer Seite des Festkörpergelenkes vorgesehen ist, sowie einen Hebelarmbereich zur Anlenkung des Greiferelementes, der auf der anderen Seite des Festkörpergelenkes angeordnet ist, aufweisen, wobei die Greiferelemente um eine Gelenkachse der Festkörpergelenke schwenkbar sind und einem Aktuator, der einerseits mit dem Grundkörper und andererseits mit dem Hebelarmbereich in Wirkverbindung tritt, derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung sehr kleiner Abmessungen Greifkräfte zwischen einem bis ca. 1.000 N erzeugbar sind. Die mit der Greifvorrichtung handzuhabenden Gegenstände sollen bis zu einigen Zehntel mm groß sein, wobei die Werkstücke mit einer exakt definierten Kraft gegriffen werden sollen. So sollen beispielsweise kleine filigrane oberflächenempfindliche Werkstücke mit kleinen Kräften und zum anderen deformierbare Werkstücke mit hohen Kräften gegriffen werden können. Beispielsweise soll zur Herstellung von Klebeverbindungen oder bei Einpreßvorgängen entsprechend hohe Druckkräfte mittels der Greifervorrichtung erzeugbar sein. Die Greiferbacken sollen mit einer Positioniergenauigkeit mit ±1/1.000 mm geschlossen bzw. geöffnet werden können. Schließlich soll das Greifersystem mit möglichst einfachen Mitteln herstellbar sein, so daß mit nur geringen Fertigungsgenauigkeiten bei der Herstellung derartiger Greifersysteme gearbeitet werden kann. Schließlich soll das Greifersystem modular aus Einzelteilen zusammensetzbar sein, so daß entsprechende Einstellparameter vorgesehen sind, die die Kinematik des Greifersystems beeinflussen.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Greifervorrichtung für die Mikromontage kleiner Werkstücke mit wenigstens zwei Greiferelementen gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart ausgebildet, daß die Hebelarmbereiche der Greiferelemente mit einem kraftübertragenden Element beaufschlagbar sind. Das kraftübertragende Element ist senkrecht zu den Gelenkachsen der Festkörpergelenke bewegbar angeordnet und entgegen den Hebelarmbereichen mittels einer Spannvorrichtung vorgespannt. Ferner wird als Aktuator ein Piezostellelement verwendet, an das eine elektrische Steuerspannung anlegbar ist, wodurch das Piezostellelement eine Längenausdehnung in Richtung der Hebelarmbereiche erfährt, so daß das Piezostellelement gegen das kraftübertragende Element drückbar ist, wodurch das kraftübertragende Element in Richtung der Hebelarmbereiche treibbar ist. Auf diese Weise werden die Greiferbacken um die Gelenkachsen der Festkörpergelenke derart ausgelenkt, so daß sich die Greiferbacken aufeinander zu bewegen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Piezostellelementes, das bei Längenausdehnung den Schließmechanismus der Greiferbacken steuert, können aufgrund der durch das Piezostellelement generierten Druckkräfte erheblich größere Greifkräfte erzeugt werden, als es beispielsweise durch die Erzeugung der Zugkräfte im bekannten Falle von Formgedächtnisaktoren möglich ist.

Durch die mechanische Trennung der Hebelarmbereiche der Greiferelemente von dem, im Grundkörper eingebrachten Piezostellelement, das über ein kraftübertragendes Element mit den Hebelarmbereichen in Wirkverbindung tritt, ist es möglich, zum einen die in der Fertigung auftretenden Fertigungstoleranzen in einem gewissen Maße auszugleichen, aber insbesondere unterschiedliche Grundstellungen der Greiferbacken einzustellen. Durch eine extra vorgesehene Spannvorrichtung kann der Ausgangsauflagedruck des kraftübertragenden Elementes auf die Hebelarmbereiche der Greiferelemente individuell eingestellt werden. Hierzu dient ein Federelement, das das kraftübertragende Element entgegen den Hebelarmbereichen vorspannt. Je nach Auflagedruck des kraftübertragenden Elementes auf die Hebelarmbereiche, kann die Backenweite der Greiferarme in der Ausgangsstellung eingestellt werden.

Ferner verfügt die erfindungsgemäße Greifervorrichtung pro Greiferelement lediglich ein zu fertigendes Festkörperelement, deren gegenseitige Positionierung aus den vorstehend genannten Symmetriegründen höchst sor­ gfältig vorgenommen werden muß, doch beschränkt sich dieser Arbeitsschritt nur auf zwei Festkörpergelenke und nicht wie im bekannten Fall auf acht.

An den Greifarmbereichen sind zur kontrollierten Kraftübertragung vorzugsweise Dehnmeßstreifen zur Erfassung der Reaktionskraft angebracht, mit denen es möglich ist, eine Regeleinheit mit den Meßwerten zu versorgen, um die Greiferbackenbewegung kraftabhängig regeln zu können. Neben der sehr hohen Positionier­ genauigkeit der mittels eines Piezostellelementes ange­ triebenen Greiferbacken, die im Mikrometerbereich liegen, bewegen sich die Reaktionszeiten der des Piezostellelementes im Zehntelsekunden-Bereich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.

Das erfindungsgemäße Greifersystem besteht im wesentlichen aus einem Festkörper 1 mit Festkörpergelenken 1a und mit integrierten Greiferbackenbereiche 1b. Mittig im Festkörper 1 ist ein Piezostellelement 2 montiert, das beispielweise mittels einer Preßpassung in den Festkörper eingepasst ist. Das Piezostellelement 2 ist über eine Scheibe 3, das als kraftübertragendes Element dient, mit Hilfe einer Schraube 4, einer Mutter 5 und einer Tellerfeder 6 vorgespannt. Je nach Stärke der Tellerfeder 6 sowie der Stellung der Mutter kann der zwischen der Scheibe 3 und den Hebelarmbereichen 1c wirkende Anpreßdruck variiert werden. Je geringer der Anpreßdruck zwischen den beiden vorgenannten Teilen ist, umso größer ist der gegen­ seitige Abstand der Greiferbackenbereiche 1b.

Auch können im Greifersystem bestehende Asymmetrien, die durch Fertigungsungenauigkeiten zustande kommen, durch individuelle Anpassung der Scheibe 3 oder der Vor­ spannung, die mittels der Mutter 5 einstellbar ist, in einem gewissen Rahmen kompensiert werden.

Vorzugsweise ist in den Greiferbacken 1b jeweils ein Dehnmeßstreifen 7 integriert, der zur kraftgesteuerten Greifbewegung verwendet werden kann.

Wird an das Piezostellelement 2 eine Spannung angelegt, so erfährt dieses eine Längenausdehnung entlang der Symmetrieachse S. Durch die Längenausdehnung des Piezostellelementes 2 wird die Scheibe 3 gegen den Hebelarmbereich 1c gedrückt, der in Richtung der Festkörpergelenke 1a verfährt. Durch die Hebelwirkung werden die Greifarmbackenbereiche 1b zusammengedrückt. Ein nicht in der Figur dargestelltes Werkstück kann auf diese Weise von der Greifervorrichtung ergriffen werden.

Durch das Ausnützen der Längenänderung des Piezostellelementes 4 für das unmittelbare Zusammenführen der Greiferbacken 1b können Greifkräfte erzeugt werden, mit denen Verformvorgänge, wie beispielsweise Einpreßvorgänge, ermöglicht werden.

Befindet sich ein Werkstück zwischen den Greiferbacken 1b, so wird mit den Dehnmeßstreifen 7 die Reaktionskraft gemessen. Die Signale der Dehnmeßstreifen 7 werden über eine nicht in der Figur dargestellte Prozeßsteuerung ausgewertet und die angelegte Spannung bzw. die erzeugte Ausdehnung des Piezostellelementes 2 kann in Abhängigkeit von dem gemessenen Istwert der Reaktionskraft und einem vorgegebenen Sollwert geregelt werden.

Claims (6)

1. Greifervorrichtung für die Mikromontage kleiner Werkstücke mit
wenigstens zwei Greiferelementen, die jeweils über ein Festkörpergelenk (1a) mit einem Grundkörper (1) verbunden sind und jeweils einen Greiferbackenbereich (1b) zur Auf­ nahme des Werkstückes, der auf einer Seite des Festkörpergelenkes (1a) vorgesehen ist sowie einen Hebelarmbereich (1c) zur Anlenkung des Greiferelementes, der auf der anderen Seite des Festkörpergelenkes (1a) angeordnet ist, aufweisen, wobei die Greiferelemente um eine Ge­ lenkachse der Festkörpergelenke (1a) schwenkbar sind und
einem Aktuator der einerseits mit dem Grundkörper (1) und andererseits mit dem Hebelarmbereich in Wirk­ verbindung tritt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelarmbereiche (1c) der Greiferelemente mit einem kraftübertragenden Element beaufschlagbar sind, das senkrecht zu den Gelenkachsen der Festkörpergelenke (1a) bewegbar angeordnet ist und entgegen den Hebelarmbereichen (1c) mittels einer Spannvorrichtung vorgespannt ist, und daß der Aktuator ein Piezostellelement (2) ist, an das eine elektrische Steuerspannung anlegbar ist, wodurch das Piezostellelement (2) eine Längenausdehnung in Richtung der Hebelarmbereiche erfährt, so daß das Piezostellelement (2) gegen das kraftübertragende Element drückt, wodurch das kraftübertragende Element in Richtung der Hebelarmbereiche (1c) treibbar ist, so daß die Greiferbacken um die Gelenkachsen der Festkörpergelenke (1c) derart auslenkbar sind, daß sich die Greiferbacken aufeinander zubewegen.

2. Greifervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) eine U- förmige Querschnittsform aufweist, an deren einseitig offenen Schenkeln sich gegenüberstehend die Festkörpergelenke (1a) vorgesehen sind.

3. Greifervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zentrisch zu den einseitig offenen Schenkeln im Grundkörper (1) eine Ausnehmung vorge­ sehen ist, in der das Piezostellelement (2) eingebracht ist und einseitig in Richtung der offenen Schenkel aus dem Grundkörper (1) ragt.

4. Greifervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezostellelement (2) mit seiner aus dem Grundkörper (1) ragenden Seite mit dem kraftübertragenden Element in Wirkverbindung tritt.

5. Greifervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftübertragende Element, das Piezostellelement (2) sowie der Grundkörper (1) zentrisch zu den einseitig offenen Schenkeln von einer Schraube (4) durchsetzt sind, die mittels einer Mutter (5) gegen den Grundkörper (1) fixiert ist.

6. Greifervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mutter (5) und Grundkörper (1) ein Federelement (6) eingebracht ist.