DE19715083A1 - Mechanischer Greifer, insbesondere zum Greifen kleiner Objekte - Google Patents

Mechanischer Greifer, insbesondere zum Greifen kleiner Objekte

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DE19715083A1
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Veit Zoeppig
Jens Ulrich
Alf Harnisch
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J7/00—Micromanipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/02—Gripping heads and other end effectors servo-actuated
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L21/687—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches
    • H01L21/68707—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping using mechanical means, e.g. chucks, clamps or pinches the wafers being placed on a robot blade, or gripped by a gripper for conveyance

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Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Greifer, insbesondere zum Greifen kleiner Objekte in der Mikrosystemtechnik, mit einem nachgiebi­ gen Greifermechanismus zur Kraft- und Bewegungsübertragung und elektrodynamischem Antrieb.
Er ist besonders für den Einsatz in Mikromontagestationen geeignet.
In mechanisierten und/oder automatisierten Stationen zur Manipulation oder Montage geometrisch kleiner und empfindlicher Bauteile mit hoher Positioniergenauigkeit der Greifobjekte ist ein sicheres und feinfühliges Greifen erforderlich.
Für diese Einsatzfälle sind mechanische Greifer mit Tauchspulantrieb und nachgiebigem Mechanismus gut geeignet. Der Tauchspulantrieb bietet den Vorteil des linearen Strom-Kraft-Zusammenhanges über den gesamten Bewegungsbereich.
Greifer mit Tauchspulantrieb sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt. In Henschke, F.: Miniaturgreifer und montagegerechtes Konstruieren in der Mikromechanik, Ansätze zur Lösung des Montageproblems in der Mikro­ systemtechnik; Fortschrittsberichte Reihe 1: Konstruktionstechnik/Maschi­ nenelemente Nr. 242; VDI-Verlag, Düsseldorf 1994) ist ein Greifer mit klassischem Tauchspulantrieb beschrieben, der eine zylindrische Spule und einen Übertragungsmechanismus mit klassischen Gelenken enthält.
Nachteilig sind dabei die Größe des Antriebs und die unerwünschten Eigen­ schaften der klassischen Gelenke wie Spiel und Hysterese.
Um diese Nachteile zu vermeiden, werden nachgiebige Mechanismen verwendet, die sich durch Spielfreiheit und Reibungsarmut auszeichnen. Greifer mit nachgiebigen Mechanismen wurden z. B. von SALIM mit piezo­ elektrischem Antrieb (Salim, R.; Wurmus, H.: Mikrotechnischer Greifer für die Mikrosystemtechnik. 41. Internationales Wissenschaftliches Kollo­ quium "Wandel im Maschinenbau durch Feinwerktechnik und Mikrosy­ stemtechnik" - Entwicklung, Konstruktion und Fertigung -. 23.-26. September 1996, Ilmenau, Tagungsband) und HESSELBACH mit Formge­ dächtnislegierungsantrieb (Hesselbach, J.; Pittschellis, R.: Miniaturgreifer für die Mikromontage. 41. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium "Wandel im Maschinenbau durch Feinwerktechnik und Mikrosystemtech­ nik" - Entwicklung, Konstruktion und Fertigung -. 23.-26. September 1996, Ilmenau, Tagungsband) vorgestellt. Bei diesen Greifern ist nachteilig, daß der Aktuator nachträglich in den Greifer eingebracht werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten, feinfühligen, gut steuerbaren Greifer mit spiel- und hysteresefreiem und reibungsarmen Übertragungsverhalten herzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrodynami­ sche Antrieb ebene Spulen aufweist, die in den nachgiebigen Greifermecha­ nismus integriert sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Greifers sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßem Greifer ist der elektrodynamische Antrieb nicht, wie z. B. in Lautsprechern üblich, als rotationssymmetrische Anord­ nung, sondern als ebene Anordnung ausgeführt und die als Flachspule ausgeführte Spule in den Greifermechanismus integriert. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, daß ein Meßsystem zur Bestimmung des Antriebsweges in den Greifer integriert werden kann, so daß aus der momentanen Position des Antriebes und dem momentan fließenden Antriebsstrom Greifweg, -kraft und Anwesenheit des Greifobjektes ermit­ telt werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 den Magnetkreis mit ebener Tauchspule,
Fig. 2 einen nachgiebigen Greifermechanismus mit integrierter Tauchspule,
Fig. 3 eine 3-D-Darstellung des Greifer und
Fig. 4 die Abhängigkeit des Diagramm Antriebswegs sA vom Spulenstromes I in einem Diagramm.
Das Beispiel beschreibt einen Greifer mit Greifermechanismus aus mikrostrukturiertem Glas oder Kunststoff (4) und Tauchspulantrieb mit einer Flachspule (3), der als Glas-Kupfer-Verbundstruktur ausgeführt ist.
Im Gegensatz zu Lautsprechersystemen, in denen zylindrische Tauchspulen verwendet werden, ist in den Greifermechanismus eine ebene Tauchspule (3) als Antriebselement integriert. Trotz vergleichsweise geringer Energie­ dichte und geringer Kräfte zeichnet sich der Tauchspulantrieb durch Vorteile aus, die sich insbesondere durch einfache Steuerbarkeit infolge seines linearen Kraft-Strom-Zusammenhangs, große Antriebswege im Millimeterbereich und eine sehr gute Integration der ebenen Tauchspule in den nachgiebigen Mechanismus äußern.
Die ebene Tauchspule (3) besteht aus einem Glas-Metall-Verbund, der durch Galvanoformung in mikrostrukturierbarem Glas hergestellt wird. Dieser läßt höhere Stromdichten als herkömmliche Spulen aus Kupferlack­ draht zu. Mit dieser Spulentechnologie ist es gleichzeitig möglich, die nachgiebige Greiferstruktur aus mikrostrukturierbarem Glas zu fertigen. Dadurch entfallen eine nachträgliche Integration der Spule in den Greifer­ mechanismus und damit notwendige präzise Montageprozesse. Auf die Spule wirkt im Luftspalt des aus Eisenrückschluß (1) und Dauermagneten (2) gebildeten Magnetkreises eine Antriebskraft FA, die Lorentzkraft. Die daraus resultierende Antriebsbewegung der Spule wird durch den nachgie­ bigen Mechanismus (4) zu den Greiferwirkelementen (5) übertragen.
Durch die im Vergleich zu Festkörperaktuatoren (z. B. piezoelektrische Keramiken, Formgedächtnislegierungen) großen Antriebswege kann für die Strukturen aus Glas ein Greiferprinzip mit kleiner Übersetzung gewählt werden. Aufgrund der hohen Steifigkeit des Glases ist es möglich, nachgie­ bige Glieder als verformbare Bereiche zu gestaltet. Mit den nachgiebigen Gliedern sind gleichmäßige Spannungsverteilungen im Glas erreichbar, so daß diese zur Übertragung großer Wege und kleiner Kräfte geeignet sind.
Bei gleichzeitiger Messung des durch die Tauchspule fließenden Stromes I und des Antriebsweges sA können Greifweg sG, Greifkraft FG, und die Anwesenheit des Greifobjektes ermittelt werden. Die Fig. 2 und 4 erläutern die hierbei bestehenden Kraftverhältnisse. Im Leerlauf, d. h. ohne ein Greifobjekt zwischen den Greiferwirkelementen (5), besteht ein definierter Zusammenhang zwischen dem Spulenstrom I und dem Antriebs­ weg sA. Dieser Zusammenhang wird durch die Steifigkeit des nachgiebigen Mechanismus bestimmt. Dabei gilt die in Fig. 4 mit "Leerlauf" gekenn­ zeichnete Kennlinie. Befindet sich ein Greifobjekt zwischen den Greiferwir­ kelementen (5), wird die Tauchspule vom Beginn der Berührung zwischen Greifobjekt und Greiferwirkelementen (5) an der weiteren Bewegung gehindert. Bei der in Fig. 4 gezeigten Darstellung ist in dann der Punkt sAG, IG erreicht. Aus dem Spulenstrom I, dem Antriebsweg sA, der Diffe­ renz zwischen Antriebsweg sA und Antriebsweg im Leerlauf können unter Berücksichtigung der bekannten Übertragungseigenschaften des Mechanis­ mus (Steifigkeit, Übersetzungsverhältnis) die Größen Greifweg sG, Greif­ kraft FG, und die Anwesenheit des Greifobjektes ermittelt werden.
Bezugszeichenliste
1 Eisenrückschluß
2 Dauermagnete
3 Tauchspule
4 Greifermechanismus mit integrierter Tauchspule
5 Greiferwirkelemente
FA Kraft, welche auf die Tauchspule wirkt
FG Greifkraft
sA Antriebsweg
sAG Antriebsweg bei Berührung des Greifobjektes
sG Greifweg
I Spulenstrom
IG Spulenstrom bei Berührung des Greifobjektes

Claims (5)

1. Mechanischer Greifer, insbesondere zum Greifen kleiner Objekte in der Mikrosystemtechnik, mit einem nachgiebigen Greifermechanismus zur Kraft- und Bewegungsübertragung und elektrodynamischem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Antrieb ebene Spulen aufweist, die in den nachgiebigen Greifermechanismus integriert sind.
2. Mechanischer Greifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrodynamischen Antrieb Dauermagnete angeordnet sind.
3. Mechanischer Greifer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen des elektrodynamischen Antriebs als Glas-Me­ tall-Verbundspulen hergestellt sind.
4. Mechanischer Greifer nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Metall-Verbundspulen und der Greifermechanismus in einem Prozeß hergestellt sind.
5. Mechanischer Greifer nach einem der vorhergehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsystem zur Bestimmung des Antriebsweges in den Greifer integriert ist.
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