DE2627478A1

DE2627478A1 - Einrichtung zum zentrieren eines werkstuecks

Info

Publication number: DE2627478A1
Application number: DE19762627478
Authority: DE
Inventors: John Joseph Erickson; Harold Lester Leland; Einar Skau Mathisen
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1977-01-13
Also published as: US4021711A; GB1493094A; FR2315717A1; FR2315717B1; JPS525077A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Zentrieren eines Werkstücks und insbesondere eine Vorrichtung zum Festlegen einer Nullposition oder Bezugsposition für eine derartige Einrichtung. Bei bekannten Anordnungen dieser Art liegt normalerweise ein Werkstück auf einem in X- und Y-Richtung verfahrbaren Tisch und kann, gesteuert durch eine Steuerschaltung oder eine Datenverarbeitungsanlage, die die notwendigen Befehle und Signale zur Steuerung der Bewegung des Tisches liefert, in eine vorbestimmte Position gebracht werden. Solche Anordnungen haben weit verbreitet Anwendung gefunden, insbesondere in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen oder in Prüfvorrichtungen zum Prüfen eines Werkstückes, In den meisten dieser Systeme wird ein iNiull- oder Bezugspunkt festgelegt. Eine Bewegung des Tisches in bezug auf den Bezugspunkt wird über einen Servomechanismus durchgeführt, der Signale liefert, die anzeigen, wieweit die Augenblicksposition des Tisches noch vom Bezugspunkt oder einem Punkt, an den der Tisch bewegt werden*soll, entfernt ist. Eine solche servogesteuerte Anordnung ist beispielsweise in aer US-Patentschrift 3 209 222 offenbart. Eine andere Einstellvorrichtung

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dieser Art verwendet eine Art von Maßstab oder Gradeinteilung längs der Bewegungsbahn der Einstellvorrichtung mit einem Detektorsystem zum Ablesen des Maßstabes oder der Gradeinteilung, so daß die Position des Werkstücks in bezug auf eine Bezugsposition bekannt ist. Ein solches System ist beispielsweise in eier üS-Patentschrift 3 372 321 offenbart.

Aus dem Stand der Technik sind auch verschiedene Ausführungsformen von elektrooptischen Detektoren oder Abfühleinrichtungen bekannt, die zur Feststellung der verschiedenen, für die Bestimmung der Relativbedingungen zweier unterschiedlicher Gegenstände notwendigen Bedingungen brauchbar sind. Die zuletzt genannte üS-Patentschrift 3 372 321 zeigt beispielsweise die Verwendung von elektrooptischen Vorrichtung zum Lesen der Gradeinteilung auf Skalen, Ein ähnlich aufgebaute elektrooptisch^ Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 3 453 051 offenbart, wo drei photoelektrische Detektoren zum Abfühlen der Gradeinteilung oder Markierungen einer Skala oder eines Maßstabes verwendet werden,

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache billige Abühleinrichtung für die Nullposition für eine Einstellvorrichtung für ein Werkstück zu schaffen mit mindestens einem Freiheitsgrad für eine Linearbewegung, Dabei soll es möglich sein, einen Bezugspunkt sehr genau zu bestimmen, so daß sich das Werkstück programmgesteuert in bezug auf diesen Bezugspunkt dadurch bewegen läßt, daß man die Richtung und das Ausmaß jeder weiteren Bewegung festlegt. Kurz gesagt besteht die Erfindnung bei einer Einstellvorrichtung für ein Werkstück darin, daß mindestens zwei linear zueinander beweglich angeordnete Bauteile verwendet werden. Auf einem der Teile ist eine Blende befestigt und bewegt sich mit diesem Teil, während ein elektrooptischer Detektor auf dem anderen Teil befestigt ist. Der Detektor liefert zwei Lichtstrahlen und die Blende ist dabei so aufgebaut, daß dann, wenn sich die beiden Bauteile in Richtung auf die Nullposition oder Bezugsposition bewegen, einer der Lichtstrahlen allmählich un-

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terbrochen oder vollständig gesperrt wird, während der andere Strahl, der normalerweise gesperrt ist, in seiner Lichtstärke allmählich zunimmt. In den Bahnen der beiden Lichtstrahlen sind zwei Photodetektoren angeordnet, deren Ausgangssignale proporj tional der Intensität der durchgelassenen Lichtstrahlen sind. Wenn die Intensität des Lichts in beiden Strahlen zu- bzw. abnimmt, dann gehen die Ausgangssignale der Photodetektoren durch den gleichen gemeinsamen Punkt und dieser Punkt legt die Nullstellung fest. Eine differentielle Vergleichsschaltung stellt diesen Kreuzungspunkt fest und liefert ein Ausgangssignal, das eine weitere Bewegung verhindert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Äusführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen, ί

In den Zeichnungen zeigt;

! Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs

gemäß aufgebauten Einstellvorrichtung für ein Werkstück;

Fig, 2 eine Draufsicht auf einen Teil der in Fig,

dargestellten Anordnung;

Fig, 3 eine Draufsicht, bei der einige Teile ent

fernt sind, zur Darstellung der Beziehung der Blende und des elektrooptischen Detektors;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht längs der Linie 4-4

in Fig, 3;

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Fig. 5 .schematisch ein Blockschaltbild des elektri

schen Steuersystems;

Fig. 6 schematisch ein Blockschaltbild der Nulldetek-

torschaltungen und

Fig. 7 ein Diagramm der Ausgangssignale der Photo

detektoren zur Anzeige der Nullbezugsposition.

Fig. 1 zeigt eine Einstellvorrichtung 10 mit einem in X- und Y-Richtung verfahrbaren lisch 11, der durch zwei impulsmäßig betätigte ι umsteuerbare Schrittschaltmotoren 12 und 14 in zwei zueinander senkrechten Richtungen antreibbar ist. Diese Einstellvorrichtung soll dabei ein flaches, kreisförmiges Siliciumplättchen 16, wie es beispielsweise zur Herstellung von Halbleiterschaltungen benutzt wird, unter einer feststehenden, mit Faseroptik arbeitenden Prüfsonde 17 in Position bringen. Das Halbleiterplättchen 16 wird dabei durch eine von dem Tisch getragene Haltevorrichtung 18 gehalten. Zwei Abfühlvorrichtungen 20 und 22 sind an dem Tisch befestigt und dienen der Abfühlung, Feststellung oder Bestimmung der KuIl- oder Bezugsposition, wobei diese Vorrichtungen einfach als Nullabfühlung bezeichnet werden. Jede dieser Vorrichtungen wird noch im einzelnen beschrieben.

Der Tisch 11 kann von üblicher Bauart sein. Er besteht aus einer feststehenden Grundplatte 23, einer ersten, in einer ersten Richtung auf der Grundplatte verschiebbaren Vorschubplatte 24 und einer zweiten, auf der ersten Vorschubplatte 24 für eine Bewegung im rechten Winkel zur Bewegung der Vorschubplatte 24 auf der Grundplatte 23 bewegbare zweite Vorschubplatte 25. Die Vorschubplatte 24 soll dabei in Y-Richtung und die Vorschubplatte 25 in X-Richtung bewegbar sein. Bei dieser Festlegung der Richtungen ist der Motor 14 der Y-Motor, der Motor 12 der X-Motor und die Nullabfühlungen 20 und 22 dienen der Nullabfühlung in Y- bzw. X-Richtung.

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Die Plättchenhalterung 18 besteht aus einer Platte 28, die auf aer Oberseite der Vorschubplatte 25 befestigt und das Halbleiterplättchen 16 trägt. Falls erwünscht, kann die Platte 28 eine Anzahl von Bohrungen aufweisen, die bei Anschluß an eina Vakuumquelle das Halbleiterplättchen 16 festhalten. Ein feststehender, aufrechtstehender Stift 30 liegt in einer Einstsllkerbe an der Kante des halbleiterplättchens 16 und hält zusammen mit zwei relativ beweglichen Stiften 32 und 34 das Halbleiterplättchen in seiner richtigen Lage auf aer Halterung Wie aus Fig. 2 zu erkennen, sind die Stifte 32 und 34 auf miteinander in Eingriff befindlichen Zahnrädern 35 bzw. 36 befestigt. Ein unter Federvorspannung stehender Handgriff 38 ist mit dem Zahnrad 36 verbunden und in einer Richtung so vorgespannt, daß sich die Stifte 32 und 34 in Richtung auf den Stift 30 zu bewegen versuchen und damit das Halbleiterplättchen 16 zwischen den Stiften festhalten. Bewegt man den Handgriff 38 in Richtung der in Fig. 2 gezeigten gestrichelten Linie A, dann bewegen sich die Stifte 32 und 34 nach außan, so daß das Halbleiterplättchen entweder aus der Halterung 18 entnommen oder in sie eingesetzt werden kann.

Jeder der üullabfühlungen ist so aufgebaut, wia dies nachfolgend beschrieben wird, Die ii-Nullabfühlung 22 besteht aus einer metallischen, lichtundurchlässigen Blende 40, die auf der Vorschubplatte 25 befestigt ist und sich mit dieser bewegt, sowie einer elektrooptischen Einrichtung 42, die fest mit der Vorschubplatte 24 verbunden ist und sich mit dieser bewagt. Wie aus Fig. 1 und 4 zu erkennen, besteht die elektrooptische Vorrichtung 42 aus einem Gehäuse 44 mit einem darin angebrachten ausreichend hohen und breiten Schlitz 46, so daß die Blende 40, die darin angeordnet ist, sich während der Bewegung des Tisches 11 frei bewegen kann. Ein Paar lichtemittierender Dioden 47 und 48 sind in nach unten offenen Bohrungen im Gehäuse 44 oberhalb der Blende 40 angeordnet, so daß das von den Dioden ausgehende Licht nach unten gerichtet ist. In dem Gehäuse 44 sind unterhalb der Dioden 47 bzw, 48 auf das von den Dioden aus-

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gehende Licht ansprechende Phototransistoren 50 bzw. 52 angeordnet. Wie aus Fig. 3 zu sehen, weist das Gehäuse 44 zwei unmittelbar oberhalb der Phototransistoren 50 bzw. 52 liegende Schlitze 54 bzw. 56 auf, uie als Maskenblende dienen und jeweils nur einen Teil das von den Dioden 47 und 48 ausgehenden Lichts nach aen Phototransistoren durchlassen. Jeder der Schlitze 54 und 56 hat eine Breite, die sich in Richtung der Relativbewegung erstreckt, wobei diese Breite im Vergleich mit der Bewegung, die bei jedem Bewegungsschritt des Tisches 11 erfolgt, relativ groß ist. In der bevorzugten Ausführungsform bewegt sich der Tisch 11 in Schritten von etwa 0,025 mm und die Breite der Schlitze 54 und 56 beträgt etwa 0,5 mm.

Wie am besten aus Fig. 3 zu erkennen, weist die Blende 40 einen Ausschnitt auf₍ der eine erste Kante 58 bildet_f die mit einer Kante 60 einer rechteckigen Öffnung 59 ausgerichtet ist. Die Blende 40 hat also zwei sich in der Bewegungsrichtung erstreckende Spuren A und B, wobei die Spur A eine reelle lichtundurchlässige Spur ist, deren eines Ende durch die Kante 60 begrenzt ist, während die Spur B eine imaginäre Spur ist, die durch die Kante 58 begrenzt ist. Die Kanten 58 und 60 dienen zur Festlegung der Kullposition und die Spuren A und B erstrecken sich in bezug auf diese Nullposition in positiver Richtung. Die Spuren A und B sind mit den Phototransxstoren 52 bzw. 54 ausgerichtet, so daß dann, wenn die Blende 40 in positiver Richtung verschoben ist, die Spur A jedes von der Diode 47 ausgehende Licht absperrt, während die Spur B das von der Diode 48 kommende Licht nach dem Phototransistor 52 durchläßt.

In Fig. 6 sind die lichtemittierende Dioden 47 und 48 über Widerstände 62 und 64 mit einer Spannungsquelle V verbunden, die die Dioden ständig mit Spannung versorgt, so daß die Dioden ständig Licht abgeben. Die Phototransistoren 50 und 52 sind über einen Widerstand 66 bzw. 68 an einer Potentialquelle angeschlossen, so daß durch das von den Dioden 47 und 48 durch die

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Phototransistoren 50 und 52 aufgenommene Licht der Innenwiderstand proportional zur aufgenommenen Lichtmenge schwankt. Die Kollektoren der Transistoren 50 und 52 sind über Leitungen 70 bzw. 71 mit dem Eingang einer üblichen Differential-Vergleicheschaltung 72 verbunden, deren Ausgangssignal anzeigt, daß die Nullposition erreicht ist. Eine mit den Emittern der Transistoren 50 und 52 und Masse verbundene verdrillte Leitung verringert den Störpegel.

Damit die Nullabfühlung wirksam sein kann, muß der Tisch zunächst in positiver Richtung eingestellt und dann in negativer Richtung in die Nullposition bewegt werden. Vor Erreichen der Nullposition ist die Blende 40 wirksam und sperrt das auf den Transistor 50 gerichtete Licht_f während das Licht den Transistor 52 erreichen kann. Daher ist der Widerstand des Transistors 50 relativ klein, während der Widerstand des Transistors 52 relativ hoch ist, so daß eine Ausgangsspannung entsteht, wie sie bei 70 in Fig. 7 links oben dargestellt ist. Wird der Tisch schrittweise in negativer Richtung bewegt und nähert sich der Wullposition, dann bewegt sich die Kante 58 über den Schlitz 54, so daß das den Phototransistor 50 erreichende Licht immer weniger wird. Gleichzeitig bewegt sich die Kante 60 über den Schlitz 56 und läßt das den Phototransistor 52 erreichende Licht schrittweise anwachsen. Die sich ergebenden schrittweisen Änderungen der Ausgangssignale der Phototransistoren 50 und 52 ergeben ein schrittweises Abnehmen oder Zunehmen der Ausgangsspannungen f wie in Fig, 7 gezeigt, bis ein Punkt erreicht ist_f wo die beiden Spannungen gleich sind. An diesem Punkt schaltet die Spannungsvergleichsschaltung 72 um und liefert eine Spannung, die das Erreichen der Nullposition anzeigt. Eine weitere schrittweise Bewegung in X-Richtung wird, wie noch beschrieben, verhindert, so daß die gestrichelt angezeigten Spannungen auf der rechten Seite der Fig. 7 diejenigen Spannungen wären, die auftreten würden, wenn eine weitere Bewegung nicht verhindert würde. Die Wirkung ist dabei die, daß mit einer Schlitzbreite von 0,5 mm und Bewegungsschritten von 0,025 mm die Empfindlich-

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keit aer Spannungsvergleichsschaltung so hoch ist, daß die Spannungsgleichheit mit einer Genauigkeit von + oder -0,025 mm feststellbar ist. Die bisher gegebene Beschreibung bezog sich auf die X-lMullabfühlung, doch ist die Y-Nullabfühlung 20 nahezu identisch aufgebaut und arbeitet in gleichartiger Weise und enthält ebenfalls eine Blende 40 in einem elektrooptischen Gehäuse 42¹. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Kullabfühlungen besteht in der Form der unteren Teils des Gehäuses 42", wie dieses an der Grundplatte 23 befestigt ist.

Man sieht, daß die Nullabfühlungen 20 und 22 auf dem in X- und Y-Richtung verfahrbaren Tisch 10 angeordnet sind und an einer solchen Stelle einen Nullbezugspunkt liefern, bei dem alle Punkte des Plättchens 16 im positiven Bereich liegen. 2ur Verhinderung einer Beschädigung des Tisches sollten Grenzwertschalter vorgesehen sein. Man würde dabei zwei Grenzwertschalter in Minusrichtung anbringen, die jedoch nur dann ansprechen würden, wenn durch ein fehlerhaftes Arbeiten die Bewegung des Tisches nicht angehalten würde, wenn er in die Nullposition einläuft.

Gemäß Fig, 5 soll die Einstellvorrichtung gemäß der Erfindung unter einer Art Programmsteuerung von einer üblichen Steuerschaltung oder einer Datenverarbeitungsanlage aus gesteuert werden. Diese Steuerschaltung würde die verschiedenen Befehle für den Betrieb der Einstellvorrichtung liefern und würde die Daten bereitstellen, wie weit und in welcher Richtung das Werkstück bewegt werden soll. Zu diesem Zweck ist ein Befehlsregister 74 eingangsseitig angeschlossen und nimmt die von einer Steuerschaltung ankommenden codierten Befehle auf. Diese Befehle für den Betrieb der Einstellvorrichtung sind dabei einfache Befehle für die Bewegung des Werkstückes in positiver und negativer X-Richtung, in positiver und negativer Y-Richtung und ein Startbefehl GO zum Einleiten der Bewegung. Mit fünf solchen Befehlen weist das Befehlsregister drei Ausgangsleitungen auf, die am Eingang eines Decodierers 76 angeschlossen sind, dessen fünf Ausgangsleitungen zur Einstellung von fünf Verriegelungsschal-

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tungen 78 gemäß einem bestimmten Befehl dienen. Ein Schrittzähler ÖO nimmt ebenfalls ein Eingangssignal von der Steuerschaltung auf, welches angibt, wie weit der Tisch 10 schrittweise fortgeschaltet werden soll, d.h., um wieviele 0,025 mm große Schritte das Werkstück bewegt werden soll. Im Betrieb würde die Steuerschaltung zunächst an das Register 54 ainen Befehl und an den Zähler bO Daten abgeben, die angeben, wie weit aer Tisch bewegt werden soll. Anschließend wird zum Einleiten eier tatsächlichen Bewegung durch die Steuerschaltung ein Startbefehl abgegeben. Die Bewegung erfolgt dabei taktgesteuert. Für jeden Taktimpuls wird ein Bewegungsschritt erzeugt und der Zähler 80 um eine Stufe zurückgeschaltet. An dem Zähler 80 ist ein Wulldetektor Ö2 angeschlossen, der dann ein Ausgangssignal ZIiLR = 0 liefert, wenn der Zähler seine Nullstellung erreicht hat und dieses Signal dient dann zum Rückstellen der Verriegelungsschaltungen 78. Der l\ulldetektor kann außerdem ein Signal abgeben, wenn der Zähler seine Nullstellung noch nicht erreicht hat, was als Belegtanzeige für die Synchronisierung der Einstellvorrichtung mit der Steuerschaltung benutzt werden kann.

X- und y-Motorsteuerungen 83 und 84 sind angeschlossen und liefern die tatsächlichen Betriebssignale für die fcotoren 12 und 14, Diese Motorsteuerungsn sind von üblicher Bauart und entsprechen den bedingungen der Motoren. Die Eingangssignale für die MotorSteuerschaltungen würden dabei angeben, in welcher Richtung axe Bewegung erfolgen soll, so wie aus einem Taktsignal unu einem Startsignal zum Einleiten der tatsächlichen Bewegung,

Ein UND-Glied 86 steuert die Arbeitsweise der Motorsteuerung ö3 und damit die Bewegung aes Tisches in X-Richtung dadurch, daß das von den Verriegelungsschaltungen 78 kommende Startsignal durchgelassen wird, wenn der Tisch in positiver Richtung von der Nullposition liegt, während das Startsignal dann nicht durchgelssen wird, wenn das Singal X=O aufgenommen wird. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal der Nullabfühlung 22, die

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das Signal X=O liefert, einem UND-Glied 90 zugeleitet, an dem ein weiteres Eingangssignal liegt, das eine Bewegung in negativer Richtung anzeigt. D.h., daß das UND-Glied 90 und die X-NuIl-Äbfühlung 22 nur dann arbeiten, wenn sich der Tisch in negativer Richtung bewegt. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 90 wird einer Inverterstufe 88 zugeleitet, deren Ausgang mit dem Eingang des UND-Gliedes 86 verbunden ist. In gleicher Weise wird die Arbeitsweise der Motorsteuerung 84 durch ein UND-Glied 92 gesteuert, das als Eingangssignale ein von den Verriegelungsschaltungen 78 kommendes Startsignal und ein von der Inverterstufe 94, aie über ein UND-Glied 95 angesteuert wird, geliefertes invertiertes Signal betätigt wird. Ein Arbeiten wird dann verhindert, wenn die Bewegung des Tisches in negativer Y-Richtung erfolgt und das Signal Y=O erzeugt wird.

Für aen Gesamtbetrieb des Systems wird der Tisch zunächst in eine positive Richtung gebracht. Dann wird er soweit in negativer Richtung verschoben, bis sichergestellt ist, daß die NuIlabfühlungen betätigt sind. Wenn einmal die Nullposition festgelegt ist, können durch die Steuerschaltung weitere Befehle abgegeben werden, wodurch die Einstellvorrichtung das Halbleiterplättchen in jeder vorprogrammierten gewünschten Weise bewegt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Einrichtung zum Zentrieren eines Werkstückes mit einem mit einer Halterung für das Werkstück versehenen, schrittweise motorgetrieben und in X- und Y-Richtung verfahrbaren Arbeitstisch und Abfühlraitteln für die Nullposition in X- und Y-Richtung,

dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für die X- und Y-Richtung eine Nullabfühlung (20, 22) mit Lichtquellen (47, 48) und jeweils zwei Fototransistoren (50, 52) sowie eine zwischen den Lichtquellen und den Fototransistoren angeordneten Blende (40) mit Bezugskanten (58, 60) derart vorgesehen sind,

daß die Blende (40) bei Annäherung an die jeweilige NuIlposition zunehmend mehr Licht nach dem einen Fototransistor und gleichzeitig abnehmend weniger Licht nach dem anderen Fototransistor durchläßt, so daß die Ausgangssignale der Fototransistoren stufenweise ab- bzw, zunehmen und

daß eine Steuerschaltung (Fig* 6) an den Fototransistoren angeschlossen ist, die bei Erreichen der Nullposition den Motorantrieb (12, 14) für die betreffende Bewegungsrichtung sperrt,

2, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrwirkung der Steuerschaltung nur bei einer ReIativbewegung in einer Richtung auftritt,

3, Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (44) der Nullabfühlungen (20, 22) zwei unmittelbar oberhalb der Fototransistoren (50, 52) liegende Schlitze (54, 56) vorgesehen sind, die jeweils nur einen Teil des von den Lichtquellen (47, 48) ausgehenden Lichtes durchlassen und daß die Blende (40) eine rechteckige öffnung (59) mit der Bezugskante (60) und einen dagegen versetzten Ausschnitt mit der Bezugskante (58) aufweist,

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