DE3618391A1 - Bestueckungseinrichtung mit einem feinpositioniermodul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bestückungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Bestückungseinrichtungen werden in der Regel in Verbindung mit einem freiprogrammierbaren Industrierobo­ ter, aber auch mit anderen Positioniersystemen verwendet. Der Greifer der Bestückungseinrichtung ist beispielsweise an einem Roboterarm angebracht und wird von diesem posi­ tioniert.

Aufgrund von Fertigungs- und/oder Positioniertoleranzen der Leiterplatte sowie von systemimmanenten Positionier­ fehlern des Positioniersystems weichen die Soll-Koordina­ ten für das zu positionierende Bauelement häufig von den Ist-Koordinaten der Leiterplattenbohrungen ab.

Die Unterschiede zwischen Soll- und Ist-Position können dabei so groß sein, daß sie nicht mehr durch eine schwimmende Lagerung des Greifers ausgeglichen werden können. Deshalb ist in der Vergangenheit versucht worden, durch entsprechende Programmierung des Industrieroboters zu erreichen, daß dieser die Abweichungen erkennt und entsprechend die Soll-Position variiert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese bisher ergriffenen Maßnahmen nicht nur den Programmierauf­ wand für den Industrieroboter erhöhen, sondern auch die Ablaufgeschwindigkeit des Programms wesentlich herabset­ zen. Darüber hinaus hat sich in der Praxis herausgestellt, daß derartige flexible Reaktionen des Industrieroboters zu einer Verschlechterung der Wiederholgenauigkeit der Posi­ tionierung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Bestüc­ kungseinrichtung mit einem programmierbaren Positionier­ system für einen Greifer gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 anzugeben, bei der auch größere Unterschiede zwischen Soll- und Ist-Position der Leiterplattenbohrungen ausgeglichen werden können, ohne daß die Bestückungsge­ schwindigkeit wesentlich reduziert wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß eine kostengünstige Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe dadurch möglich wird, daß zwischen dem program­ mierbaren Positioniersystem, also beispielsweise einem Industrieroboter, und dem Greifer für das zu fügende Bauelement ein zusätzliches Feinpositioniermodul vorgese­ hen ist. Dieses Feinpositioniermodul ist mit einem Sensor ausgerüstet, der Positionsdifferenzen zwischen dem zu fügenden Bauelement und der Leiterplatte, also Positions­ differenzen zwischen der Ist-Position und der Soll-Posi­ tion erfaßt, die sich beispielsweise aufgrund von Ferti­ gungs- und/oder Positioniertoleranzen der Leiterplatte, aber auch aufgrund von Positioniertoleranzen des program­ mierbaren Positioniersystems ergeben. Das Sensor-Ausgangs­ signal liegt an einer Steuereinheit an, die das Feinposi­ tioniermodul derart mit elektrischen Signalen beauf­ schlagt, daß die Ist-Position des zu fügenden Bauelements mit den Leiterplattenbohrungen in Übereinstimmung gebracht wird, so daß der Industrieroboter durch eine entsprechende Bewegung den Fügevorgang vornehmen kann.

Dabei hat es sich herausgestellt, daß der zusätzliche Aufwand für ein Feinpositioniermodul durch den Gewinn an Arbeitsgeschwindigkeit beim Fügevorgang und den verringer­ ten Programmieraufwand für den Industrieroboter mehr als ausgeglichen wird. Die erfindungsgemäße Lösung ist darü­ ber hinaus wesentlich genauer als eine Bestückungseinrich­ tung, bei der auch die Feinpositionierung beispielsweise mittels eines Industrieroboters folgt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Prinzipiell ist es möglich, beliebige Feinpositioniermodu­ le zu verwenden, solange sie eine Verschiebung und Drehung aufgrund einer beispielsweise hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Ansteuerung vornehmen können.

Eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Feinpositioniermoduls ist jedoch in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Das in den Ansprüchen 2 bis 5 beanspruchte erfindungsge­ mäße Feinpositioniermodul weist zwei um 90° versetzte Parallelkurbelgetriebe auf. Derartige Parallelkurbelge­ triebe haben den Vorteil, daß sie nicht nur in einfacher Weise elektrisch ansteuerbar sind, sondern auch den weite­ ren Vorteil, daß sie verhältnismäßig robust aufgebaut und weitgehend spielfrei sind.

Die einzelnen Parallelkurbelgetriebe können in nahezu beliebiger Weise angetrieben werden, besonders einfach ist jedoch der in Anspruch 3 gekennzeichnete Antrieb, da Piezo-Translatoren in nahezu beliebiger Ausführung kosten­ günstig als Großserienprodukte zur Verfügung stehen.

Die in Anspruch 4 gekennzeichnete Anordnung des Piezo­ Translators führt zu einer spielfreien Positionierung. Darüber hinaus ist leicht eine Null-Lage definierbar, so daß sich eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit ergibt.

Die im Anspruch 5 gekennzeichnete Ausbildung führt zu einem mechanisch einfachen Aufbau der beiden um 90° ver­ setzten Parallelkurbelgetriebe.

Auch zur Durchführung der Drehung des Feinpositioniermo­ duls um eine zur Greiferebene senkrechte Achse ist es bevorzugt, gemäß Anspruch 6 einen Piezo-Translator zu verwenden, der beispielsweise am Gestell des ersten Paral­ lelkurbelgetriebes (Anspruch 7) abgestützt ist. Daneben ist es natürlich auch möglich, andere Mittel, beispiels­ weise Elektromagnete zu verwenden, die eine entsprechende Drehung erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher beschrieben.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Feinpositioniermodul ist zwischen einem programmierbaren Positioniersystem, bei­ spielsweise einem Industrieroboter und dem eigentlichen Greifer vorgesehen. Von dem programmierbaren Positionier­ system und dem Greifer sind in der Zeichnung nur der Roboterflansch 1 bzw. der Greiferflansch 2 dargestellt.

Im folgenden soll ein erfindungsgemäßer Aufbau des Feinpo­ sitioniermoduls erläutert werden. Das erfindungsgemäße Feinpositioniermodul weist zwei um 90° versetzte Parallel­ kurbelgetriebe auf. Jedes Parallelkurbelgetriebe besteht aus zwei Kurbeln 31 bzw. 32, einer Koppel 41 bzw. 42 und einem Gestell 51 bzw. 52. Die Koppel 41 des ersten Paral­ lelkurbelgetriebes ist einstückig mit dem Gestell 52 des zweiten Getriebes ausgeführt, während die Koppel 42 des zweiten Gestells einstückig mit dem Greiferflansch 2 ausgebildet ist. Ferner ist eine Deckplatte 6 für das erste Parallelkurbelgetriebe vorgesehen. Die einzelnen Teile sind in der in der Zeichnung dargestellten Weise miteinander verbunden, wobei ausdrücklich auf die zeichne­ rische Darstellung zur Erläuterung Bezug genommen wird. Die verschiedenen Schraubenlöcher sind zum Teil zur Erläu­ terung der einzelnen Verbindungen mit strichpunktierten Linien verbunden.

In das Gestell 51 des ersten Parallelkurbelgetriebes ist ein Drehzapfen 7 eingesetzt, der mit dem Roboterflansch 1 fest verbunden ist, und um den die beiden Parallelkurbel­ getriebe drehbar sind. An dem Drehzapfen greifen - wie die teilweise aufgebrochene Darstellung des ersten Parallel­ kurbelgetriebes zeigt, ein Piezo-Translator 8 und eine Druckfeder 9 an, so daß das Feinpositioniermodul durch entsprechende Beaufschlagung des Piezo-Translators um den Drehzapfen 7, d.h. um die z-Achse gedreht werden kann.

Ferner ist jeweils eine Kurbel 31 bzw. 32 der beiden Parallelkurbelgetriebe zwischen einen weiteren Piezo- Translator 101 bzw. 102 und eine Druckfeder 11 (in der Figur ist nur die Druckfeder des ersten Parallelkurbelge­ triebes zu sehen) eingespannt. Durch entsprechende Beauf­ schlagung der beiden Piezo-Translatoren 101 bzw. 102 werden die Kurbeln der beiden Parallelkurbelgetriebe angetrieben, wodurch der Greiferflansch 2 in x- bzw. y- Richtung relativ zum Roboterflansch 1 verschoben wird.

Im folgenden soll die Funktionsweise des vorstehend be­ schriebenen, erfindungsgemäß vorgesehenen und erfindungs­ gemäß ausgebildeten Feinpositioniermoduls erläutert wer­ den:

Der Roboter bringt das im Greifersystem befindliche Bau­ element in Fügeposition über der Leiterplatte. In dieser Stellung wird die tatsächliche Lage der Bauelementan­ schlüsse durch einen (nicht dargestellten) Sensor erfaßt und von der Steuereinheit mit der Position der zu treffen­ den Bohrungen der Leiterplatte verglichen.

Bis zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Feinpositionier­ modul im unausgelenktem Zustand, d.h. an den Piezo-Trans­ latoren liegt gerade soviel Spannung an, daß sich das Greifersystem in O-Position gegenüber der Fügeachse des Roboters befindet.

Weichen die beiden Positionen voneinander ab, wird die an den verschiedenen Piezo-Translatoren anliegende Spannung von der ebenfalls nicht dargestellten Stuereinheit solange erhöht oder verringert, bis die Positionen der Leiterplat­ tenbohrungen und der Bauelementanschlüsse übereinstimmen.

Die Drehbewegung wird hervorgerufen durch den Piezo- Translator 8, der exzentrisch gegen den Drehzapfen 7 drückt und somit ein Drehmoment erzeugt, das dem durch die Druckfeder 9 erzeugten Drehmoment entgegenwirkt.

Die translatorische Bewegung in X- und Y-Richtung wird durch die im jeweiligen Gestell der Parallelkurbelgetriebe integrierten Piezo-Translatoren 101 und 102 erzeugt, die jeweils eine Kurbel 31 bzw. 32, die durch eine Druckfeder 11 am Gestell 51 bzw. 52 abgestützt ist, antreiben. Die Überlagerung der beiden Koppelkurven der Parallelkurbelge­ triebe ergibt die translatorische Positionsänderung des gesamten Greifersystems mit dem Bauelement. Sobald die Positionen der Bauelementanschlüsse und der Leiterplatten­ bohrungen übereinstimmen kann der Roboter das Bauelement in Z-Richtung in die Leiterplatte einfügen.

Bevor das nächste Bauelement mit dem Greifer aufgenommen wird, muß das Feinpositioniermodul wieder in den unausge­ lenkten Zustand zurückversetzt werden.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben worden. Innerhalb des allgemeinen Erfindungsgedankens, zum Ausgleich von Toleranzen zusätz­ lich ein Feinpositioniermodul vorzusehen, sind selbstver­ ständlich die verschiedensten Abwandlungen möglich.

Beispielsweise können die Piezo-Translatoren durch andere Translatoren ersetzt werden, die beispielsweise auf dem magnetorestriktiven Prinzip beruhen. Auch kann die Drehung des Systems um eine zur Greiferebene senkrechte Achse durch andere Maßnahmen, beispielsweise entsprechende Magnete, bewerkstelligt werden.

Der Sensor und die Steuereinheit können mit den bei der Positionserfassung bzw. Regelvorgängen üblichen Mitteln realisiert werden. Auch ist es möglich, die Steuereinheit für das Feinpositoniermodul in die allgemeine Steuerein­ heit für den Bestückungsvorgang zu integrieren.

In jedem Falle hat jedoch das erfindungsgemäße vorgesehene Feinpositioniermodul den Vorteil, daß eine schnelle Anpas­ sung der Soll-Position des Greifers an die Ist-Position der Leiterplattenbohrungen möglich ist, ohne daß in das Ablaufprogramm des Industrieroboter eingegriffen werden müßte oder dessen Wiederholgenauigkeit beeinträchtigt werden würde. Auch ist das erfindungsgemäße Feinpositio­ niermodul auch für andere Vorgänge als Bestückungsvorgänge in Verbindung mit Positionierungen verwendbar.

Claims (7)

1. Bestückungseinrichtung mit einem programmgesteurten Positioniersystem für einen Greifer, der das fügende Bauelement hält und in eine Leiterplatte einsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Positioniersystem und dem Greifer ein Feinpositioniermodul vorgesehen ist, das den Greifer um eine zur Greiferebene senkrechte Achse drehen und in der Greiferebene verschieben kann,
daß ein Sensor Positionsdifferenzen zwischen dem zu fügen­ den Bauelement und der Leiterplatte erfaßt, und
daß eine Steuereinheit an das Feinpositioniermodul ent­ sprechend den Ausgangssignalen des Sensors Steuersignale anlegt, durch die eine Verschiebung bzw. Drehung des Greifers relativ zum Positioniersystem erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feinpositioniermodul zur Verschiebung des Greifers in einer Ebene parallel zur Greiferebene zwei um 90° versetzte Parallelkurbelgetriebe aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Piezo-Translator ein Parallelkurbelgetriebe antreibt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurbel (31, 32) des Paral­ lelkurbelgetriebes zwischen einem Piezo-Translator (101, 102) und einer Druckfeder (11) eingespannt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppel (41) des ersten Parallelkurbelgetriebes einstückig mit dem Gestell (52) des zweiten Parallelkurbelgetriebes und die Koppel (42) des zweiten Parallelkurbelgetriebes einstückig mit dem Greiferflansch (2) verbunden ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Feinpositio­ niermoduls um eine zur Greiferebene senkrechte Achse (z) durch einen Piezo-Translator (8) erfolgt, der exzentrisch an einem Drehzapfen (7) angreift.

7. Einrichtung nach Anspruch 6 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der exzentrisch am Dreh­ zapfen (7) angreifende Piezo-Translator (8) am Gestell (51) des ersten Parallelkurbelgetriebes abstützt.