DE3643252C2 - Bestückungsautomat mit sensorgestützter Lagekorrekturvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestückungsmaschine zum automatischen Bestücken einer Schaltungsplatine mit Bauelementen, mit

• - einem Bestückungskopf und
• - einer programmierbaren Steuerung zur Erzeugung von Positionie­ rungsdaten für die Positionierung eines Bestückungskopfes ge­ genüber der Schaltungsplatine.

Eine solche Bestückungsmaschine wird beispielsweise in der Zeitschrift "Elektronik", Heft 23 vom 18. November 1983, Seiten 91 ff. beschrieben. Diese bekannte Bestückungsmaschine wird von NC-Pro­ grammen gesteuert, die Positionierdaten für den Bestückungskopf ent­ halten und im allgemeinen automatisch aus den mittels einer CAD-Ein­ richtung erstellten Layout-Daten einer Schaltungsplatine abgeleitet worden sind.

In der WO 84/03602 ist eine weitere Bestückungsmaschine mit einem Bestückungskopf und einer Steuerung zur Erzeugung der Positionie­ rungsdaten beschrieben, bei welcher eine Bauelementebestückungsposi­ tion berührungslos abgetastet und anschließend die Positionierkoor­ dinaten korrigiert werden.

Entsprechendes ist beispielsweise auch der Zeitschrift "productro­ nic", Heft 11 aus dem Jahr 1985, Seite 104, im Aufsatz "Automatische SMD-Bestückung: Auch für kleine und mittlere Losgrößen" von Rainer Rohm zu entnehmen.

Aus der DE-33 40 084 C2 ist eine Vorrichtung zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück bekannt, bei der die aufgrund einer nicht genauen Erfassung der Bauelemente variierende Bauelementelage abgetastet und eine Korrektur bei der Positionierung vorgenommen wird.

Aus der US 4 399 988 ist eine Bestückungsmaschine bekannt, bei der ein zu bestückendes Loch in der Schaltungsplatine von einem kegel­ förmigen Stift abgetastet und die Schaltungsplatine zugleich von diesem Stift zurechtgeschoben und in der richtigen Position zur Be­ stückung mittels Elektromagneten fixiert wird.

Die bekannten Bestückungsmaschinen haben den Nachteil, daß ihre Be­ stückungsgeschwindigkeit und Bestückungsdichte begrenzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Bestückungsmaschine der ein­ gangs genannten Art eine hohe Bestückungsgeschwindigkeit und gleichzeitig eine hohe Bestückungsgenauigkeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei der Bestückungsmaschine der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß der Bestückungskopf folgende Komponenten aufweist:

• - eine Halteeinrichtung für ein einzusetzendes Bauelement, die mittels einer intermittierend angetriebenen Welle nacheinander in Winkelpositionen positionierbar ist,
• - eine Bestückungsposition-Abtasteinrichtung, die in einer star­ ren Lage und einem starren Winkel zur Halteeinrichtung auf der gleichen Welle angeordnet ist und
• - eine Bauelementeposition-Abtasteinrichtung, die einer bestimm­ ten Winkelposition der Halteeinrichtung fest zugeordnet ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Bestückungsmaschine ist es nun mög­ lich, sowohl die mit dem Bauelement zu bestückende Position auf der Schaltungsplatine als auch die Position des von der Halteeinrichtung aufgenommenen Bauelementes an der Halteeinrichtung des Bestückungs­ kopfes abzutasten, wozu erfindungsgemäß eine Bestückungsposition- Abtasteinrichtung und eine Bauelementposition-Abtasteinrichtung vor­ gesehen sind, um dann aufgrund der entsprechend gewonnenen Abtast­ daten mit Hilfe der Steuerung eine Feinpositionierung des Bestückungskopfes relativ zur Schaltungsplatine vornehmen zu können. Dadurch kann die mögliche Lage des einzusetzenden Bauelementes opti­ mal bestimmt und die Schaltungsplatine mit den vom Bestückungskopf aufgenommenen Bauteilen unter hoher Geschwindigkeit bestückt werden, wobei es möglich ist, auch bei Maß- und Positionstoleranzen der Bau­ elemente eine optimale Packungsdichte zu erhalten. Gerade zur Bestückung von SMD-Bauelementen läßt sich die erfindungsgemäße Be­ stückungsmaschine mit Erfolg einsetzen, weil bei diesen Bauelementen deren Lage nicht durch Bohrungen in der Schaltungsplatine endgültig festgelegt ist.

Die Erhöhung der Bestückungsgeschwindigkeit resultiert erfindungs­ gemäß daraus, daß die Bestückungsposition-Abtasteinrichtung in einer starren Lage und einem starren Winkel zur Haltevorrichtung auf der gleichen Welle am Bestückungskopf angeordnet und die Bauelementepo­ sition-Abtasteinrichtung einer bestimmten Winkelposition der Halte­ vorrichtung fest zugeordnet ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß zusätzliche Arbeitsschritte - insbesondere eine Veränderung der Lage des Bestückungskopfes - zum Abtasten der Bestückungsposition auf der Schaltungsplatine und der Bauelementepo­ sition an der Haltevorrichtung nicht notwendig sind. Vielmehr braucht der Bestückungskopf in seiner - von der Steuerung zumindest grob voreingestellten - Lage während der genannten Abtastungen nicht verändert zu werden, da die Abtastungen während der Rotation der Welle durchgeführt werden, während derer das Bauelement von der Hal­ teeinrichtung aufgenommen, zur Bestückungsposition transportiert und dort auf der Platine abgesetzt wird. Da die Bestückungsposition-Ab­ tasteinrichtung erfindungsgemäß drehfest an der Welle angeordnet ist, wird sie während der Rotation der Welle über die Bestückungs­ position geführt, um dort die Bestückungsposition genau abtasten zu können; hierzu wird die intermittierend angetriebene Welle im Regel­ fall kurzzeitig angehalten. Demgegenüber ist erfindungsgemäß die Bauelementeposition-Abtasteinrichtung gegenüber der Welle stationär angeordnet, und zwar in einer solchen Winkelposition, daß das von der Halteeinrichtung zuvor aufgenommene und gehaltene Bauelement an der Bauelementeposition-Abtasteinrichtung vorbeigeführt wird, damit diese die Position des Bauelementes an der Halteeinrichtung abtasten kann; hierzu wird im Regelfall die Welle ebenfalls kurzzeitig ange­ halten.

Nach alledem wird mit Hilfe der Erfindung die Bestückungsge­ schwindigkeit und die Bestückungsdichte erhöht, wobei sich als zu­ sätzlicher Vorteil eine konstruktive Vereinfachung der Bestückungs­ maschine ergibt.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Steuersystems gemäß einer Ausführungsform eines Bestückungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht einer schematischen Darstellung einer Bestückungseinheit;

Fig. 3 eine Draufsicht in schematischer Darstellung auf einen Bestückungskopf; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bestückungssystems für Bauelemente.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Steuersystems, das in Verbindung mit einem Bestückungssystem gemäß der Erfindung angewandt werden kann. Das Steuersystem enthält eine CAD-Einrichtung 10, die die Schaltung bildenden Be­ dingungen auf der Basis eines vorbestimmten Schaltungs- Layoutes festlegt, das eingegeben wird, um Bauelemente- Bestückungsdaten zum automatischen Einstellen der Bestückungs­ position und der Bestückungslage eines Bauelementes auf einem Substrat, wie einer gedruckten Schaltungsplatine, zu erzeugen. Solche Bedingungen können z. B. bestehen aus einer Fläche der Schaltungsplatine, Arten der Bauelemente, Anzahl der Bauelemente usw.

Die CAD-Einrichtung 10 ist mit einer programmierbaren Steuerung 12 elektrisch verbunden, so daß die Bauelemente-Bestückungs­ daten von der CAD-Einrichtung 10 der Steuerung 12 zugeleitet werden können. Diese Daten bestehen z. B. aus der Bestückungsposition eines Bauelementes, angegeben durch die dazugehörigen X- und Y-Koordinaten, aus der Be­ stückungslage eines Bauelementes, angegeben durch einen Rotationswinkel θ, aus der Form und den Abmaßen eines Bauelementes usw. Der Rotationswinkel θ kann als Rotations­ winkel gegenüber einer Referenzlage angegeben werden, z. B. einem Bauelement, das auf der Schaltungsplatine parallel zu einer Längsseite der Schaltungsplatine ange­ ordnet ist. Die Steuerung 12 empfängt von der CAD-Einrichtung 10 die oben erwähnten Daten und erzeugt, entsprechend der Bestückungsreihenfolge der Bauelemente, die Positionsdaten, wie z. B. die X- und Y-Koordinatenwerte jeder Bestückungsposition eines Bauelementes sowie den Wert des Rotationswinkels eines solchen Bauelementes usw.

Die Steuerung 12 ist an eine Arbeitsfolgesteuerung 14 angeschlossen, die dazu dient, die Arbeitsfolge eines Antriebsmechanismus 16 zu steuern, der einer Bestückungs­ einheit 18 (Fig. 2), einem Bestückungskopf 20 (Fig. 3) oder dergleichen zugeordnet ist. Auf diese Weise können die von der Steuerung 12 erzeugten Positionsdaten der Arbeitsfolgesteuerung 14 zugeleitet werden. Der Antriebs­ mechanismus 16 kann aus einem Zylinder, einer Rotations­ welle oder dergleichen bestehen. Die Steuerung 12 ist darüber hinaus mit einer Positionskorrekturschaltung 22 verbunden, die wiederum an einen X-Richtungs-Antriebs­ steuerungsabschnitt 24, einen Y-Richtungs-Antriebssteuerungs­ abschnitt 26 und an einen θ-Winkel-Antriebssteuerungsab­ schnitt 28 angeschlossen ist. Diese Antriebssteuerungsab­ schnitte sind in der Bestückungseinheit 18 vorgesehen und dienen dazu, die Motoren M1, M2 und M3 zum Antrieb einer X-Richtungs-Antriebswelle, einer Y-Richtungs-Antriebs­ welle und einer θ-Winkel-Antriebswelle anzusteuern. Die von der Steuerung 12 erzeugten Daten werden also über die Positionskorrekurschaltung 22 den Antriebs­ steuerungsabschnitten 24, 26 und 28 zugeleitet.

Die Steuervorrichtung nach Fig. 1 enthält darüber hinaus eine Bestückungsposition-Abtasteinrichtung, die mit der Positionskorrekturschaltung 22 verbunden ist. Im darge­ gestellten Ausführungsbeispiel enthält die Bestückungspositions- Abtasteinrichtung einen Datenprozessor 30, der an die Positions­ korrekturschaltung 22 angeschlossen ist, sowie einen op­ tischen Sensor 32, der mit dem Datenprozessor 30 verbunden ist. Der optische Sensor 32 dient dazu, eine Position auf einer gedruckten Schaltungsplatine zu erkennen. Der Daten­ prozessor 30 ist dazu ausgebildet, unter Verwertung der durch den Sensor 32 gelesenen Daten zu erkennen, ob ein Substrat oder eine Schaltungsplatine an einer Bestückungs­ position vorhanden ist und einen Platz bzw. genügend Fläche aufweist, damit ein Bauelement eingesetzt werden kann. Diese Entscheidung kann durch eine Bildverarbeitung der entsprechenden Daten oder dergleichen erfolgen. Das Ergebnis dieser Entscheidung wird der Positionskorrekturschaltung 22 zugeleitet.

Die Steuervorrichtung nach Fig. 1 enthält darüber hinaus eine Bauelemente-Abtasteinrichtung, die ebenfalls an die Positionskorrekturschaltung 22 angeschlossen ist und im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Datenprozessor 34 aufweist, der an die Positionskorrekturschaltung 22 und an einen optischen Sensor 36 angeschlossen ist. Der optische Sensor 36 dient dazu, ein Bauelement zu erkennen, das durch Saugkraft von dem Bestückungskopf 20 gehalten wird. Der Datenprozessor 34 ist dazu ausge­ bildet, eine Verarbeitung der Daten durchzuführen, die durch den Sensor 36 gelesen werden, wobei die Verarbeitung durch Bildverarbeitung oder dergleichen erfolgt. Ein Ausgangssignal des Datenprozessors wird dann der Positions­ korrekturschaltung 22 zugeleitet.

Die Positionskorrekturschaltung 22 dient dazu, zu ent­ scheiden, ob eine Notwendigkeit zur Korrektur der Positions­ daten besteht, die ihr von der Steuerung 12 zuge­ leitet werden, und zwar abhängig von den Daten, die von der Bestückungsposition-Abtasteinrichtung und der Bauelemente- Abtasteinrichtung kommen. Ist eine Korrektur notwendig, so werden die Positionsdaten korrigiert und auf zumindest einen der Antriebssteuerabschnitte 24 (X-Richtung), 26 (Y-Richtung) und 28 (θ-Winkel) gegeben.

Weiterhin ist in Fig. 1 ein Steuerpult 38 zum Betätigen der Steuerung 12 vorgesehen.

Die Bestückungseinheit 18, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält einen X-Y-Tisch, der auf einem Gestell 40 gelagert ist und einen X-Richtungs-Antriebsabschnitt 42 und einen Y-Richtungs-Antriebsabschnitt 44 aufweist sowie einen Bestückungskopf 20, der auf dem X-Y-Tisch montiert ist. Neben der Bestückungseinheit 18 ist ein Bauelemente-Zuführ­ abschnitt 46 vorgesehen, der aus einer Teilezuführeinrichtung, einer Bandzuführungseinrichtung, einem Magazin oder dergleichen besteht. Außerdem ist entlang dem Gestell 40 der Bestückungseinheit 18 ein Substrat-Trägerabschnitt 48 vorgesehen, der dazu dient, Schaltungsplatinen P der Reihe nach an die Bestückungseinheit 18 heranzuführen und dort an einer Stelle zu positionieren, an der das einzusetzende Bauelement angebracht werden soll.

Der Bestückungskopf 20 nach dem vorliegenden Ausführungs­ beispiel ist derart ausgebildet, daß er sowohl die Position eines Bauelementes als auch einer Schaltungsplatine er­ kennen kann. Insbesondere enthält der Bestückungskopf 20 (Fig. 3) eine Halteeinrichtung 50 für Bauelemente, mit der ein Bauelement durch Saugkraft gehalten und mittels einer intermittierend angetriebenen Welle 52 intermittierend verdreht werden kann. Der Bestückungskopf 20 enthält darüber hinaus eine Bestückungsposition-Abtasteinrichtung 54, die den optischen Sensor 32 (Fig. 1) enthält und zusammen mit der rotierenden Welle 52 umläuft.

Die Halteeinrichtung 50 für Bauelemente enthält eine Winkeleinstellwelle 56, mit der der Winkel eingestellt wird, unter dem ein Bauelement auf einer Schaltungsplatine eingesetzt werden soll. Diese Welle 56 rotiert zusammen mit der Drehwelle 52. Die Halteeinrichtung 50 ist in der Lage, ein Bauelement durch Saugkraft in einer Position A zu halten, und in einer Position C in eine Schaltungsplatine einzusetzen.

Die Bestückungsposition-Abtasteinrichtung 54 oder der Sensor 32 enthalten eine Lichtquelle 58 sowie einen Sensorkopf 60.

Die Abtasteinrichtung bzw. der Sensor rotieren mit der Drehwelle 52 intermittierend um, und zwar eilen sie der Halteeinrichtung 50 für Bauelemente vor, um in der Position C eine Bauelemente-Bestückungsposition auf der Schaltungsplatine zu erkennen.

Der Bestückungskopf 20 enthält außerdem eine Bauelemente­ position-Abtasteinrichtung 62, die den optischen Sensor 36 (Fig. 1) enthält und in einer Position B angeordnet ist. Die Bauelementeposition-Abtasteinrichtung 62 enthält eine Lichtquelle 64 sowie einen Sensorkopf 66 und ist dazu ausgebildet, die Halteposition der Halteeinrichtung 50 für Bauelemente zu erkennen, wenn diese in Richtung auf die Position B rotiert.

Eine intermittierende Rotation der Drehwelle 52 wird durch einen Indexmotor 68 durchgeführt.

Nachfolgend soll die Funktion der Steuervorrichtung in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 erläutert werden.

Die Daten für die Bestückungsposition eines Bauelementes, ausgedrückt durch die X- und Y-Koordinaten sowie durch die Bestückungslage des Bauelementes, angegeben durch einen Rotationswinkel θ, und Form sowie Abmaße eines Bauelementes usw., werden von der CAD-Einrichtung 10 erzeugt und der Steuerung 12 zugeleitet. Die Steuerung leitet hieraus Positionsdaten ab, wie z. B. die Werte für die X- und Y-Koordinaten der Bauelemente-Bestückungsposition und einen Wert für den Rotationswinkel θ, und zwar aufgrund der von der CAD-Einrichtung 10 gelieferten Daten, abhängig von der Art des einzusetzenden Bauelementes. Die auf diese Weise erzeugten Positionsdaten gelangen dann an die Be­ stückungseinheit 18.

Die Bestückungseinheit 18 führt dann aufgrund der zuge­ führten Positionsdaten den Bestückungsvorgang durch, dessen Ablauf in Fig. 4 als Beispiel dargestellt ist. Die Halte­ einrichtung 50 des Bestückungskopfes 20 hält ein durch die Steuerung 12 bezeichnetes Bauelement, das von dem Bauelementezuführabschnitt 46 zugeführt wurde. Das Bauelement wird in der Position A durch Saugkraft gehalten.

Dann wird die Drehwelle 52 des Bestückungskopfes 20 um einen Winkel von 90° gedreht, um die Halteeinrichtung 50 in die Position B zu bringen, in welcher Position die Bau­ elementeposition-Abtasteinrichtung 62 oder der optische Sensor 36 das Bauelement im Haltezustand an der Halteein­ richtung 50 erkennt.

An die Bestückungseinheit 18 wird eine gedruckte Schaltungs­ platine P durch den Substratträgermechanismus 48 heran­ transportiert, angehalten und in einer vorbestimmten Lage positioniert. Die Bestückungsposition-Abtasteinrichtung 54 oder der optische Sensor 32 entscheidet, ob die so herantranspor­ tierte Schaltungsplatine P in einer entsprechenden Be­ stückungsposition liegt und eine freie Fläche zur Aufnahme des Bauelementes aufweist, das sich in dem Bauelemente-Be­ stückungsabschnitt befindet.

Die Positionskorrekturschaltung 22 entscheidet, ob die Notwendigkeit besteht, die Position entweder eines Bau­ elementes oder der Schaltungsplatine zu korrigieren, und zwar abhängig von den Ausgangssignalen der Bestückungsposition- und der Bauelementeposition-Abtasteinrichtung 54 bzw. 62. Falls erforderlich, wird eine Rechnung zur Korrektur der Position durchgeführt, so daß der Bestückungskopf 20 in seiner Position gesteuert wird, und zwar aufgrund der endgültigen Positionsdaten, die korrigierte Werte für die X- und Y-Koordinaten der Bauelemente-Bestückungsposition, des Rotationswinkels des Bauelementes usw. enthalten. Die Drehwelle 52 des Bestückungskopfes 20 wird dann um einen Winkel von 90° verdreht, um die Halteeinrichtung 50 in die Position C zu bringen, in der die Haltemittel abgesenkt werden, um das Bauelement in die Schaltungsplatine P einzu­ setzen.

Danach wird die Halteeinrichtung 50 angehoben und die Dreh­ welle 52 wird weiter um 180° gedreht, damit die Halteein­ richtung 50 wieder in die Position A zurückkehrt.

Auch wenn im dargestellten Ausführungsbeispiel die Positionen A, B und C im Winkelabstand von jeweils 90° liegen, so ist es natürlich auch möglich, beliebige andere Winkelabstände zu wählen, z. B. von 45°.

Claims (6)

1. Bestückungsmaschine zum automatischen Bestücken einer Schal­ tungsplatine mit Bauelementen, mit

• a) einem Bestückungskopf (20) und
• b) einer programmierbaren Steuerung (12) zur Erzeugung von Posi­ tionierungsdaten (X, Y, θ) für die Positionierung eines Bestückungskopfes (20) relativ zur Schaltungsplatine (P),
  dadurch gekennzeichnet, daß der Bestückungskopf (20) folgende Komponenten aufweist:
• c) eine Halteeinrichtung (50) für ein einzusetzendes Bauelement, die mittels einer intermittierend angetriebenen Welle (52) nacheinander in Winkelpositionen (A, B, C) positionierbar ist,
• d) eine Bestückungsposition-Abtasteinrichtung (54), die in einer starren Lage und einem starren Winkel zur Halteeinrichtung (54) auf der gleichen Welle (52) angeordnet ist und
• e) eine Bauelementeposition-Abtasteinrichtung (62), die einer bestimmten Winkelposition (B) der Halteeinrichtung (50) fest zugeordnet ist.

2. Bestückungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (50) nacheinander in drei Winkelpositionen (A, B, C) positionierbar ist und daß in der ersten Winkelposition (A) das Bauelement von der Halte­ einrichtung (50) aufgenommen und die Bauelemente-Bestückungsposition von der Bestückungsposition-Abtasteinrichtung (54) abgetastet wird, in der zweiten Winkelposition (B) die Bauelementeposition am Bestückungskopf (20) durch die Bauelementeposition-Abtasteinrichtung (62) abgetastet wird, anschließend die Positionierungsdaten (X, V, θ) korrigiert werden und in der dritten Position (C) das Einsetzen des Bauelementes in die Schaltungsplatine (P) erfolgt.

3. Bestückungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestückungsposition-Abtasteinrich­ tung (54) berührungslos arbeitet.

4. Bestückungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestückungsposition-Abtasteinrich­ tung (54) einen optischen Sensor (32) und eine Lichtquelle (58) auf­ weist.

5. Bestückungsmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelementeposition-Abtasteinrich­ tung (62) berührungslos arbeitet.

6. Bestückungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelementeposition-Abtasteinrich­ tung (62) einen optischen Sensor (36) und eine Lichtquelle (64) auf­ weist.