DE3719145A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestuecken von leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestücken von Leiterplatten mit spezifischen Bauelementen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Unter spezifischen Bauelementen werden dabei sogenannte exotische Bauelemente verstanden, die in der Bestückreihenfolge als letzte Bauelemente eingesetzt werden müssen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 6.

Zum Bestücken von Leiterplatten mit Bauelementen sind Bestück­ automaten bekannt, mit denen die unterschiedlichen Bauelemente aus Magazinen aufgenommen werden und nach Programm auf vorbe­ stimmte Stellen der Leiterplatten ein- oder aufgesetzt werden. Die Bestückköpfe solcher Automaten greifen die Bauelemente ins­ besondere an den Anschlußdrähten.

Häufig werden Leiterplatten auch abschließend mit solchen Bauelementen bestückt, die aufgrund ihrer Baugröße und/oder Bauform nicht an den Anschlußdrähten gefaßt werden können. Diese Bauelemente müssen dann am Gehäuse gegriffen werden, um den Bestückschatten zu minimieren. Dazu werden die Bauelemente üblicherweise in einem ersten Arbeitsschritt aus einem Magazin entnommen sowie in Aufnahmeeinheiten einer Zwischenstation zwischengelagert und von dort in einem zweiten Arbeitsschritt mittels des Bestückkopfes entnommen, wobei anschließend die Leiterplatte nach Programm bestückt werden kann. Dies führt aber dann zu Schwierigkeiten, wenn die Anschlußdrähte der Bauelemente keine definierte Position gegenüber der Gehäuse­ kontur haben oder wenn sich die Relativlage der Anschluß­ drähte beim Entnehmen aus dem Magazin verändern kann. Aus diesem Grund werden bisher meist noch die exotischen Bauele­ mente trotz Verwendung von Bestückautomaten von Hand bestückt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen das auto­ matische Bestücken von Leiterplatten auch mit exotischen Bau­ elementen erfolgen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben. Eine Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 6 gekennzeichnet, wobei die Ansprüche 8 bis 11 vorteilhafte Ausführungsformen dieser Vorrichtung beinhalten.

Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß sich exotische Bauelemente, bei denen die Lage der Anschlußdrähte nicht fixiert ist, nur dann durch Bestückautomaten bestücken lassen, wenn nach dem Aufnehmen der Bauelemente eine Positionserfassung der Anschlußdrähte durchgeführt wird. Dafür ist bei der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ein Meßsystem vorgesehen, das eine hohe Meßgenauigkeit zur Positionserfassung der Anschlüsse trotz eines geringen Freiraums beim Bestücken aufweist. Das Meßsystem arbeitet derart, daß die Relativposition einer Aufnahmeeinheit gegenüber einer raumfesten Zwischenstation gemessen wird, wobei jeweils für die Koordinaten X, Y und den Drehwinkel ϕ ein Sen­ sor vorhanden ist, der sich durch folgende Kriterien auszeichnet:

• - Er kann Abstandslagen <5 mm seitenrichtig detektieren und anzeigen,
• - er kann in einem engeren Bereich sehr genau messen und als Nullindikator arbeiten und
• - er arbeitet berührungslos und gegebenenfalls rückstellkraft­ frei.

Solche Meßsysteme lassen sich insbesondere durch magnetische Sensoren unter Einsatz von Hall-Generatoren realisieren. Dabei ist in einfacher Weise ein Einregeln der Nullage (Nullindikator­ prinzip) möglich, wobei eine hohe Positioniergenauigkeit (±5 µm) erzielt wird. Speziell Hall-Generatoren nehmen wenig Platz in Anspruch und können leicht in die Aufnahmeeinheiten integriert werden. Magnetische Meßsysteme arbeiten insbesondere berührungs­ los und stellkraftfrei; sie sind unempfindlich gegen Schmutz, Staub und Öl.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbei­ spieles anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 eine grob schematische Darstellung einer Bestückeinrich­ tung,

Fig. 2 die Draufsicht auf die Zwischenstation mit einer darauf beweglichen Aufnahmeeinheit,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Aufnahmeeinheit in Fig. 2 und

Fig. 4 die Aufnahmeeinheit aus Fig. 2 mit zugehörigem Meßsystem.

In den Figuren, die nicht maßstabsgerecht zueinander sind, werden identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise zusammen beschrieben.

In Fig. 1 zeigt das LAY-OUT eines Bestückautomaten mit einem Arbeitsbereich 1, einen Magazinbereich 2 und einer Zwischen­ station 3. Der Arbeitsbereich 1 beinhaltet eine zu bestückende Leiterplatte 10, die von Bestückköpfen 11 und 12 mit Bauele­ menten bestückt werden sollen. Die Bauelemente werden von einem Entnahmekopf 13 aus den im Magazinbereich 2 bereit­ stehenden Einzelmagazinen 21 bis 28 für jeweils eine Bauele­ mente-Familie zur Zwischenstation 3 transportiert und dort im einzelnen magazinzugeordneten Teilbereichen 31 bis 34 abgelegt. Von dort werden sie von den Bestückköpfen 11 bzw. 12 zur Be­ stückung der Leiterplatte 10 aufgenommen.

Aus Fig. 2 bis Fig. 4 ist im einzelnen ersichtlich, daß die Zwischenstation 3 aus einer Kassette 30 mit Gleitplatten be­ steht, auf der einzelne Aufnahmeeinheiten verdrehbar und ver­ schiebbar angeordnet sind. Es ist beispielhaft die Aufnahme­ einheit 40 dargestellt, die eine kreuzförmige Grundfläche auf­ weist und die in ihrem Zentralbereich für jedes Rastermaß einer Bauelementen-Familie entsprechende Bohrungen 41 bis 44 auf­ weist. Die Bohrungen 41 bis 44 gehen zur Aufnahmeseite in sogenannte Fangkonen über und dienen zur Aufnahme der Anschluß­ drähte von Bauelementen.

Die Aufnahmeeinheit 40 ist in einem vorgegebenen Bereich (strichlierter Kreis) drehbar und verschiebbar angeordnet, wofür ein Stahlstift 45 des Fangkreuzes 40 sorgt, der in einer Ausnehmung der Kassettenplatte 30 steckt. Durch die frei verschiebbare Lage der Aufnahmeeinheit 40 gegenüber der raumfesten Zwischenstation wird jedes Fangkreuz beim Einstecken eines zugehörigen Bauelementes zwangsläufig die Stellung der Anschlüsse annehmen.

Zum Entnehmen eines Bauelementes aus einem Magazin 2, bei­ spielsweise eines kubischen Bauelementes, faßt der Entnahme­ greifer 13 das Bauelement an den Seitenflächen des Gehäuses und steckt es anschließend entsprechend gehäuseparallel in die Fangkonen 41 bis 44 des Fangkreuzes 40. Wenn dabei die Position der Anschlüsse von der gehäusezugeordneten Nennposition ab­ weicht, dreht und schiebt sich das Fangkreuz 40 in die Ist­ position der Anschlüsse.

Die Istposition der Anschlüsse ist am Fangkreuz 40 meßbar und kann in den Koordinaten X und Y und im Drehwinkel ϕ als Ab­ weichung zur Sollage angegeben werden. Mit den gemessenen Korrekturwerten werden der ausgewählte Bestückkopf 11 oder 12 beaufschlagt, damit diese das Bauelement lagekorrigiert weiter transportieren. Danach kann es nach Programm in die vorgege­ benen Durchbohrungen der Leiterplatte 10 gesteckt werden.

Zur Ermittlung von Korrektursignalen für die Steuerung der Bestückköpfe 11 und 12 ist eine hohe Meßgenauigkeit bei der Positionserfassung der Anschlüsse notwendig. Da nur ein gerin­ ger Freiraum bei der Handhabung der Bauelemente vorhanden ist, hat sich die Verwendung von magnetischen Sensorsystemen als geeignet erwiesen. Die frei bewegliche Aufnahmeeinheit 40 ist vorteilhaft in kreuzförmiger Grundfläche ausgebildet, wobei an drei Kreuzarmen jeweils ein Sensor für die X-, Y- und die Drehrichtung ϕ angeordnet ist. Die Verwendung von magnetischen Sensorsystemen gewährleistet dabei, daß auch kleine Abstands­ lagen, beispielsweise <5 mm, seitenrichtig detektiert und angezeigt werden und daß in diesen Bereich der jeweilige Sensor auch als Nullindikator dienen kann. Dabei ist vorteilhaft, daß magnetische Sensoren berührungslos und rückstellkraftfrei arbeiten. Hierzu wird ein Sensorsystem mit Stiftmagneten in der Aufnahmeeinheit 40 und zugeordneten Hall-Generatoren in der raumfesten Zwischenstation 3 geschaffen.

Aus Fig. 2 und Fig. 3 ist im einzelnen ersichtlich, daß jeweils in drei Flanken des Aufnahmekreuzes 40 Stiftmagnete 46 bis 48 eingearbeitet sind. Demgegenüber befinden sich in entsprechen­ der Zuordnung in der Kassette an den vorbestimmten Sollposi­ tionen drei Hall-Generatoren 36 bis 38, die als Signalempfänger dienen. Durch Herausdrehen oder Herausschieben des Fangkreuzes 40 aus seiner Sollposition werden genau definierte Spannungs­ änderungen in den Hall-Generatoren 36 bis 38 erzeugt, aus denen Steuersignale für die Bestückköpfe 11 und 12 ableitbar sind.

Mit der anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung ist nun folgender Bestückablauf möglich: Ein zu bestückendes Bauelement wird vom Entnahmekopf 13 aus einem der Magazine 21 bis 28 entnommen und koordinatenparallel in die zugehörige Auf­ nahmeeinheit 40 gesteckt. Beim Einstecken der Anschlußdrähte in die Fangkonen 41 bis 44 wird die freibewegliche Aufnahmeeinheit 40 in die exemplarische Relativlage der Anschlüsse gedreht und geschoben, während das Gehäuse des Bauelementes koordinaten­ parallel gehalten wird. Dabei nimmt einer der Bestückköpfe 11 oder 12 die Position des Entnahmekopfes 13 ein, dessen Relativ­ lage in den Koordinaten X, Y und im Drehwinkel ϕ richtungsge­ recht und rückwirkungsfrei durch die Hall-Generatoren 36 bis 38 erfaßt wird. Durch Einkopplung dieser Fehllagensignale in die entsprechenden Achssteuerungen des Bestückautomaten kann der das Bauelement haltende Bestückkopf 11 oder 12 so weit bewegt werden, bis die Anschlüsse des Bauelementes koordinatenparallel und positionsgerecht stehen. Anschließend kann der gleiche Bestückkopf die Leiterplatte 10 mit dem umorientierten Bau­ element nach vorgegebenem Programm bestücken.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, auf den separaten Entnahmekopf 13 zu verzichten und die Entnahme des Bauelementes und Zwischenlagerung in der Aufnahmeeinheit bereits durch die Bestückköpfe vornehmen zu lassen. Ein Wechsel von Entnahme- zu Bestückkopf kann dann entfallen. In jedem Fall wird vor dem eigentlichen Bestückvorgang die Position der Anschlüsse auf die vorgegebene Nullage korrigiert, so daß anschließend ein problem­ loser Bestückvorgang möglich ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Bestücken von Leiterplatten mit spezifischen Bauelementen, die in der Bestückreihenfolge als letzte Bau­ elemente eingesetzt werden müssen, wobei die Bauelemente in einem ersten Arbeitsschritt aus einem Magazin entnommen und mit den Anschlußdrähten in bewegliche Aufnahmeeinheiten einer raum­ festen Zwischenstation abgelegt und von dort in einem zweiten Arbeitsschritt mittels Bestückkopf an der Gehäusekontur ge­ griffen werden , dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatenpositionen (X, Y, ϕ) der Aufnahmeeinheiten in der Zwischenstation gemessen und als Steuersignale für den Bestückkopf ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bauelemente mit der Ge­ häusekontur koordinatenparallel in der Zwischenstation abge­ legt werden, wobei die beweglichen Aufnahmeeinheiten jeweils die vorhandene Position der Anschlußdrähte einnehmen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bestückkopf nach dem Greifen an der Gehäusekontur aufgrund der Steuersignale soweit verdreht und/oder verschoben wird, bis die Anschlußdrähte der Bau­ elemente koordinatenparallel liegen, so daß der weitere Be­ stückvorgang positionsgerecht erfolgen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verdrehen und/oder Verschieben jedes Bauelementes zusammen mit der beweglichen Aufnahmeeinheit erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Relativ­ verschiebung der Aufnahmeeinheiten richtungsgerecht nach magnetischem Prinzip erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5 mit wenigstens einem Magazin für Bauelemente, einer Zwischenstation mit wenigstens einer beweglichen Aufnahmeeinheit und wenigstens einem Bestückkopf zum Erfassen der Bauelemente an den Gehäusekonturen, dadurch gekennzeichnet, daß die beweg­ liche Aufnahmeeinheit (40) eine Lagemeßeinrichtung (46-48) für die Koordinaten (X, Y, ϕ) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede bewegliche Aufnahmeeinheit ein Drehkreuz (40) mit für das Rastermaß der Bauelemente spezifischen Fangkonen (41-44) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagemeßeinrichtung (36-38, 46-48) magnetische Sensoren umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die magnetische Sensoren je­ weils aus Stiftmagneten (46-48) an der beweglichen Aufnahme­ einheit (40) mit zugeordneten, im Nulldurchgang schaltenden Hallsonden (36-38) in der Zwischenstation (3) bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zwischenstation (3) als Kassette (40) ausgebildet ist, auf der die Aufnahmeeinheiten (30) frei verschiebbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Eingangsöffnung der Fang­ konen (41-44) größer ist als die Maximalabweichung der Anschlußdrähte der Bauelemente aus der Nennposition.