DE3822435A1 - Montageeinrichtung zum feinpositionieren und montieren von teilen mit vibrationsunterstuetzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Montageeinrichtung zum Feinpositonieren und Montieren von Teilen mit Vibrationsunterstützung für Industrieroboter mit einem durch den Roboter bewegbaren Greifer zum Aufnehmen, Transportieren und Montieren mindestens eines Teils an einem Werkstück, insbesondere einer Leiterplatte, wobei zur Montageerleichterung mindestens ein Vibrator vorgesehen ist, durch den eine Relativbewegung des zu montierenden Teils gegenüber dem Werkstück erzeugbar ist und bei dem die Schwingungsamplitude und die Schwingungsfrequenz einstellbar bzw. vorgebbar sind in Abhängigkeit von Teil und/oder Werkstück.

Bei der Montage mit Hilfe von Industrierobotern treten aufgrund von Positioniertoleranzen häufig Abweichungen zwischen Soll-Position des mit dem Greifer gehaltenen Teils und Ist-Position des Werkstücks auf.

Beim Fügen kleinster feinmechanischer Bauteile kann es vorkommen, daß die Positionier- und Wiederholgenauigkeit des Industrieroboters - bei den genaueren Robotern liegen beide derzeit bei +/- 0,05 mm - für den Fügevorgang nicht mehr ausreichen. In diesen Fällen muß die Montage bisher manuell ausgeführt werden.

Bei einer bekannten Montageeinrichtung wird zur Erleichterung des Einsetzens der Teile in eine Leiterplatte diese durch einen Vibrator in Schwingung versetzt. Nachteilig ist hier, daß bereits montierte Teile infolge der Schwingungen Beschädigungen erleiden können oder aus der Leiterplatte durch die Schwingungen wieder herausfallen. Es ist auch bekannt, den gesamten Roboter oder dessen Greifer zur Montageerleichterung in Schwingung zu versetzen. Frequenz und Schwingungsamplitude müssen dabei individuell angepaßt werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen in einfacher Weise an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpaßbaren Vibrator zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Greifer an einem besonderem Vibratorkopf angeordnet ist, daß dieser Vibratorkopf mindestens zwei vorzugsweise aber vier Platten aufweist, daß diese Platten über Federn und/oder Gelenkhebel so miteinander verbunden sind, daß eine Relativbewegung zweier benachbarter Platten nur in Richtung eines Freiheitsgrads möglich ist und daß die anderen Platten in Richtung dieses Freiheitsgrads starr miteinander verbunden sind und daß eine Vibrationskraftquelle zwischen den beiden benachbarten Platten vorgesehen ist, durch die diese beiden Platten in Richtung des Freiheitsgrads in Schwingung gegeneinander versetzbar sind. Bei der Anordnung von vier Platten können räumliche Schwingungen des Greifers gezielt erzeugt werden. Es kann aber auch nur die Schwingung in einer Richtung oder in einer Ebene wahlweise eingestellt werden, so daß eine vielfältige Anpaßbarkeit entsprechend dem jeweils auftretenden Montageproblem möglich ist.

Besonders steif, gewicht- und platzsparend können als Federn parallel zueinander verlaufende Blattfedern vorgesehen sein, deren Enden jeweils an einer der Platten befestigt sind, wobei dann die diesen Platten zugeordnete Vibrationskraftquelle senkrecht zu den Blattfedern angeordnet ist, wobei ein Ende der Vibrationskraftquelle mit der einen der zugeordneten Platten und das andere Ende der Vibrationskraftquelle mit der anderen Platte zusammenwirkt.

Eine besonders kompakte Bauweise kann dadurch erzielt werden, daß die Vibrationskraftquelle in einem Durchbruch mindestens einer Platte vorgesehen ist.

Eine besonders bequeme Steuerung mit geringem Konstruktionsaufwand kann dadurch ermöglicht werden, daß als Vibrationskraftquelle ein Piezo-Translator dient, dessen Schwingungsfrequenz die Frequenz einer Wechselstromquelle und dessen Schwingungsamplitude durch die Spannung der Wechselstromquelle veränderbar und an die unterschiedlichen Montagebedingungen anpaßbar ist, um optimale Montageergebnisse bei wesentlicher Reduzierung der Montagezeit zu erreichen. Piezo-Translatoren besitzen eine hohe Auflösung und ermöglichen schnelle Längenänderungen sowie absolut spielfreies Positionieren.

Als Vibrationskraftquelle kann auch ein pneumatischer oder hydraulischer Arbeitszylinder dienen, der entsprechend den Montageerfordernissen druckbeaufschlagt wird.

Ein kompakter Aufbau des Vibrators kann dadurch erreicht werden, daß die Platten quadratisch ausgebildet sind und daß die Blattfedern jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten befestigt sind, vorzugsweise über Schrauben und Spannleisten.

Zur Ermöglichung einer Vibration senkrecht zu den Platten (in Z-Richtung) können die beiden zugeorndeten Platten über U-förmig gebogene Blattfedern miteinander verbunden sein, wobei die parallel zu den Platten verlaufenden Schenkelenden der Blattfedern mit den Platten verbunden sind. Vorzugsweise ebenfalls über Spannleisten, Zweckmäßigerweise sind hierzu vier Blattfedern vorgesehen und zwar auf jeder Seite der quadratischen Platten jeweils eine Blattfeder.

Platz- und gewichtssparend kann der Greifer auf der Unterseite der untersten Platte angeordnet sein, wobei dann die erforderlichen Steuer- und Versorgungsleitungen für diesen Greifer durch Durchbrüche der Platten platzsparend und geschützt hindurchgeführt werden können.

Um Beschädigungen bei einer Überbelastung, bspw. einem unbeabsichtigten Anstoßen sicher zu vermeiden kann in besonders vorteilhafter Weise der gegenseitige Verschiebeweg der einander zugeordneten Platten durch Anschläge begrenzt sein, wobei diese Anschläge einstellbar sein können, bspw. in Form von durch Muttern gesicherte Gewindestifte.

Der Ausgleich zwischen Ist- und Soll-Position kann einmal dadurch erfolgen, daß das Feinpossitioniersystem mit einem Sensor ausgerüstet die Positionierdiffenrenz ermittelt und dann damit eine Korrektur der Istposition einleitet. Eine andere Möglichkeit bietet das vibrationsunterstützte Fügen. Dabei wird der Greifer, welcher das zu montierende Teil hält zur Fügerichtung in X- und Y-Richtung derart in Schwingung versetzt, daß zu einem gewissen Zeitpunkt während des Schwingvorgangs die Ist- und Soll-Position in Übereinstimmung gebracht werden und dann die entsprechende Montagebewegung ausgeführt wird. Frequenz und Amplitude sind stufenlos und unabhängig voneinander regelbar.

Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden mit ihren Vorteilen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Vibrators mit Greifer,

Fig. 2 eine andere Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Vibrators,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1.

Das in den Fig. 1-4 dargestellte Ausführungsbeispiel mit Piezotranslatoren zeigt einen Vibratorkopf 28, der über einen Universaladapter 1 mit einem nicht dargestellten Roboterarm verbunden wird, wobei beim Zusammenfügen auch Anschlüsse 30 für die Versorgungs- und Steuerleitung verbunden werden. Der Vibratorkopf 28 weist im wesentlichen vier zueinander parallele quadratische Platten 2 bis 5 auf. Die Grundplatte 2 ist direkt mit dem Universaladapter 1 verschraubt. Die Y-Platte 3 ist über vier auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnete Blattfedern 15 mit der Grundplatte 2 verbunden, so daß die Y-Platte 3 gegenüber der Grundplatte 2 in Y-Richtung schwingen kann. Zur Erzeugung einer Schwingbewegung ist an einem fest mit der Grundplatte 2 verbundenen Halter 11 eine Vibrationskraftquelle 6 in Form eines länglichen Piezo-Translators befestigt. Dieser Piezo-Translator findet in einem Durchbruch 29 der Y-Platte 3 Platz, wie dies in Fig. 3 ersichtlich ist. Die Ankoppelung der Platte 3 mit dem freien Ende des Piezo-Translators 6 erfolgt einstellbar über einen Gewindestift 23 der durch die Rückstellkraft der Blattfedern 15 stets in Anlage am freien Ende des Piezo-Translators 6 in Anlage gehalten wird. Die Blattfedern 15 sind stirnseitig über Spannleisten 17 und Schrauben 20 fest mit den Platten 2, 3 verbunden. Entsprechend sind die Platte 3 und 4 um 90° versetzt ebenfalls mit Blattfedern 15′ miteinander verbunden, so daß die X-Platte 4 senkrecht zur Schwindungsrichtung der Y-Platte 3 schwingen kann, durch die Anordnung eines entsprechenden Piezo-Translators 6′, der über einen Halterteil 11′ mit seinem einen Ende mit der Y-Platte 3 fest verbunden und getragen ist. Die Platte 4 kann gegenüber der Grundplatte 2 in zwei Freiheitsgraden in X- und Y-Richtung schwingen, nachdem die Blattfedern 15, 15′ nur in einer Richtung biegeweich und in der anderen senkrechten Richtung dazu vollkommen biegesteif sind. Die Schwingung der Y-Platte 3 wird durch die in Schwingungsrichtung angeordneten Blattfedern 15′ zwangsweise vollständig auf die X-Platte 4 übertragen.

Auf der Unterseite der X-Platte 4 sind im Randbereich auf jeder Außenseite jeweils eine U-förmig mit gerundeter Basis gebogene Blattfeder 16 angeordnet, die über Spannleisten 18, 19 mit der X-Platte 4 und der Z-Platte 5 gekoppel sind. Durch die symmetrische Anordnung von vier U-förmigen Blattfedern 16 kann die Z-Platte 5 gegenüber der X-Platte 4 nur in Abstandsrichtung Schwingungen ausführen, die durch einen weiteren nicht dargestellten Piezo-Translator gesteuert erzeugt werden kann. Durch Gewindestifte 21 und Muttern 22 kann der Z-Hub zwischen den Platten 4 und 5 einstellbar begrenzt werden.

Auf der Unterseite der Z-Platte 5 ist ein Parallelgreifer 7 über eine Befestigungsplatte 24 angeschraubt. Dieser Greifer 7 dient zur Aufnahme, zum Transport und zur Montage von nicht näher dargestellten Teilen, die bspw. gezielt in Leiterplatten eingesetzt werden sollen. Die elektronische Roboteransteuerung kann nur mit einer begrenzten Wiederholgenaugigkeit von derzeit etwa +/- 0,05 mm ausgeführt werden, was für die Montage kleiner empfindlicher Teile nicht ausreicht. Durch eine gesteuerte Lagekorrektur in der X- und/oder Y-Richtung kann hier die Ansteuergenauigkeit gezielt noch individuell verbessert werden, wenn entsprechende Lagesensoren am Greifer 7 oder am Werkstück vorgesehen werden. Durch Vibration kann die Montagereibung wesentlich herabgesetzt werden, so daß auch bei nicht genauer Lagepositionierung noch ein beschädigungsfreies Einfügen selbst bei geringfügiger Lageabweichung der Montagepartner ermöglicht wird.

Claims (12)

1. Montageeinrichtung zum Feinpositionieren und Montieren von Teilen mit Vibrationsunterstützung für lndustrieroboter mit einem durch den Roboter bewegbaren Greifer (7) zum Aufnehmen, Transportieren und Montieren mindestens eines Teils an einem Werkstück, insbesondere einer Leiterplatte, wobei zur Montageerleichterung mindestens ein Vibrator vorgesehen ist, durch den eine Relativbewegung des zu montierenden Teils gegenüber dem Werkstück erzeugbar ist und bei dem die Schwingungsamplitude und/oder Schwingungsfrequenz einstellbar bzw. vorgebbar sind in Abhängigkeit von Teil und/oder Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer (7) an einem besonderen Vibratorkopf (28) angeordnet ist, daß dieser Vibratorkopf (28) mindestens zwei, vorzugsweise vier Platten (2-5) aufweist, daß diese Platten (2-4) über Federn und/oder Gelenkhebel so miteinander verbunden sind, daß eine Relativbewegung zweier benachbarter Platten (2-3, 3-4, 4-5) nur in Richtung eines Freiheitsgrads möglich ist und daß die anderen Platten in Richtung dieses Freiheitsgrads starr miteinander verbunden sind und daß eine Vibrationskraftquelle (6) zwischen den beiden benachbarten Platten vorgesehen ist, durch die diese beiden Platten in Richtung des Freiheitsgrads in Schwingung gegeneinander versetzbar sind.

2. Montageeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Feder parallel zueinander verlaufende Blattfedern (15, 15′) vorgesehen sind, deren Enden jeweils an einer der Platten (2-4) befestigt sind und daß die diesen Platten (2-4) zugeordneten Vibrationskraftquellen (6, 6′) senkrecht zu den Blattfedern (15, 15′) angeordnet sind, wobei ein Ende der Vibrationskraftquelle (6, 6′) mit der einen der zugeordneten Platten und das andere Ende der Vibrationskraftquelle (6, 6′) mit der anderen Platte zusammenwirkt.

3. Montageeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationskraftquellen (6, 6′) in einem Durchbruch (29) mindestens einer der Platten (3, 4) vorgesehen ist.

4. Montageeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vibrationskraftquelle (6, 6′) ein Piezo-Translator dient, dessen Schwingungsfrequenz durch die Frequenz einer Wechselstromquelle und dessen Schwingungsamplitude durch die Spannung der Wechselstromquelle vorgebbar ist.

5. Montageeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vibrationskraftquelle (6, 6′) ein pneumatischer oder hydraulischer Arbeitszylinder dient, durch dessen Druck und Frequenzbeaufschlagung die Schwingungsfrequenz und Schwingungsamplitude vorgebbar ist.

6. Montageeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (2-5) quadratisch ausgebildet sind und daß die Blattfedern (15, 15′) auf zwei gegenüberliegenden Seiten befestigt sind, vorzugsweise über mit Schrauben (20) befestigten Spannleisten (17).

7. Montageeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vibration senkrecht zur Ebene der Platten (2-5) (in Z-Richtung) die beiden zugeordneten Platten (4, 5) über U-förmig gebogene Blattfedern (16) miteinander verbunden sind, wobei die parallel zu den Platten (4, 5) verlaufenden Schenkelenden der Blattfedern (16) mit den Platten (4, 5) verbunden sind, vorzugsweise über Spannleisten (18, 19).

8. Montageeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier Blattfedern (16) vorgesehen sind und zwar auf jeder Seite der quadratischen Platten (4, 5) jeweils eine.

9. Montageeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer (7) auf der Unterseite der untersten Platte (5) angeordnet ist und daß die Steuer- und Versorgungsleitungen für diesen Greifer (7) durch Durchbrüche (29, 31) der Platten (2-5) platzsparend und geschützt hindurchgeführt sind.

10. Montageeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Verschiebeweg der einander zugeordneten Platten (2-3, 2-4, 4-5) durch Anschläge begrenzt ist.

11. Montageeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge einstellbar sind.

12. Montageeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschläge durch Muttern (22) gesicherte Gewindestifte (21, 23) vorgesehen sind.