DE3938088A1

DE3938088A1 - Mounting head for SMD electronic components - has tool on rotary shaft driven by brushless DC motor with eccentric rotor

Info

Publication number: DE3938088A1
Application number: DE3938088A
Authority: DE
Inventors: Kurt Weiblen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-05-23
Also published as: CH681264A5

Abstract

The head is intended for mounting components on the surface of a support and has rotary angle position adjuster and a tool for lifting and lowering the components. The tool (3) is fitted on a rotary shaft, driven by a brushless d.c. motor (9). The latter rotor (7) on the shaft is axially offset from the magnetic centre (23) of the motor stator (8). A magnetic coil (11) surrounds the shaft and a magnetic core on the shaft, spaced from a magnetic stop (22). The coil exerts a force on the magnetic core opposite to that of the permanent magnetic rotor. The angular position of the shaft is measured by an electric rotation detector (19), transmitting a signal to a control (20). ADVANTAGE - Defined axial force, acting on component provided by d.c. motor and electromagnet.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft einen Bestückkopf für elektroni sche Bauelemente gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a placement head for electronics cal components according to the preamble of the main claim.

Zum Bestücken von gedruckten Schaltungen kann ein Be stückkopf Verwendung finden, der ein Werkzeug als Auf nahmeelement für elektronische Bauelemente besitzt. Mit dem Werkzeug wird das jeweils zu montierende Bauele ment, beispielsweise ein sogenanntes SMD-Bauteil (Surface-Mounted-Device) aufgenommen und an der Ober fläche einer gedruckten Schaltung aufgeklebt. Das Werk zeug muß zu diesem Zweck eine möglichst definierte ver tikale Kraft auf das Bauteil ausüben und eine Drehbewe gung ausführen können. Die Hubbewegung und die seitli che Bewegung des Bestückkopfes wird von einer Maschine, einem sogenannten Randlingsystem durchgeführt. Beim Aufsetzen des Bestückkopfes und des von ihm gehaltenen Bauelements auf einer Oberfläche muß das Bauelement exakt in einer vorgegebenen Winkelposition ausgerichtet sein, damit eine vorgegebene Kontaktierung problemlos möglich ist. Außerdem muß die axiale Kraft beim Aufset zen des Bauelements so gewählt sein, daß keine Beschä digung des Bauelements auftritt.A Be piece head find use of a tool as on Has element for electronic components. With the component to be assembled is the tool ment, for example a so-called SMD component (Surface-Mounted Device) added and on the upper glued surface of a printed circuit. The work For this purpose, a tool must be defined as far as possible exert tical force on the component and a turning movement can perform. The lifting movement and the lateral The movement of the placement head is controlled by a machine a so-called randling system. At the Attach the placement head and the one it holds Component on a surface must be the component aligned exactly in a given angular position be so that a given contacting is easy is possible. In addition, the axial force when placing zen of the component should be chosen so that no damage Damage to the component occurs.

Advantages of the invention

Der Erfindungsgegenstand mit den Merkmalen des Hauptan spruchs hat den Vorteil, daß der an sich für die Dreh bewegung des Werkzeugs erforderliche Gleichstrommotor in Verbindung mit einem Elektromagneten eine definierte axiale Kraft auf das Bauelement beim Aufsetzen ausübt. Der Gleichstrommotor besitzt einen aus einem magneti schen Zentrum ausgelenkten Permanentmagneten als Rotor, auf den eine axiale Kraft wirkt. Die mit dem Rotor ver bundene Welle, an der das Werkzeug befestigt ist, wird somit mit dieser Kraft nach unten gedrückt. Bei Erre gung des Stators führt der Rotor eine entsprechende Drehbewegung aus, wodurch das Werkstück und das daran gehaltene Bauteil in eine gewünschte Winkelposition ge bracht werden kann. Die vom Permanentmagneten ausgeübte axiale Kraft kann mittels eines zusätzlichen Elektro magneten in gewünschtem Maße kompensiert werden. Dabei kann durch die Größe des Erregerstroms die dem Perman entmagneten entgegen gerichtete Kraft so eingestellt werden, daß beim Aufsetzen des Bauteils auf einer Ober fläche die Aufsetzkraft auf einen solchen Wert begrenzt ist, daß Beschädigungen am Bauteil sicher vermieden werden. Bei Erreichen der maximalen, vorgegebenen Auf setzkraft weicht die Welle axial aus.The subject of the invention with the features of the main saying has the advantage that in itself for the shoot movement of the tool required DC motor a defined one in connection with an electromagnet exerts axial force on the component when placing. The DC motor has one made of a magneti center deflected permanent magnets as a rotor, on which an axial force acts. The ver with the rotor tied shaft to which the tool is attached thus pressed down with this force. With Erre stator the rotor performs a corresponding Rotational movement, creating the workpiece and that held component in a desired angular position can be brought. The one exerted by the permanent magnet axial force can be generated using an additional electric magnets can be compensated to the desired extent. Here can by the size of the excitation current that the Perman demagnetize opposing force set in this way be that when placing the component on an upper area is limited to such a value is that damage to the component is safely avoided will. When the maximum, predetermined open is reached the shaft deflects axially.

Die Welle, an deren einer Stirnseite das Werkzeug mon tiert ist, ist mit einem vorzugsweise als Potentiometer ausgebildeten Drehmelder verbunden. Das Potentiometer gibt zu jeder Winkelstellung ein bestimmtes Spannungs signal ab, welches in einer Steuerung verarbeitet wird. Die Steuerung kann diesen Spannungswert mit einem Soll wert vergleichen und entsprechend die dem Stator des Gleichstrommotors zugeführte Spannung steuern, um eine vorgegebene Winkelposition für das Werkzeug und das an ihm gehaltene Bauteil zu erreichen.The shaft, on one end of which the tool mon is, is preferably with a potentiometer trained resolver connected. The potentiometer gives a certain tension to every angular position signal, which is processed in a controller. The controller can set this voltage value with a target value and compare it to the stator of the DC motor supplied voltage control to a predetermined angular position for the tool and the to reach him held component.

Besonders vorteilhaft ist es, in der Aufsetzposition, in der das am Werkstück gehaltene Bauelement in eine Klebeschicht auf einer Oberfläche eingedrückt wird, der Gleichspannung des Stators eine Wechselspannung zu überlagern. Dies bewirkt, daß die Welle und damit auch das Werkzeug, mit der Frequenz der Wechselspannung - beispielsweise 200 Hz - um die Sollposition geringfügig pendelt, wodurch das am Werkstück befindliche Bauele ment in den Kleber oder die Lotpaste "eingerieben" wird. Auf diese Weise erhält man besonders gute Verbin dungen zwischen Bauelement und der jeweiligen Oberfläche, auf der das Bauelement aufgebracht wird. Als Wechselspannung kann eine sinusförmige Wechselspan nung überlagert werden, wodurch ein weiches Einreiben in den Kleber erfolgt. Wenn die Wechselspannung abge schaltet wird, geht die Welle und damit das Bauelement in die aufgrund der Gleichspannung vorgegebene Sollpo sition zurück.It is particularly advantageous, in the mounting position, in which the component held on the workpiece in a Adhesive layer is pressed in on a surface that DC voltage of the stator to an AC voltage overlay. This causes the shaft and therefore also the tool with the frequency of the AC voltage - for example 200 Hz - slightly around the target position oscillates, causing the component on the workpiece "rubbed" into the adhesive or solder paste becomes. In this way you get a particularly good connection between the component and the respective Surface on which the component is applied. A sinusoidal AC voltage can be used as AC voltage overlap, creating a soft rub done in the glue. If the AC voltage abge is switched, the shaft goes and thus the component into the target position given on the basis of the DC voltage sition back.

Das Potentiometer, welches den Drehmelder für die Win kelposition der Welle bzw. des jeweiligen Bauelements darstellt, kann über einen als Federelement ausgebilde ten Hubausgleich mit der Welle in Verbindung stehen.The potentiometer, which is the resolver for the Win kelpposition of the shaft or the respective component represents can be trained as a spring element The stroke compensation is connected to the shaft.

drawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel eines Bestückkopfes zeigt, näher erläutert.The invention is described below with reference to the drawing, which shows an embodiment of a placement head, explained in more detail.

Der in der Zeichnung dargestellte Bestückkopf besitzt ein Gehäuse 1, in dem eine Welle 2 drehbar und in ge ringem Maße axial verschiebbar gelagert ist. An der Un terseite der Welle 2 ist ein Werkzeug 3 befestigt, wel ches ein elektronisches Bauteil 4 hält. Die Welle 2 ist in zwei Radial-Lagern 5, 6 axial verschieblich gelagert und liegt mit einem Anschlagring AR an einem Axial- Lager AL an. Auf der Welle 2 ist ein als Permanentmag net ausgebildeter Rotor 7 befestigt, der von einem Sta tor 8 umschlossen ist, wobei Rotor 7 und Stator 8 einen bürstenlosen Gleichstrommotor 9 bilden. Über dem Rotor 7 sitzt auf der Welle 2 ein Magnetkern 10, der von ei ner ringförmigen Magnetspule 11 umschlossen ist. Mag netkern 10 und Magnetspule 11 bilden einen Elektromag neten 12.The placement head shown in the drawing has a housing 1 in which a shaft 2 is rotatably mounted and axially displaceable to a small extent. On the underside of the shaft 2 , a tool 3 is attached, which holds an electronic component 4 . The shaft 2 is axially displaceably mounted in two radial bearings 5 , 6 and abuts an axial bearing AL with a stop ring AR. On the shaft 2 , a permanent magnet formed as a rotor 7 is fixed, which is surrounded by a gate 8 , the rotor 7 and stator 8 forming a brushless DC motor 9 . Above the rotor 7 sits on the shaft 2, a magnetic core 10 which is enclosed by egg ner annular magnet coil 11 . Mag netkern 10 and solenoid 11 form a Elektromag neten 12th

Die Welle 2 besitzt eine Längsbohrung 13, die mit einem Vakuumanschluß 14 in Verbindung steht. Die Längsbohrung wird bis durch das Werkstück 3 geführt, so daß bei spielsweise mittels einer hier nicht dargestellten Saugpumpe über den Vakuumanschluß 14 ein Bauteil 4 am Werkstück 3 angesaugt und festgehalten werden kann. Durch Abschalten der Saugpumpe wird der Unterdruck in der Längsbohrung 13 beseitigt und das Bauteil 4 kann vom Werkstück 3 abgegeben werden.The shaft 2 has a longitudinal bore 13 which is connected to a vacuum connection 14 . The longitudinal bore is guided up through the workpiece 3, can be so that sucked in play by means of a non-illustrated suction pump via the vacuum port 14, a member 4 on the workpiece 3 and held. By switching off the suction pump, the negative pressure in the longitudinal bore 13 is eliminated and the component 4 can be released from the workpiece 3 .

Am oberen Ende der Welle 2 ist als Hubausgleich ein ge bogenes Federelement 15 befestigt, das die Verbindung zu der Stellachse 18 eines Potentiometers 19 bildet. Das Hubausgleichselement 15 überträgt jede Drehbewegung der Welle 2 auf die Stellachse 18 des Potentiometers 19, wobei gleichzeitig eine axiale Bewegung der Welle 2 gegen die geringe Federkraft des Hubausgleichselements 15 möglich ist.At the upper end of the shaft 2 a ge curved spring element 15 is attached as a stroke compensation, which forms the connection to the actuating axis 18 of a potentiometer 19 . The stroke compensation element 15 transmits every rotational movement of the shaft 2 to the actuating axis 18 of the potentiometer 19 , wherein at the same time an axial movement of the shaft 2 is possible against the low spring force of the stroke compensation element 15 .

Eine elektronische Steuerung 20 ist mit dem Ausgang des Potentiometers 19, mit der Magnetspule 11 und mit dem Stator 8 des Gleichstrommotors 9 verbunden. Über eine Eingabevorrichtung 21 kann der Steuerung 20 eine ge wünschte Winkelstellung und die erforderlichen Hubbewe gungen eingegeben werden. Das Potentiometer 19 bildet dabei den Geber für die aktuelle Winkelposition der Welle 2, so daß dessen Ausgangssignal zur Einstellung des Drehwinkels von der Steuerung 20 berücksichtigt werden kann. Der für die Drehbewegung der Welle 2 vor gesehene Gleichstrommotor 9 und das Potentiometer 19 bilden somit zusammen mit der Steuerung 20 einen Regelkreis.An electronic control 20 is connected to the output of the potentiometer 19 , to the magnet coil 11 and to the stator 8 of the direct current motor 9 . Via an input device 21 , the controller 20 can enter a desired angular position and the required stroke movements. The potentiometer 19 forms the encoder for the current angular position of the shaft 2 , so that its output signal for setting the angle of rotation can be taken into account by the controller 20 . The DC motor 9 and the potentiometer 19 seen for the rotary movement of the shaft 2 thus form a control circuit together with the controller 20 .

Die Steuerung 20 speist auch die Spule 11 des Elektro magneten 12, so daß je nach Erregerspannung der Magnet kern 10 mit großer oder geringer Kraft in Richtung des magnetischen Anschlags 22 des Elektromagneten 12 gezo gen wird. Der magnetische Anschlag ist am Magnetjoch 25 des Elektromagneten 12 ausgebildet. Nicht nur der Mag netkern 10 ist gegenüber seinem magnetischen Anschlag 22 versetzt auf der Welle 2 montiert, sondern auch der Rotor 7 ist gegenüber dem magnetischen Zentrum 23 des Gleichstommotors 9 versetzt auf der Welle 2 angeordnet. Der als Permanentmagnet ausgebildtete Rotor 7 ist bestrebt, sich in Richtung des magnetischen Zentrums 23 zu bewegen. Die Welle 2 wird somit nach unten gedrückt. Gleichzeitig kann durch Erregung der Magnetspule 11 der Magnetkern 10 nach oben in Richtung des magnetischen Anschlags 22 gezogen wer den, wodurch eine nach oben gerichtete Kraft an der Welle 2 angreift. Die von der Magnetspule 11 auf die Welle 2 ausgeübte axiale Kraft kann mittels des Erre gerstroms so eingestellt werden, daß die am Permanent magneten wirksame Kraft nach unten in einem gewünschten Maß teilweise kompensiert wird. Zu diesem Zweck wird die Magnetspule 11 mit einem entsprechend großen Erre gerstrom über ihren elektrischen Anschluß 24 ge speist. Der am Stator 8 angelegten Gleichspannung kann eine sinusförmige Gleichspannung überlagert werden, wo durch das Werkstück 3 in eine entsprechende Pendelbewe gung um die vorgegebene Winkelposition versetzt wird. Das dabei nach unten gedrückte Bauelement 4 kann in ei nen hier nicht dargestellten Kleber auf einer Oberflä che einer Platine eingerieben werden. Zu dem gleichen Zweck kann auch dem Erregerstrom des Magneten 12 ein Wechselstrom überlagert werden.The controller 20 also feeds the coil 11 of the electric magnet 12 , so that depending on the excitation voltage of the magnetic core 10 with large or small force in the direction of the magnetic stop 22 of the electromagnet 12 is gezo conditions. The magnetic stop is formed on the magnetic yoke 25 of the electromagnet 12 . Not only the magnetic core 10 is offset from its magnetic stop 22 on the shaft 2 , but also the rotor 7 is offset from the magnetic center 23 of the DC motor 9 on the shaft 2 . The rotor 7, which is designed as a permanent magnet, strives to move in the direction of the magnetic center 23 . The shaft 2 is thus pressed down. At the same time, the magnetic core 10 can be pulled upward in the direction of the magnetic stop 22 by excitation of the magnetic coil 11 , as a result of which an upward force acts on the shaft 2 . The axial force exerted by the solenoid 11 on the shaft 2 can be adjusted by means of the excitation current so that the force acting on the permanent magnet is partially compensated downwards to a desired extent. For this purpose, the solenoid 11 is gerstrom with a correspondingly large excitation ge via its electrical connection 24 . The DC voltage applied to the stator 8 can be superimposed on a sinusoidal DC voltage, where the workpiece 3 moves it into a corresponding pendulum motion by the predetermined angular position. The component 4 pressed down can be rubbed into an adhesive (not shown) on a surface of a circuit board. For the same purpose, an alternating current can also be superimposed on the excitation current of the magnet 12 .

Claims

1. placement head for electronic components to set the components on a surface of a component carrier, in particular for SMD components, with devices for adjusting the angle of rotation position and for raising and lowering a tool receiving the components, characterized in that the tool ( 3 ) sits on a by means of a brushless DC motor ( 9 ) rotatable shaft that the shaft ( 2 ) attached rotor ( 8 ) of the DC motor ( 9 ) from the magnetic center ( 23 ) whose stator ( 8 ) is axially offset that a magnetic coil ( 11 ) surrounds the shaft ( 2 ) and a magnetic core ( 10 ) arranged on it at a distance from a magnetic stop ( 22 ), the magnetic coil ( 11 ) exerting a force on the magnetic core ( 10 ) which the on the trained as permanent magnet rotor ( 7 ) acting axia len force is opposite.

2. Placement head according to claim 1, characterized in that an angular position of the shaft ( 2 ) measuring electrical resolver ( 19 ) transmits its measurement signal to a controller ( 20 ) which the voltage to be applied to the stator ( 8 ) and the excitation current of the magnet Coil ( 11 ) controls and thus determines the angular position and the axial force on the tool ( 3 ) attached to it when placed on a surface.

3. placement head according to claim 2, characterized in that on the stator ( 8 ) when lowering the placement head an AC voltage which determine the angular position is superimposed on the DC voltage.

4. placement head according to one of the preceding claims, characterized in that in a vertical stand the placement head with the tool below ( 3 ) the rotor ( 7 ) upwards with respect to the associated magnetic center (s) ( 23 ) and the magnetic core ( 10 ) down are mounted offset on the shaft ( 2 ) with respect to the magnetic stop ( 22 ).

5. Placement head according to one of the preceding claims, characterized in that a potentiometer ( 19 ) trained resolver is arranged at a short distance from the free end of the shaft ( 2 ), and that the actuating axis ( 18 ) of the potentiometer ( 19 ) via Stroke compensation element ( 15 ) is connected to the axially displaceable shaft ( 2 ).

6. Placement head according to one of the preceding claims, characterized in that when the tool ( 3 ) held on the component is placed on a surface, the excitation current of the direct current motor ( 9 ) and / or the magnetic coil ( 10 ) is superimposed on an alternating current.