DE4312051A1

DE4312051A1 - Gerät zum Aufnehmen und Absetzen von Gegenständen

Info

Publication number: DE4312051A1
Application number: DE4312051A
Authority: DE
Inventors: Jack Allan Kinback; Paul M Overby
Original assignee: Universal Instruments Corp
Current assignee: Universal Instruments Corp
Priority date: 1992-05-05
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2013-04-14
Also published as: NL194147B; JP2546604B2; NL194147C; JPH0722785A; DE4312051B4; US5201696A; NL9300627A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Aufnehmen und Abset zen von Gegenständen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei derartigen Geräten werden insbesondere Vakuumspindeln zum Auf nehmen und Absetzen der Gegenstände verwendet, insbesondere geht es um eine automatische Auswechslung der Spitzen einer Vakuumspin del in Abhängigkeit solcher Merkmale wie die Größe und die Form des Gegenstandes, der von der Vakuumspindel zu handhaben ist.

Aus der US-Patentanmeldung 07/644 035, die am 22. Januar 1991 angemeldet ist, deren Erfinder Henry J. Soth u. a. ist und die den Titel trägt "METHOD AND APPARATUS FOR SUPPLYING AND CHANGING TIPS OF A PICK AND PLACE VACUUM SPINDLE" ist ein Gerät zum Aufnehmen und Absetzen von Gegenständen bekannt.

Für die vorliegende Anmeldung kann auch die japanische Offenle gungsschrift 01-103 900 mit dem Anmeldetag vom 16. Oktober 1987 in Betracht gezogen werden. Des weiteren wird auf die japanische Patentschrift 62 145 899 verwiesen, die am 20. Dezember 1985 ange meldet worden ist.

Bis jetzt hat man sich bei Vakuumspindeln mit auswechselbaren Spitzen auf Reibungsverriegelungen verlassen, die in Eingriff zwischen der Spindel und der Spitze zum Aufrechterhalten der Ver bindung dazwischen vorgespannt sind. Das Auswechseln solcher Düsen wurde durchgeführt, indem die Spindel so bewegt wurde, daß die bereits angebrachte Spitze in einer leeren Tasche einer Werkzeug auswechslung positioniert wurde, die Spitze mechanisch ergriffen und in der Werkzeugauswechslung gehalten wurde und die Spindel von der Tasche so weg bewegt wurde, daß die Kraft der Verriegelung überwunden wurde und somit die Spitze von der Spindel abgestreift wurde. Als nächstes wurde die Spindel wieder über einer Tasche repositioniert, die eine ausgewählte Auswechseldüse enthält, und die Spindel wurde abwärts bewegt mit einer Eingriffskraft, die zum Überwinden der Kraft der Verriegelung ausreichend war und das Anbringen der Düse an der Spindel ermöglicht.

Diese Verbindung nach dem Stand der Technik ist für ein Rotations "Spiel" zwischen der Düse und der Spindel anfällig, das zumin destens teilweise auf den Toleranzen der Verbindung vom Verriege lungstyp dazwischen beruht. Diese Verbindung ist ebenfalls anfäl lig für die sogenannte "Unrundheit" oder das Schwingen der Düse auf der Spindel derart, daß die Längsachse der Düse gegenüber der Längsachse der Spindel geneigt ist.

Diese unerwünschten Bedingungen sind im allgemeinen das Resultat der Begrenzungen der Verriegelungskraft, die ausreichend sein muß, die Düse und die Spindel zusammen zu halten, und die ebenfalls schwach genug sein muß, daß sie während des Anbringungs- und Ent fernungsvorganges des oben beschriebenen Gerätes überwunden werden kann.

Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Verbindung zwischen der Spindel und den auswechselbaren Düsen so zu verbessern, daß kein winkelmäßiges Spiel der Düse um die Längsachse der Spindel möglich ist, während ein Gegenstand durch ein Vakuum gehalten wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gerät zum Aufnehmen und Abset zen von Gegenständen, das durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bestimmt ist.

Insbesondere ist ein Adapter an dem Ende einer Vakuumspindel zum Erleichtern des automatischen Befestigens und Lösens daran von verschiedenen Vakuumdüsen angebracht. Während des Befestigens einer Düse wird Vakuum benutzt, um den Adapter und die Düse zusam menzuziehen und zusammenzuhalten, wobei eine Kraft, die viel größer als die mechanische Verriegelung ist, die im Stand der Technik herkömmlich ist, benutzt wird. Die verschiedenen Düsen können Spitzen verschiedener Größen und Konfigurationen zum Angreifen an die Gegenstände derart aufweisen, daß jede Düse für die Größe und die Kontur des Gegenstandes auswählbar ist, der durch das durch die Spindel angelegte Vakuum gehalten wird. Ein neues Lager, das eine Mehrzahl von Auswechselvakuumdüsen aufnimmt, wird ebenfalls offenbart, wodurch die Düsen ausgewechselt werden können, ohne daß eine äußere Trenn- oder Anbringungskraft ausgeübt werden muß, die durch die Abwärts- oder Aufwärtsbewegung der Spin del zur Verfügung gestellt würde.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, daß eine Verbindung zwischen der Düse und der Spindel vorgesehen wird, die im wesent lichen die sogenannte "Unrundheit" oder Neigung der Längsachse der Düse relativ zu der Längsachse der Spindel ausschließt. Dabei ist es ebenfalls ein Vorteil der Erfindung, daß eine Verbindung zwischen der Düse und der Spindel vorgesehen wird, bei der eine einfach anwendbare und entfernbare Kraft der Verbindung vorgesehen ist, die viel größer als die herkömmliche Verriegelungskraft ist, während der Gegenstand durch ein Vakuum gehalten wird. Schließlich ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine mechani sche Trenn- und Zusammenfügkraft während der Auswechslung der Düse zwischen der Vakuumspindel und einem Düsenersatzlager überflüssig wird.

Weitere Zweckmäßigkeiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Ansicht, die drei Stationen eines Aus wechseldüsenhalters darstellen, wobei bei einer Station eine Spindel und eine Düse darüber positioniert sind (die gezeigte Düse ist von der Spindel nur zum Zwecke der Dar stellung getrennt), während die anderen beiden Stationen Auswechseldüsen enthalten;

Fig. 2 eine teilweise isometrische Ansicht des Auswechseldüsen halters, wobei eine Düse an einer Station davon angeord net ist und der Adapter der Spindel dahinein geführt ist;

Fig. 3 ein Querschnitt, der allgemein in die Richtung der Pfeile 3-3 gesehen wird; und

Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das die mit Ventilen gesteu erte Versorgung von positiver und/oder negativer Luft zu verschiedenen Teilen des Gerätes darstellt.

Es wird Bezug genommen auf die Zeichnungen; ein Adapter 4 weist eine Welle 6 zum Anbringen an dem Ende einer Vakuumspindel 2 eines Kopfes zum Aufnehmen und Absetzen (nicht gezeigt) für elektrische Komponenten und ähnliches auf. Der Adapter 4 weist einen Außen durchmesser sehr viel größer als der der Spindel 2 auf, damit eine relativ große Oberflächenfläche auf der Fläche (der Boden, wie er in Fig. 3 gesehen wird) des Adapters 4 zur Benutzung bei dem Vor sehen einer starren Verbindung zwischen dem Adapter 4 und einer auswechselbaren Düse 20, die im folgenden beschrieben wird, zur Verfügung steht. Die Fläche des Adapters 4 weist eine Ausnehmung auf zum Abgrenzen einer Luftkammer 8, und der Außenumfang des Adapters 4 weist eine Rille 10 auf, in der ein O-Ring 12 aufgenom men ist.

Jede Düse 20 weist eine aufwärts vorstehende ringförmige Lippe 38 auf, die die Grenzen einer Ausnehmung definiert, in die der Adap ter 4 zum Verbinden der Düse 20 mit der Vakuumspindel 2 eingepaßt wird. Die Düse 20 weist ein Loch 30 auf, das in der Mitte einer Ausnehmung 24 vorgesehen ist und mit einer Spitze 34 der Vakuum düse 20 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform von Fig. 3 kann die Düse 20 auch mit einem sogenannten "Rücklicht"-Block eines leuchtenden Materiales oder ähnlichem versehen sein, das, wenn es mit Licht bestrahlt wird, eine hervorragende Rückstrahlung für ein vorhandenes Betrachtungs system vorsieht, das beim Überprüfen des Profiles des Gegenstandes und Vorstehen der Drähte gegen das Profil und die Ausrichtung eines in einem Speicher gespeicherten Modelles prüft. Als Alterna tive kann das Material des Blockes oder der Bodenoberfläche der Düse auch so sein, daß es durchsichtig ist, reflektierend ist, brechend ist oder andere gut bekannte optische Eigenschaften auf weist.

Damit verschiedene Größen und Formen von Gegenständen gehandhabt werden können, während die gleiche Spindel 2 und der gleiche Adap ter 4 benutzt werden, wird ein Feld von Auswechseldüsen 20 an ver schiedenen Stationen 52 des Düsenhalters 40 gehalten. Stifte 60 des Halters 40 sind in einem Abstand von 120° um jede Station 52 so vorgesehen, daß sie eine seitwärtige Versetzung der Düse 20 verhindern, wenn die Düse 20 an einer Station angeordnet ist.

Wie in den Fig. 1 und 3 zu sehen ist, weist jede Station 52 eine mittlere Ausnehmung 44 auf, in die die Düsenspitze 34 vorstehen kann, die wiederum in Verbindung mit einer Öffnung 46 steht. Die Station 52 weist ebenfalls einen ringförmigen Kanal 54 auf, der mit einer Öffnung 50 in Verbindung steht.

Die Ausnehmung 44 wird von einer Lippe 76 umgeben, die wiederum von einem O-Ring 56 umgeben ist, der als eine Abdichtung zum Tren nen des Kanales 54 von der mittleren Öffnung 52 dient. Der Kanal 54 weist ebenfalls eine aufwärts vorstehende Lippe 77 auf, die ihn umgibt, und ein O-Ring 58 trennt den Kanal 54 von der umgebenden Atmosphäre. Beide O-Ringe sehen eine luftdichte Abdichtung vor, wenn die Düse 20 in der Station 52 ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, sehen in dem Halter 40 vor gesehene Bearbeitungen 62 einen größeren Anordnungsdurchmesser vor, als er durch die Stifte 60 definiert ist. Der Zweck dieser Bearbeitungen 62 ist der, daß bei Entfernen der Stifte 60 eine Düse 20 mit größerem Durchmesser in den Bearbeitungen 62 aufgenom men wird, so daß eine Station 52 zum Aufnehmen einer Auswechsel düse von größerem Durchmesser vorgesehen wird.

Wenn bei der Benutzung ein Gegenstand die Spitze 34 blockiert, evakuiert das auf die Spindel 2 ausgeübte Vakuum die Luftkammer 8 ausreichend, so daß eine starre Verbindung zwischen dem Adapter 4 und der Düse 20 vorgesehen ist. Wenn ein Gegenstand oder ein anderes Mittel zum Schließen der Spitze 34 der Düse 20 (direkt oder indirekt) nicht vorgesehen ist, dann wird eine nicht-starre Verbindung zwischen dem Adapter 4 und der Spindel 20 durch den Reibungseingriff zwischen dem O-Ring 12 und der Lippe 38 vorgese hen. Ansonsten kann ein anderes Mittel des Vorsehens einer Rei bungshalterung der Düse 20 auf dem Adapter 4 benutzt werden.

Es wird Bezug genommen auf Fig. 3, zum Aufnehmen einer Düse 20 aus dem Halter 40 werden die Spindel 2 und der Adapter 4 koaxial mit der Station 52 ausgerichtet, in der eine ausgewählte Düse angeord net ist, und dann werden sie abgesenkt, bis der Adapter 4 in die Ausnehmung 24 der ausgewählten Düse 20 eintritt. Dann sehen beim Schließen der Öffnung 46 die luftdichten Abdichtungen des O-Ringes 12 mit der Lippe 38 und des O-Ringes 56 mit der Fläche der Düse 20 vor, daß das auf die Spindel 2 durch das Ventil V1 angelegte Vakuum die zwischen dem Adapter 4 und der ringförmigen Lippe 38 der Düse 20 gebildete Kammer evakuiert, wodurch eine Kraft aus geübt wird, die ausreichend ist zum Ziehen der Düse 20 in vollen Sitzeingriff mit dem Adapter 4. Diese Anziehungskraft wird gemäß der folgenden Formel bestimmt:

Kraft = Druck (negative Kraft pro Fläche) × π R² (1)

wobei R der Innenradius der Ausnehmung 24 der Düse 20 ist.

Diese Kraft, die durch das Anlegen des Vakuums erzeugt wird, beseitigt jegliche Notwendigkeit, daß die Spindel 2 eine Abwärts kraft ausübt, die die mechanische Kraft überwinden kann, die normalerweise mit den Vorrichtungen der Düsenlager nach dem Stand der Technik notwendig sind, während eine Spindel und eine Auswech seldüse zusammengepaßt werden.

Damit die neu angebrachte Düse 20 von dem Halter 40 entfernt werden kann, werden die Öffnungen 46 und 50 der entsprechenden Station 52 gegenüber der Umgebung geöffnet, und die Spindel 2 wird zurückgezogen, wobei sie mit sich die passende Düse 20 trägt. Wenn das Ende der Spitze 34 unbedeckt und offen zur Umgebung ist, hält die Reibungspassung des O-Ringes 12 mit der Lippe 38 oder eine ähnliche Reibung oder ein ähnliches Verriegelungsverfahren den Adapter 4 und die Düse 20 mechanisch zusammen in der Abwesenheit des Vakuums oder selbst eines leichten Luftdruckes, der durch die Spindel 2 über das Ventil V1 eingeführt wird.

Bei einer Gegenstandsversorgungsstation (nicht gezeigt) wird die Spindel 2 abwärts bewegt, bis die Düsenspitze 34 die obere Ober fläche eines Gegenstandes berührt, wodurch die Spitze der Düse 20 blockiert wird. Daher vergrößert ein Vakuum, das durch die Spindel 2 gezogen wird, die Anbringungskraft zwischen dem Adapter 4 und dem Düsenhohlraum 24, während ebenfalls der Gegenstand an der Düsenspitze 34 gehalten wird. Wie in Fig. 3 gesehen wird, ist die Luftkammer 8 mehrere Male größer im Durchmesser als der Vakuumka nal durch die Spindel 2, so daß eine relativ große Klemmkraft zum Zusammenhalten des Adapters 4 und der Düse 20 erzeugt wird. Diese Kraft kann mittels der Formel (1) berechnet werden, dabei ist jedoch R der Innendurchmesser der Luftkammer 8.

Zum Beispiel erzeugt eine Vakuumkraft von -13 psi/-0,896 Bar, die in der Luftkammer 8 mit einem Radius von 0,5 Zoll/1,27 cm wirkt, eine Klemmkraft von mehr als 10 Pfund/44,48 N. Diese relativ hohe Kraft ist mehrere Male größer als die, die nur durch die mechani sche Verriegelung erzielt werden kann, und sie hat die folgenden Vorteile:

(i) das Drehspiel zwischen der Düse 20 und der Spindel 2 wird vermieden und
(ii) die Düse 20 wird in genaue planare Ausrichtung mit der Bodenoberfläche des Adapters 4 gebracht, die die Luftkam mer 8 so umgibt, daß jede Möglichkeit der Neigung der Längsachse der Düsenspitze 34 relativ zu der Längsachse der Spindel 2 vermieden wird.

Zum Anordnen einer Düse 20, die von der Spindel 2 getragen wird, auf dem Halter 40 wird die Spindel 2 koaxial mit einer ausgewähl ten leeren Station 52 des Halters 40 ausgerichtet und dann abwärts vorgeschoben, bis die Bodenoberfläche der Düse 20 die O-Ringe 56 und 58 der Station 52 berührt. Dann wird Vakuum über ein Ventil V3 an den Kanal 54 und durch die Öffnung 50 angelegt und übt eine Haltekraft auf die Düse 20 aus. Damit zusammenhängend wird positi ver Luftdruck durch ein Ventil V4 durch die Öffnung 56 und/oder durch die Spindel 2 angelegt und wirkt innerhalb der Kammer, die zwischen dem Adapter 4 und der kreisförmigen Lippe 38 der Düse 20 gebildet ist, als Trennkraft, die berechnet werden kann, indem die Formel (1) benutzt wird, wobei positive anstelle von negativen Werten für den Druck benutzt werden. Nachdem die Düse 20 von dem Adapter 4 getrennt worden ist, werden der positive Druck auf die Öffnung 46 und das Vakuum auf die Öffnung 50 nicht länger benö tigt, und sie können durch Ventile, wie die Ventile V3, V4 von Fig. 4 getrennt werden.

Daher kann die Trennung der Düse 20 von dem Adapter 4 stattfinden, ohne daß eine mechanische Klemmung der Düse 20 an dem Halter 40 oder irgend eine aufwärts gerichtete Vertikalkraft auf die Spindel 2 zum Überwinden einer Verriegelungskraft zwischen der Düse 20 und dem Adapter 4 ausgeübt wird. Somit ist eine sehr viel einfachere Konstruktion des Halters 40 möglich, und eine Spindel kann benutzt werden, die geringes Gewicht aufweist und feinfühlig zur Handha bung zerbrechlicher elektronischer Gegenstände ist. Zusätzlich können starke Kräfte des Anziehens und Zurückstoßens zwischen der Düse 20 und dem Adapter 4 leicht angelegt und wieder entfernt werden, wie es benötigt wird.

Es sei angemerkt, daß die Struktur zum Vorsehen einer vergrößerten Fläche, über die die Anziehungs- und Abstoßungskraft wirken kann, in Form und Anordnung unterschiedlich von der oben gezeigten sein kann.

Claims

1. Gerät zum Aufnehmen und Absetzen von Gegenständen zum Mon tieren elektronischer Gegenstände auf gedruckte Leiterplatten oder Substrate, bei dem eine Vakuumdüse (20), die auf einer eine Vakuumleitung enthaltenden Spindel (2) angebracht ist, zum Aufneh men eines Gegenstandes von einer Zuführung und zum Absetzen des selben auf der Platte oder Substrat benutzt wird, gekennzeichnet durch:
eine auswechselbare Vakuumdüse (20) mit einer herabhängenden Spitze (34), einer oberen planaren Oberfläche und einer pneumati schen Leitung dadurch;
einer auf der Spindel (2) angebrachten Adaptervorrichtung (4), die eine untere planare Oberfläche und eine pneumatische Leitung dadurch aufweist;
wobei mindestens eine der planaren Oberflächen eine seitenbildende Ausnehmung aufweist,
wodurch auf das Ineingriffkommen der Düse (20) und des Adapters (4) in der Gegenwart von Vakuum die planaren Oberflächen anein ander stoßen und der Adapter (4) und die Düse (20) aneinander befestigt sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, mit:
einer Quelle von Luft oder negativem Druck;
einer ersten Ventilvorrichtung (V2) zum Verbinden des Vakuums mit der Spindel (2) und zum Trennen des Vakuums von der Spindel (2) auf ausgewählte Weise;
einer Quelle von Luft oder positivem Druck;
einer zweiten Ventilvorrichtung (V2) zum Verbinden der Luft mit der Spindel (2) und zum Trennen der Luft von der Spindel (2).

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, mit:
einer Vorrichtung zum Vorsehen einer im allgemeinen nicht starren Verbindung zwischen der Spindel (2) und der Düse (20), wobei die nicht starre Verbindung ausreichend ist zum Halten der Düse (20) auf der Spindel (2), selbst wenn die Spitze (34) der Düse (20) zur Umgebungsatmosphäre hin offen ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spindel (2) eine Luftkammer (8), die in der unteren planaren Oberfläche im allgemeinen gegenüber der planaren Oberfläche der Düse angeordnet ist, aufweist und eine Abdichtvorrichtung zwischen der Ausnehmung und der Spindel zum Vorsehen einer luftdichten Abdichtung enthal ten ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit:
einem O-Ring (12).

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit:
einer Vorrichtung (40) zum Lagern von Düsen (20), die nicht an der Spindel (2) angebracht sind, wobei die Lagervorrichtung (40) Sta tionen (52) zum Aufnehmen der Düsen (20) aufweist; und
einer Vorrichtung zum Evakuieren eines Abschnittes von jeder der Stationen (52) über ein Vakuum, wenn eine Düse (20) darauf ange ordnet ist durch die Spindel (2), das ausreichend ist zum Zurück halten der Düse (20) auf der Station (52) während des Lösens der Spindel (2).

7. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit:
einer Vorrichtung zum Einführen von positivem Luftdruck in die Luftkammer (8) zum Trennen und somit Entfernen der Düse (20) von der Spindel (2) auf das Trennen des Vakuums hin von der Spindel (2).

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, bei dem jede der Stationen (52) aufweist:
eine Ausnehmungsvorrichtung (44) zum Aufnehmen einer Spitze (34) einer Düse (20);
eine Vorrichtung (56) zum Abdichten der Ausnehmungsvorrichtung (44) zu der Düse (20) um die Spitze (34); und
eine Vorrichtung (V4) zum Verbinden der Vorrichtung zum Einführen von positivem Luftdruck zu der Ausnehmungsvorrichtung (44) auf das Abdichten der Ausnehmungsvorrichtung (44) hin zu der Düse (20).

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Stationen (52) der Düsenlagervorrichtungen (40) anpaßbar sind zum Aufnehmen von Düsen (20) verschiedener Größen.