DE69632516T2

DE69632516T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestücken einer Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen

Info

Publication number: DE69632516T2
Application number: DE69632516T
Authority: DE
Inventors: Robert Wuyts
Original assignee: Framatome Connectors International SAS
Current assignee: FCI SA
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: EP0772381B1; BE1009814A5; DE69632516D1; US5924192A; JPH09199897A; EP0772381A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbau von elektronischen und anderen Bauteilen, genauer, um Verbinder vom "Einpress"-Typ in eine Leiterplatte einzubauen, die nachfolgend mit PCB bezeichnet wird.
Solche Einpressverbinder weisen einen Verbinderkörper auf, in den eine Reihe von Kontaktstiften eingesetzt sind, die an der Seite oder am Boden des Körpers vorstehen.
Die PCB ist eine relativ dünne Platte aus isoliertem Material, die mit eine Reihe von Öffnungen oder Löchern versehen ist, die mit Hilfe eines auf die Platte aufgedruckten, leitenden Materials miteinander verbunden sein können oder nicht.
Die Dicke der PCB wird nicht durch die Vorrichtung, sondern durch die Eigenschaften der verwendeten Verbinder beschränkt.
Sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung sind geeignet, um Steck- und Buchsenverbinder zu verwenden, jeweils in der geraden bzw. der um 90° gebogenen Version.
Bis heute wurden diese Verbinder meist manuell an der PCB befestigt, so dass die Wirksamkeit und Qualität der durchgeführten Verbindungen nicht immer unter optimalen Bedingungen gewährleistet werden konnte. Außerdem erfordern solche Arbeitsgänge eine beträchtliche Geschicklichkeit und Präzision, und sie schließen auch gefährliche Arbeitsgänge ein, einschließlich des Einpressens der Verbinder unter einer schweren Presse.
Es gibt bereits Vorrichtungen, die elektronische Bauteile automatisch von einem Zufuhrkanal abnehmen und in eine PCB einpressen.
Zum Beispiel gibt es mit einem drehenden Kopf versehene Vorrichtungen, die Greifarme aufweisen, welche Bauteile nacheinander aufnehmen und sie in eine PCB drücken. Solche Vorrichtungen sind unter anderen aus dem belgischen Patent BE 903.742 im Namen der Anmelderin und aus dem deutschen Patent DE 34 24 323 bekannt.
Diese Vorrichtungen sind aber nur geeignet, einfache Kontaktstifte oder kleine elektronische Bauteile in eine PCB einzufügen; sie sind unzureichend, um mehrere Kontaktstifte gleichzeitig einzupressen, wie es bei Verbindern erforderlich ist, die bereits mit den erforderlichen Kontaktstiften versehen sind, da es notwendig ist, eine Einführkraft zwischen 6 und 20 kg pro Kontaktstift vorzusehen, so dass Verbinder, die 200 oder mehr Kontaktstifte aufweisen können, einen Druck von etwa 4 Tonnen erfordern.
Um eine Reihe von Kontaktstiften für einen Verbinder einzuführen, ist es außerdem notwendig zu gewährleisten, dass die Enden der Kontaktstifte alle genau zueinander fluchtend angeordnet sind, um zu vermeiden, dass die Stifte beim Einführen in die entsprechenden Löcher in der PCB beschädigt werden.
Das Patent US-A-4.718.165 beschreibt eine Vorrichtung, die mit einem Aufnehmerkopf zum Aufnehmen von Verbindern und ihrem Einführen mit ihren Kontaktstiften in die entsprechenden Löcher einer PCB ausgestattet ist. Die Vorrichtung hat ein Mittel in Form eines doppelten Kamms, das die Kontaktstifte korrekt zueinander in Flucht bringt, ehe sie in die PCB eingeführt werden. Die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist mit Mitteln zum Aufnehmen, zum fluchtenden Ausrichten und zum Einführen von Kontaktstiften eines einzigen Typs (lang) von Verbinder versehen. Außerdem sind die Mittel zur fluchtenden Ausrichtung der Kontakte mechanisch kompliziert und zeitraubend, so dass eine kontinuierliche Bewegung der verschiedenen Arbeitsgänge nicht möglich ist.
Die Druckschrift US-A-4 598 456 offenbart ein System zum automatischen Einführen der Anschlüsse elektrischer Bauteile in Leiterplatten. Die Bauteile werden an einer festen Stelle und in Sichtweite eines optischen Sensors, wie zum Beispiel einer Fernsehkamera, positioniert. Die Stelle jedes der Anschlüsse des Bauteils wird in Bezug auf die feste Stelle bestimmt. Das Bauteil wird dann um zwei vorbestimmte Winkel gedreht, wodurch die Stellungen der Anschlüsse jedes Mal bestimmt werden. Die genaue Stellung der Anschlüsse wird auf der Basis der bekannten Drehachse und des bekannten Drehradius jedes der Anschlüsse berechnet. Als Ergebnis dieser Berechnungen wird der längste Anschluss in das gewünschte Loch der Leiterplatte eingeführt, und der Prozess wird wiederholt, um alle Anschlüsse des Bauteils einzuführen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein vollautomatisches und kontinuierliches Einführen von Einpressverbindern in eine PCB zu gewährleisten, wobei die korrekte Einführung der verschiedenen Kontaktstifte in die entsprechenden Löcher der PCB durch eine Sichtprüfung, gefolgt von der Korrektur der Stellung der Stifte in Bezug auf die Löcher, gewährleistet wird.
Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht, eine große Anzahl verschiedenartiger Verbinder von ihren jeweiligen Zufuhrkanälen aufzunehmen und sie selektiv in die PCB einzuführen.
Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, die Betriebsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit der oben erwähnten Arbeitsgänge beträchtlich zu erhöhen.
Um diese Ziele zu erreichen, sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung durch Arbeitsgänge und Mittel gekennzeichnet, die in den auf die Beschreibung folgenden Ansprüchen ausführlicher erklärt sind.
Zur besseren Erklärung der Erfindung und weiterer Merkmale wird nachfolgend eine besondere Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 eine schematische Darstellung der Anordnung und der Bewegungen der Hauptbauteile der Vorrichtung ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß bestückten Vorrichtung mit dem Mittel zur Sichtprüfung ist.
Die Hauptbauteile der Erfindung sind schematisch in 1 gezeigt und enthalten einen ortsfesten Sockel 10 mit einem mittig angeordneten Tisch 12, auf dem eine oder mehr PCBs 14 befestigt sind. Der Tisch 12 kann sich entlang einer Achse X quer unterhalb eines Gerüsts 16 bewegen, dessen senkrechte Balken an der Unterseite am ortsfesten Sockel 10 befestigt sind.
Eine Gerüstanordnung wurde wegen ihrer Genauigkeit und Stabilität gewählt. Das Gerüst 16 und der Sockel 10 bestehen vorzugsweise aus Granit.
Mit einer Portalanordnung ist die Genauigkeit besser kontrollierbar als mit einem X-X-Tisch. Ein Gerüst erlaubt das direkte Aufnehmen und Einführen und ermöglicht es außerdem, dass die Vorrichtung in eine Herstellungsreihe mit automatischer Zufuhr und Ausgabe von Bauteilen und fertigen Produkten eingesetzt wird.
Unter dem Querbalken des Gerüsts 16 ist ein Schlitten 18 eingesetzt, der sich entlang einer Y-Achse und daher quer über den Tisch 12 zwischen den senkrechten Balken des Gerüsts 16 bewegen kann.
Der Schlitten 18 ist mit einem Aufnahme-und-Einführkopf 20 versehen, der sich entlang der Z-Achse auf und ab bewegen und auch eine Drehbewegung durchführen kann.
Ein Greifmechanismus 22, der unter dem Kopf 20 angeordnet ist, kann sich so in Bezug auf die PCB 14 folgendermaßen bewegen: quer über die PCB, auf und ab, und in Drehbewegung.
Unter der PCB befindet sich ein Trägermechanismus in Form eines Ambosses 30, der auch auf einen Schlitten 28 montiert ist und sich wie der Kopf 20 entlang einer Y-Achse bewegen kann.
Der Amboss 30 kann sich wie der Kopf 20 auf und ab entlang einer Z-Achse bewegen und eine Drehbewegung ausführen.
Die Oberseite des Ambosses 30 ist mit einem Aufnahmemechanismus 32 versehen, der sich unter der PCB folgendermaßen in Bezug auf diese bewegen kann: quer unter der PCB, auf und ab und in Drehbewegung.
Um es zu ermöglichen, dass verschiedene Arten von Verbindern aufgenommen und in die PCB eingeführt werden können, sind der Greifmechanismus 22 des Kopfes 20 und der Aufnahmemechanismus 32 des Ambosses 30 je mit Mitteln ausgestattet, um automatisch geeignete Werkzeuge aus den Magazinen 40 bzw. 60 aufzunehmen, wobei diese Werkzeuge es ermöglichen, jeden spezifischen Verbinder von einem der Zufuhrkanäle 50 aufzunehmen, um ihn in die PCB einzuführen, wobei die PCB von einem geeigneten Werkzeug auf dem Amboss 30 gehalten wird.
Die Vorrichtung erfordert einen Werkzeugsatz für jede Art von Verbinder.
Der Werkzeugsatz enthält ein unteres Werkzeug für den Amboss 30 und ein oberes Werkzeug für den Aufnahme- und Einführ-Kopf 20.
Die verschiedenen oberen Werkzeuge für den Kopf 20 befinden sich in einem Magazin 40, das an einer Seite des Gerüsts 16 oberhalb der Höhe des Tischs 12 montiert ist.
Die verschiedenen entsprechenden Werkzeuge für den Amboss 30 befinden sich in einem Magazin 60, das auf der gleichen Seite wie das Magazin 40, aber unterhalb der Höhe des Tischs 12 montiert ist.
Beide Werkzeugmagazine 40 und 60 sind beweglich montiert, so dass sie sich entlang einer X-Achse, d. h. quer zur Y-Achse des Kopfes 20 und des Ambosses 30, bewegen können.
Jedes der Werkzeuge, das in den Magazinen 40 und 60 angeordnet werden kann, kann also genau dem Greifmechanismus 22 des Kopfes 20 bzw. dem Aufnahmemechanismus 32 des Ambosses 30 gegenüber angeordnet werden.
Wenn ein geeignetes oberes Werkzeug vom Mechanismus 22 des Kopfes 20 aus dem Magazin 40 entnommen und ein entsprechendes unteres Werkzeug vom Mechanismus 32 des Ambosses 30 aufgenommen wurde, kann der Schlitten 18 des Kopfes 20 sich entlang der Y-Achse zur anderen Seite des Gerüsts 16 bewegen, wo eine Reihe von Zufuhrkanälen 50 oder ähnliches montiert sind, von denen der ge eignete Verbinder vom Kopf 20 aufgenommen und festgehalten werden kann.
In der Zwischenzeit positioniert sich das untere Werkzeug des Ambosses 30 unter den Löchern in der PCB, in die die Stifte des gewählten Verbinders eingeführt werden sollen.
Als Ergebnis der Drehbewegung des Kopfes 20 bzw. des Ambosses 30 kann ein Verbinder aus einem Zufuhrkanal 50 aufgenommen werden, der in einer Richtung entlang der X-Achse liegt, und kann dann gedreht und anschließend in die PCB entlang der Y-Achse eingeführt werden, wobei die PCB vom unteren Werkzeug des Ambosses 30 gehalten wird, das auch. zu diesem Zweck gedreht hat.
Der Werkzeugtausch wird entsprechend dem PCB-Bauteilmontageprogramm (Computerprogramm) automatisch durchgeführt, das in der Steuereinheit der Vorrichtung gespeichert ist und hier nicht weiter beschrieben wird.
Erfindungsgemäß wird während der Bewegung des Kopfes 20 mit dem aufgenommenen Verbinder zwischen dem Zufuhrkanal 50 und der PCB 14 eine Sichtprüfung der Stellung der Kontaktstifte des aufgenommenen Verbinders und der Stellung der Löcher in der PCB durchgeführt, in die die Stifte eingeführt werden sollen.
2 zeigt die Anordnung der Mittel, welche die Durchführung dieser Sichtprüfung ermöglichen. Diese Mittel können zum Beispiel Kameras sein.
Eine ortsfeste Kamera 70 ist zwischen den Zufuhrkanälen 50 und dem Tisch 12 (PCB) angeordnet. Jeder aufgenommene Verbinder wird mit Hilfe des Aufnahmekopfes 20 über der Kamera 70 bewegt, so dass ein Bild der Unterseite des Verbinders von der optischen Achse der Kamera 70 direkt oder über einen Spiegel 72 registriert wird.
Das notwendige Licht wird von Lampen 74 vom Typ Halogenlampe oder Leuchtdiode geliefert, die vorzugsweise ein diffuses Licht ausstrahlen.
Die Fokussierebene der Kamera 70 ist ortsfest, und das Fokussierfeld der Kamera muss daher durch eine Auf- und Abbewegung (entlang der Z-Achse) des Aufnahme- und Einführ-Kopfes 20 eingestellt werden.
Die Kamera 70 ist vorzugsweise vom CCD-Typ mit asynchronem Verschluss, mit der Standbilder von der Unterseite des beweglichen Verbinders (mit den vorstehenden Kontaktstiften) gemacht werden können.
Die Stellung der Kontaktstifte und/oder des Verbindergehäuses im Verhältnis zur Mitte der Einführachse wird vom Bild oder von der Reihe von Bildern bestimmt.
Eine zweite Kamera 80 ist auf dem Schlitten 18 des Aufnahme- und Einführ-Kopfes 20 angeordnet, wobei diese zweite Kamera 80 vorzugsweise eine Kamera vom normalen CCD-Array-Typ ist, die die Stellung der entsprechenden Löcher in der PCB sichtbar machen kann.
Mit Hilfe des Schlittens 18 kann die Kamera 80 quer über der PCB angeordnet werden. Die optische Achse der Kamera 80 wird über eine bekannte Entfernung entlang der X- und Y-Achsen in Bezug auf die Achse des Kopfes 20 verschoben.
Die Kamera 80 wird über einem Loch in der PCB in einer Stellung angeordnet, in der das Loch tatsächlich sein sollte, ohne Berücksichtigung von Fertigstellungstoleranzen. Die Mitte des Lochs wird ausgehend von der tatsächlichen Kamerastellung berechnet.
Mittels Durchführung mehrerer Messungen für jede PCB können die tatsächlichen Stellungen des Bohrmusters gefunden (gemessen) werden.
Da die Kamera 80 auf den Schlitten 18 montiert ist, muss sie mit einer selbstregelnden Bildschärfe versehen sein, so dass das Bild auf die Löcher oder auf bereits montierte Bauteile oder Verbinder eingestellt werden kann.
Während des Transports oder Flugs des Verbinders von einem Zufuhrkanal 50 zu einer Montagestellung oberhalb der PCB werden die Bilder der beiden Kameras 70 und 80 übereinander gelegt und verglichen, damit eine XY-Korrektur durchgeführt werden kann, so dass die Verbinderkontaktstifte in den Mitten der entsprechenden Löcher mit einer möglichst nahen Annäherung positioniert werden können. Wenn gemäß den Bildern keine erfolgreiche Bauteilmontage möglich ist, wird der Verbinder zurückgewiesen.
Als zusätzliche Sicherheitsüberprüfung kann der Aufnahme- und Einführkopf 20, wie bereits von ähnlichen Vorrichtungen bekannt, mit einer Kraftmesseinheit versehen werden, deren Ausgangssignal proportional zur Einführkraft ist. Für jede Art Verbinder wird ein ideales Kräftediagramm in der Steuereinheit (Computer) gespeichert. Für jeden Bauteilmontagevorgang wird die tatsächliche Kraftkurve gemessen und mit dem normalen Diagramm verglichen. Wenn der Unterschied zur ausgeübten Kraft "zu groß" oder "zu klein" ist, wird die Maschine angehalten.
Selbstverständlich können das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch im "invertierten" Modus betrieben werden, das heißt, dass die Kamera 80 auch die Sichtprüfung der Stellung von Anschlüssen eines bereits installierten Verbinders durchführen kann, und dass die Kamera 70 nach der Stellung der Löcher in einem Verbinderkontaktschutz sucht, die auf Stiften eines bereits installierten, ersten Verbinders angeordnet werden sollen.
Die wichtigsten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind:

– große Zuverlässigkeit der fertiggestellten PCBs;
– hohe Zuverlässigkeit der Bauteilmontage auf die PCB, sogar bei unterschiedlichen Verbindertypen;
– große Anwendungsflexibilität: gleichzeitige Behandlung mehrerer PCBs, Einbau von Verbindern mit gerade nach unten oder zur Seite vorstehenden Kontaktstiften oder um 90° umgebogenen Stiften;
– Möglichkeit des sofortigen Einfügens von Einpressverbindern mit mehr als 150 Kontaktstiften;
– einfache mechanische Konstruktion und wirksame Anordnung der beweglichen Teile (Tisch, Aufnahme- und Einführkopf und Amboss).

Claims

Verfahren zum Einbau elektronischer Bauteile, die mit einer Reihe von Kontaktstiften versehen sind, in ein anderes Bauteil, wie zum Beispiel eine Leiterplatte (14), wobei ein Aufnahme-und-Einführ-Kopf (20) sich in einer bestimmten Richtung (Y) zwischen einer Zufuhreinheit (50) für elektronische Bauteile und einem Tisch (12) bewegt, der sich in eine andere Richtung (X) bewegen kann und auf dem das andere Bauteil (14) befestigt ist, wobei während der Bewegung des Aufnahme-und-Einführ-Kopfes (20), der ein elektronisches Bauteil von der Zufuhreinheit (50) aufgenommen hat, zwischen der Zufuhreinheit (50) und dem Tisch (12) mit dem anderen Bauteil (14) eine Sichtprüfung des elektronischen Bauteils mit seinen Kontaktstiften durchgeführt wird, um die tatsächliche Stellung der Stifte in einem ersten Bild zu bestimmen, die mit der Stellung der entsprechenden Löcher im anderen Bauteil (14) verglichen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sichtprüfung der Stellung der Löcher im anderen Bauteil (14) durchgeführt wird, wobei ein zweites Bild der tatsächlichen Stellung der Löcher erhalten wird, wonach das erste und das zweite Bild übereinander gelegt werden, um einen Vergleich zu ermöglichen, und wenn nötig, eine XY-Korrektur durchgeführt wird, um die Kontaktstifte des Bauteils so weit wie möglich in der Mitte der entsprechenden Löcher im anderen Bauteil (14) anzuordnen.
Vorrichtung zum Einbau von mit einer Reihe von Kontaktstiften versehenen elektronischen Bauteilen in eine Leiterplatte (14), wobei die Vorrichtung im wesentlichen mit einem Unterrahmen oder Sockel (10), auf den ein Tisch (12) montiert ist, der sich in einer ersten Richtung (X) bewegen kann, und mit einem Aufnahme-und-Einführ-Kopf (20) versehen ist, der sich in einer zweiten Richtung (Y) oberhalb des Tischs (12) senkrecht zur ersten Richtung zwischen einer Zufuhreinheit (50) für elektronische Bauteile und dem Tisch (12) bewegen kann, auf dem die Leiterplatte (14) befestigt ist, wobei zwischen der Zufuhreinheit (50) und dem Tisch (12) Sichtprüfungsmittel (70) eingebaut sind, die es ermöglichen, ein erstes Bild der tatsächlichen Stellung der Kontaktstifte des aufgenommenen Bauteils zu machen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Aufnahme-und-Einführ-Kopfes (20) Sichtprüfungsmittel (80) befestigt sind, die sich mit dem Kopf (20) bewegen und quer über der Platte (14) angeordnet werden können, um ein zweites Bild zu registrieren, das die tatsächliche Stellung der Löcher in der Platte (14) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahme-und-Einführ-Kopf (20) auf einen Schlitten (18) montiert ist, der sich quer (entlang einer Y-Achse) über dem Tisch (12) bewegen kann und unter dem Querbalken eines Gestells (16) befestigt ist, das über die Unterseite seiner senkrechten Pfosten mit dem festen Sockel (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (10) und das Gestell (16) aus Granit sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter dem Tisch (12) ein Stützmechanismus in Form eines Ambosses (30) angeordnet ist, der auf einen Schlitten (28) montiert ist und sich entlang einer Y-Achse und auch gemäß der Z-Achse nach oben und nach unten bewegen kann, um die Platte (14) halten zu können, während eine Reihe von Stiften eingedrückt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite der Aufnahme-und-Einführ-Vorrichtung (20) ein Greifmechanismus (22) eingebaut ist, der es für die verschiedenen Typen von elektronischen Bauteilen ermöglicht, ein geeignetes Werkzeug von einem Magazin (40) aufzunehmen, das auf der der Zufuhreinheit (50) entgegengesetzten Seite des Gestells (16) auf einem höheren Niveau als der Tisch (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Ambosses (30) mit einem Aufnahmemechanismus (32) versehen ist, der es für die verschiedenen Typen von elektronischen Bauteilen ermöglicht, ein geeignetes Werkzeug von einem Magazin (60) zu empfangen, das auf der der Zufuhreinheit (50) entgegengesetzten Seite des Gestells (16) auf einem höheren Niveau als der Tisch (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtprüfungsmittel (70) aus einer Kamera vom Typ mit asynchronem Verschluss bestehen, mit der Standbilder von der Unterseite des beweglichen Teils mit den vorstehenden Kontaktstiften gemacht werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtprüfungsmittel (80) aus einer Kamera vom normalen CCD-Typ bestehen, die die Stellung der entsprechenden Löcher in der Platte (14) bestimmt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahme-und-Einführ-Kopf (20) mit einer Kraftmesseinrichtung versehen ist, deren Ausgangssignal proportional zu der Kraft ist, mit der die Kontaktstifte in die Platte (14) eingedrückt werden.