DE69723783T2

DE69723783T2 - Positioniervorrichtung und bauteilplazierungsmaschine mit einer solchen positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE69723783T2
Application number: DE69723783T
Authority: DE
Inventors: Johannes Adrianus VERMEER; Arnoldus Petrus DE BIE; Gerard Jeroen COX
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: DE69723783D1; EP0826295A2; JPH11506212A; EP0826295B1; WO1997034461A3; WO1997034461A2; US5902201A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positionierungsvorrichtung mit einem Chassis, der mit wenigstens zwei Rädern versehen ist, wobei ein schleifenartiges Zugelement um die Räder gestrafft ist, mit einer Last, die mit dem Zugelement verbunden ist, wobei diese Last gegenüber dem Chassis verlagerbar ist und zusammen mit dem Zugelement eine geschlossene Schleife bildet, weiterhin mit einem Antriebsmittel zum Antreiben der Last über einen ersten Teil des Zugelementes, wobei dieser erste Teil zwischen der Last und den Antriebsmitteln vorgesehen ist, und über einen zweiten Teil des Zugelementes, wobei dieser zweite Teil zwischen der Last und dem Antriebsmittel vorgesehen ist, mit Straffungsmitteln, die mit der Last verbunden sind zum Straffen des Zugelementes, wobei diese Straffungsmittel über einen ersten Angriffspunkt auf den ersten Teil des Zugelementes und über einen zweiten Angriffspunkt auf den zweiten Teil des Zugelementes einwirken.
Eine derartige Positionierungsvorrichtung ist an sich aus Drain-Elektrode 44 04 613 bekannt. Die bekannte Positionierungsvorrichtung ist ein vertikaler Heber, mit dessen Hilfe ein Träger über einen Zahnriemen in einer vertikalen Richtung positioniert werden kann. Der Zahnriemen arbeitet mit zwei Rädern zusammen, wobei eines der Räder antreibbar ist. Der Zahnriemen hat einen ersten Teil, der sich unterhalb des Trägers erstreckt und über Straffungsmittel in Form einer Feder mit dem Träger gekuppelt ist. Der Zahnriemen hat einen zweiten Teil, der sich über den Träger erstreckt und unmittelbar mit dem Träger verbunden ist. Die totale Verlängerung in dem Zugelement ist abhängig von der Lage des Trägers. Die Verlängerung wird mit Hilfe der genannten Feder kompensiert. Ein Nachteil der bekannten Positionierungsvorrichtung ist, dass die in dem Zahnriemen vorherrschenden Zugkräfte relativ groß sind, wodurch der Verschleiß des Zahnriemens und der Radlager wesentlich ist.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Positionierungsvorrichtung der eingangs beschriebenen An zu schaffen, wobei die in dem Zugelement vorherrschenden Spannkräfte kleiner sind als bei dem bekannten System. Dazu weist die Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Verbindung zwischen der Last und dem Zugelement einen Kupplungsmechanismus umfasst, mit dessen Hilfe eine erste relative Verlagerung gegenüber der Last in einer ersten Richtung mit einer zweiten relativen Verlagerung des Angriffspunktes gegenüber der Last in einer Richtung gegenüber der ersten Richtung gekoppelt wird. Bei der bekannten Vorrichtung wird die Spannung in dem ersten Teil des Zugelementes durch Spannmittel im Wesentlichen konstant gehalten. Dadurch kann eine durch die Antriebsmittel auf die Last ausgeübte Kraft nur dadurch übertragen werden, dass in dem zweiten Teil des Zugelementes die Spannung variiert wird. Die Spannung in dem Zugelement soll dann nach wie vor größer sein als Null, so dass die Vorspannkraft, der das Zugelement ausgesetzt wird, der zu übertragenden Kraft wenigstens entsprechen und die maximale Spannung in dem Zugelement ist wenigstens zweimal größer als die zu übertragende Kraft. Durch die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung kann das Zugelement an der Stelle der Last vorbelastet werden, während eine von den Antriebsmitteln auf die Last ausgeübte Kraft dennoch zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des Zugelementes aufgeteilt wird. Dadurch kann die auf das Zugelement wirkende Vorspannkraft reduziert werden und die maximale Spannung, die auftritt, wird kleiner. Weiterhin stellt es sich heraus, dass es durch die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung möglich wird, die Starrheit der Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Last in Abhängigkeit von dem Gebrauch zu optimieren. Vorspannung an der Stelle der Last unter Anwendung der Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung hat ebenfalls den Vorteil, dass eine Stelle der Last gegenüber dem Chassis erhalten wird, die unabhängig ist von der Längenvariationen des Zugelementes. Diese Längenvariationen treten beispielsweise auf als Ergebnis von Expansion und Subtraktion des Zugelementes, verursacht durch Temperaturschwankungen. Insbesondere wenn das Zugelement aus einem Kunststoff hergestellt ist, können diese Längenvariationen die Genauigkeit des Positionierungssystems beeinträchtigen. Durch Selektion eines geeigneten Übersetzungsverhältnisses zwischen der ersten und der zweiten relativen Bewegung kann die genannte Stelle in dem zu bedeckenden Bereich zentriert werden, wodurch der Einfluss von Längenvariationen des Zugelementes auf die Positionierungsgenauigkeit minimiert wird.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Kupplungsmechanismus ein Übersetzungsverhältnis i zwischen der ersten relativen Bewegung und der zweiten relativen Bewegung zwischen 0,5 und 2 hat. Es hat sich herausgestellt, dass diese Maßnahme die maximal auftretende Spannung auf Zweidrittel der maximalen Spannung reduziert, die in der bekannten Vorrichtung auftritt.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass 0,8 < i < 1,25 ist. Es hat sich herausgestellt, dass diese Maßnahme die maximale Spannung sogar noch weiter auf 55% der maximalen Spannung reduziert, die in der bekannten Vorrichtung auftritt.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Straffungsmittel eine effektive erste Steifigkeit gegenüber den Angriffspunkten haben und das Zugelement eine zweite Steifigkeit zwischen den Angriffspunkten hat, und die zweite Steifigkeit kleiner ist als ein Zehntel der ersten Steifigkeit. Eine relativ geringe effektive Steifigkeit der Straffungsmittel hat den Vorteil, dass die Vorspannkraft in dem Zugelement kaum variiert, und zwar durch eine Bewegung des ersten und des zweiten Angriffspunktes gegenüber einander. Dadurch haben beispielsweise Temperaturschwankungen nur einen geringen Einfluss auf die Vorspannkraft. Weiterhin macht dies die Vorspannkraft unempfindlich für Herstellungstoleranzen, die während des Zusammenbauens einer derartigen Positionierungsvorrichtung ungebeten auftreten. Bei der bekannten Positionierungsvorrichtung führt eine relativ geringe effektive Steifigkeit der Straffungsmittel zu einer relativ geringen Steifigkeit der Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Last, während in der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Starrheit der Verbindung durch die Steifigkeit der Straffungsmittel kaum beeinträchtigt wird. Außerdem hat es sich herausgestellt, dass durch die Maßnahme die Steifigkeit der Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Last im Wesentlichen unabhängig ist von der Position der Last gegenüber den Antriebsmitteln, wenn 0,8 < i < 1,25 ist. Dadurch ist die Eigenfrequenz, die durch die Masse der Last und die Steifigkeit der Verbindung bestimmt wird, im Wesentlichen konstant, was ermöglicht, dass das Verhalten der Positionierungsvorrichtung besser vorgesagt werden kann und was Wahrscheinlichkeit, dass diese Eigenfrequenz mit einer anderen Resonanzfrequenz in der Positionierungsvorrichtung zusammenfällt, reduziert. Ein derartiges Zusammentreffen von Eigenfrequenzen kann zu Resonanzen der Last und dadurch zu einer ungenauen Positionierung führen.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die zweite Steifigkeit nicht größer ist als ein Hundertstel der ersten Steifigkeit. Durch diese Maßnahme wird die Vorspannkraft noch besser eingehalten, während die Steifigkeit der Verbindung nach wie vor relativ hoch ist. Vorzugsweise ist die zweite Steifigkeit sogar Null. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Kolbens in einem Druckzylinder erreicht werden, der auf einem konstanten Druck gehalten wird.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Kupplungsmechanismus einen Hebel aufweist, dessen erster Schenkel mit dem ersten Angriffspunkt gekuppelt ist und dessen zweiter Schenkel mit dem zweiten Angriffspunkt gekuppelt ist, und wobei der Zapfen des Hebels mit der Last gekuppelt ist. Auf diese Weise wird der Kupplungsmechanismus durch sehr einfache Mittel implementiert, während außerdem das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten relativen Bewegung auf einfache Weise durch eine geeignete Selektion der Stelle des Zapfens gegenüber den Angriffspunkten eingestellt werden kann.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Kupplungsmechanismus einen ersten Hebel aufweist, von dem ein erster Schenkel mit dem ersten Angriffspunkt gekuppelt ist und von dem ein zweiter Schenkel mit dem zweiten Angriffspunkt gekuppelt ist, und wobei der Zapfen des Hebels mit der Last gekuppelt ist, und eine Kupplung, die einen ersten Schenkel des ersten Hebels und einen zweiten Schenkel des zweiten Hebels kuppelt. Diese Maßnahme bietet eine größere Entwurfsfreiheit. So kann auf diese Weise beispielsweise die Verbindungslinie zwischen den Angriffspunkten parallel zu der Richtung orientiert werden, in der die Last positioniert wird. Dies vermeidet, dass das Zugelement ein Drehmoment auf die Last ausübt. Weiterhin ermöglicht dies, dass der Kupplungsmechanismus effektiver in dem verfügbaren Raum eingebettet wird.
Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Straffungsmittel Drängemittel aufweisen, welche die Hebel einem Drehmoment aussetzen um den ersten Angriffspunkt und den zweiten Angriffspunkt aufeinander zu zu zwingen. Durch diese Maßnahmen werden die Kupplungen zwischen den Hebeln und den Angriffspunkten und Zapfen zwischen den Hebeln und der Last vorgespannt, wodurch es zwischen dem Zugelement und der Last keine verlorene Bewegung gibt. Dies ermöglicht es, dass die Last gegenüber dem Chassis genau positioniert wird.
Ein Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Kupplungsmechanismus ein rautenförmiges Gebilde aufweist, das die nachfolgenden Element umfasst:

– ein erstes Element, das über einen ersten Zapfen mit einem zweiten Element verbunden ist,
– ein drittes Element, das über einen zweiten Zapfen mit dem zweiten Element verbunden ist,
– ein viertes Element, das über einen dritten Zapfen mit dem dritten Element sowie über einen vierten Zapfen mit dem ersten Element verbunden ist,
– wobei der Kupplungsmechanismus mit dem ersten Angriffspunkt in der Nähe des ersten Zapfens sowie mit dem zweiten Angriffspunkt in der Nähe des dritten Zapfens verbunden ist, und
– wobei der Kupplungsmechanismus mit der Last in der Nähe des zweiten Zapfens und in der Nähe des vierten Zapfens mit Hilfe von Kupplungsmechanismen verbunden ist, die eine Bewegung des zweiten Zapfens bzw. des vierten Zapfens erlauben, und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Last verlagerbar ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass Kräfte, die senkrecht zu der Richtung orientiert ist, in der die Last beweglich ist, nicht durch den Kupplungsmechanismus von dem Zugelement zu der Last übertragen werden. Dadurch werden beispielsweise Lagermittel, die für die Last vorgesehen sein können in geringerem Maße belastet und Bewegungen der Last in einer unerwünschten Richtung werden vermieden. Ein weiterer Vorteil diese Maßnahmen ist, dass der erste und der zweite Angriffspunkt eine rein lineare Bewegung durchführen kann. Dies ermöglicht, dass die Kräfte, die auf die Last ausgeübt werden, in der Mitte der Last beibehalten werden, wodurch das Zugelement kein Drehmoment auf die Last ausübt.

Eine Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Positionierungsvorrichtung eine Messvorrichtung aufweist um die Position der Last in ein Positionssignal umzuwandeln, sowie einen elektrisch gesteuerten Motor, der einen Teil der Antriebsmittel bildet, und ein Steuersystem zur Steuerung des Motors auf Basis der Differenz zwischen einem Bezugssignal, das eine gewünschte Position darstellt, und dem Positionssignal. Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass die Last sehr genau positioniert wird, weil das Steuersystem Abweichungen zwischen der gewünschten Position und der gemessenen Position durch Antrieb des Motors korrigieren wird. Die Bandbreite des zweiten Steuersystems bestimmt, wie schnell und mit welcher Genauigkeit die gewünschte Position erreicht werden kann. Die Geschwindigkeit und die Genauigkeit der Positionierungsvorrichtung nimmt zu, je nachdem die Bandbreite zunimmt. Die maximal mögliche Bandbreite wird aber durch die geringste Steifigkeit der Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Last begrenzt. Eine zu große Bandbreite gegenüber dieser Starrheit macht das Steuersystem unstabil und kann dazu führen, dass dieses System zu schwingen anfängt. Im Wesentlichen gewährleisten die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung dass die minimale Steifigkeit in der Verbindung zwischen dem Antriebsmechanismus und der Last im Vergleich zu dem bekannten System gesteigert wird, wodurch auf diese An und Weise ermöglicht wird, dass die Bandbreite erweitert wird und die Positionierungsgenauigkeit und die Geschwindigkeit gesteigert werden können. Weiterhin können die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung die genannte Steifigkeit von der Lage der Last unabhängig gemacht werden, wodurch die Positionierungsgenauigkeit von der Lage der Last unabhängig ist.
Die vorliegende Erfindung kann auf vorteilhafte Weise in einer Bestückungsmaschine mit einem Rahmen und einem Greifer zum Greifen und Platzieren eines Bauelementes verwendet werden. Die Positionierungsvorrichtung dient dann zum Positionieren des Greifers gegenüber dem Rahmen. Es ist dabei wichtig, insbesondere bei Bestückungsmaschinen zum Anbringen von Bauelementen auf einer Printplatte, dass eine Last, d. h. in dem vorliegenden Fall, ein Greifer, mit hoher Geschwindigkeit und mit großer Genauigkeit positioniert werden kann. Die relativ großen Abstände, über die ein derartiger Greifer bewegt werden muss, machen einen Zahnriemenantrieb eine wirtschaftlich interessante Option. Die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung reduzieren den Verschleiß der Positionierungsvorrichtung und ermöglichen gleichzeitig, dass eine hohe Positionierungsgenauigkeit erzielt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
2 eine Einzelheit der in 1 dargestellten Ausführungsform,
3 eine vereinfachte Darstellung der ersten Ausführungsform, welche die Kräfte und Bewegungen schematisch darstellt,
4 eine Darstellung zweier Kräfte in der ersten Ausführungsform als eine Funktion eines Übersetzungsverhältnisses eines Kupplungsmechanismus,
5 eine Darstellung einer relativen Steifigkeit der Verbindung des Antriebsmechanismus mit der Last als eine Funktion der Position der Last für verschiedene Werte des Übersetzungsverhältnisses des Kupplungsmechanismus im Falle einer ersten effektiven Steifigkeit der Straffungsmittel,
6 eine Darstellung entsprechend der aus 5 in dem Fall, wo die Straffungsmittel eine zweite effektive Steifigkeit haben,
7 eine Darstellung entsprechend der aus den 5 und 6 in dem Fall, wo die Straffungsmittel eine dritte Steifigkeit haben,
8 eine Einzelheit einer zweiten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
9 eine Einzelheit einer dritten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
10 eine Darstellung einer Bestückungsmaschine mit einer Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Positionierungsvorrichtung umfasst ein Chassis 1, das mit wenigstens zwei Rädern versehen ist, in dem vorliegenden Fall mit einem Antriebsrad 2, angeordnet auf der Welle eines Motors 6, und mit einem Gegenrad 3. Die Positionierungsvorrichtung umfasst weiterhin ein schleifenförmiges Zugelement 4, beispielsweise einen Zahnriemen oder eine Kette, der bzw. die um die Räder 2 und 3 gespannt ist. Die Positionierungsvorrichtung umfasst weiterhin eine Last 5, die mit dem Zugelement 4 verbunden ist, wobei diese Last gegenüber dem Chassis 1 bewegbar ist und zusammen mit dem Zugelement 4 eine geschlossene Schleife bildet. Das Antriebsrad 2 und der Motor 6 bilden ein Antriebsmittel zum Antreiben der Last 5 über einen ersten Teil 41 des Zugelementes 4, wobei dieser erste Teil zwischen der Last 5 und dem Antriebsrad 2 vorgesehen ist, und über einen zweiten Teil 42 des Zugelementes 4, wobei dieser zweite Teil zwischen der Last und dem Antriebsrad 2 vorgesehen ist. Die Last 5 trägt Straffungsmittel zum Straffen des Zugelementes 4. Diese Straffungsmittel, in dem vorliegenden Fall eine Spiralfeder 7, wirken über einen ersten Angriffspunkt A auf den ersten Teil 41 des Zugelementes 4 und über einen zweiten Angriffspunkt B auf den zweiten Teil 42 des Zugelementes 4. Die Spiralfeder 7 hält das Zugelement 4 unter Spannung. Die Last 5 ist über einen Kupplungsmechanismus 8 mit dem Zugelement 4 gekuppelt. Der Kupplungsmechanismus 8 kuppelt eine erste relative Bewegung des ersten Angriffspunktes A gegenüber der Last mit einer zweiten Bewegung des Angriffspunktes B gegenüber der Las in einer entgegengesetzten Richtung. 1 zeigt weiterhin eine Messvorrichtung 120 zum Umwandeln der Position der Last 5 gegenüber dem Chassis 1 in ein Positionssignal V_p. In dem vorliegenden Fall umfasst die Messvorrichtung 120 einen optischen Messkopf 121, der mit der Last 5 verbunden ist, und einen optischen Führer 122, der mit dem Chassis 1 verbunden ist. Die Position der Last 5 gegenüber dem Chassis 1 kann mit Hilfe dieser Messvorrichtung 120 genau ermittelt werden. Auf alternative Weise kann die Messvorrichtung 120 auch beispielsweise einen induktiven oder kapazitiven Positionssensor enthalten. Die Positionierungsvorrichtung umfasst weiterhin ein Steuersystem 130, vorgesehen zum Steuern des Motors 6 auf Basis der Differenz zwischen einem Bezugssignal V_r, das eine gewünschte Position darstellt, und dem Positionssignal V_p. Mit Hilfe dieser Positionierungsvorrichtung kann die Last 5 gegenüber dem Chassis 1 sehr genau positioniert werden, wie oben beschrieben.
5 zeigt eine Einzelheit einer ersten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wobei der Kupplungsmechanismus 8 und die Spiralfeder 7 dargestellt sind. Der Kupplungsmechanismus 8 umfasst einen Hebel 80 mit einem ersten Schenkel 81, der über eine erste Kupplungsplatte 84 mit dem ersten Angriffspunkt A gekuppelt ist. Ein zweiter Schenkel 82 des Hebels 80 ist über eine zweite Kupplungsplatte 85 mit dem zweiten Angriffspunkt B gekuppelt. Der erste Angriffspunkt A ist mit dem ersten Teil 41 des Zugelementes 4 verbunden und der Angriffspunkt B ist über einen Zapfen mit dem zweiten Teil 42 des Zugelementes 4 verbunden. Der Hebel 80 ist durch seinen Zapfen mit der Last 5 gekuppelt, in dem vorliegenden Fall über einen Zapfen 83 (siehe 1). Das Zugelement 4 ist über den Kupplungsmechanismus 8 mit dem Hebel und den Kupplungsplatten 84 und 85 mit der Last 5 gekuppelt. In dem vorliegenden Fall sind die Straffungsmittel durch eine Spiralfeder 7 gebildet, die zwischen dem ersten Angriffspunkt A und dem zweiten Angriffspunkt B gespannt ist. Die erste Kupplungsplatte 84 ist mit Hilfe von Stiften 86, die an der Last 5 vorgesehen sind, und mit Hilfe eines Schlitzes 87 in der Kupplungsplatte 84 mit der Last 5 gekuppelt. Die Kupplungsplatte 85 ist ebenfalls mit Hilfe von Stiften 88, die mit der Last verbunden sind, und mit Hilfe eines Schlitzes 89 in der zweiten Kupplungsplatte 85 mit der Last gekuppelt. Diese Anordnung ermöglicht es, dass die Kupplungsplatten 84 und 85 ausschließlich in einer Richtung parallel zu der Richtung 8a verlagert werden, in der die Last 5 positioniert werden kann. Der Kupplungsmechanismus 8 kuppelt eine erste relative Bewegung u₁ des ersten Angriffspunktes A gegenüber der Last 5, in dem vorliegenden Fall entsprechend dem Zapfen 83, mit einer zweiten relativen Bewegung u₂ des zweiten Angriffspunktes B gegenüber dem Zapfen 83.
3 ist eine vereinfache Darstellung der ersten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wobei Kräfte und Bewegungen dargestellt werden. Die Spiralfeder 7 aus den 1 und 2 erzeugt eine Vorspannkraft F_v in dem Zugelement 4. Wenn der Motor 6 aus 1 mit Energie versehen wird, wird auf das Antriebsrad 2 ein Drehmoment T ausgeübt. Dadurch wird die Spannkraft F₁, die in dem ersten Teil 41 des Zugelementes 4 vorherrscht, um eine Kraft mit einer Größe F_A reduziert. Die Spannkraft F₂, die in dem zweiten Teil 42 des Zugelementes 4 vorherrscht, wird um eine Kraft mit einer Größe F_B reduziert. Die Kräfte F_A und F_B führen zu einer Gesamtkraft F_tot, die über den Zapfen 83 auf die Last 5 ausgeübt wird. Die Bewegung des ersten Angriffspunktes A gegenüber dem Antriebsrad 2 trägt den Bezugswert u_A. Die Bewegung des zweiten Angriffspunktes B gegenüber dem Antriebsrad 2 trägt den Bezugswert u_B. Die Bewegung des Zapfens 83 gegenüber dem Antriebsrad 2 ist durch u bezeichnet. Die Länge des ersten Schenkels 81 des Hebels 80 ist y₁. Die Länge des zweiten Schenkels 82 des Hebels 80 ist y₂. Wie die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung zu einer Verringerung der Spannkräfte F₁ und F₂ führen und wie die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung zu einer Steigerung der Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Antriebsrad 2 und der Last 5 führen, wird nachstehend näher beschrieben.
Durch die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung gilt Folgendes: u – ua = i·(uA – u), oder u = (i·uA + uB)/(i + 1), wobei (1) i = y2/y1 wobei i das Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten relativen Bewegung u_A– u und der zweiten relativen Bewegung u – u_B ist.
Die Antriebskraft F_tot wird über den ersten Angriffspunkt A und den zweiten Angriffspunkt B auf die Last 5 übertragen, so dass Folgendes gilt: Ftot = FA + FB (2)wobei F_A und F_B die Kräfte sind, die auf den Kupplungsmechanismus 8 ausgeübt werden.
Da die Summe der Drehmomente in dem Hebel 80 Null ist, gilt Folgendes: FA·y1 = FB·y2 oder FA = i·FB, (3)
Wenn nun die Gleichungen (2) und (3) kombiniert werden, ergibt dies Folgendes: FA = Ftot·i/(i + 1) und (4) FB = Ftot·1(i + 1). (5)
Aus 3 lässt sich auf einfache Art und Weise Folgendes herleiten: F1 = Fv – FA F2 = Fv + FB wobei F₁ die Spannkraft in dem ersten Teil 41 des Zugelementes 4 ist, wobei F₂ die Spannkraft in dem zweiten Teil 42 des Zugelementes 4 ist und wobei F_v die Spannkraft ist, die durch die Spiralfeder 7 auf das Zugelement 4 ausgeübt wird.
Damit gewährleistet wird, dass immer eine minimale Spannkraft F_min in dem Zugelement zurückbleibt, ist es notwendig, dass Folgendes erfüllt wird: Fv = max(FA, FB) + Fmin so dass die maximale Spannkraft F_max in dem Zugelement 4 durch Folgendes gegeben wird: Fmax = Fv + max(FA, FB) = 2·max(FA, FB) + Fmin.
4 zeigt, wie die Kräfte F_A und F_B von dem selektierten Übersetzungsverhältnis i abhängig sind. Die bekannte Positionierungsvorrichtung entspricht dem Übersetzungsverhältnis i = 0. Aus 4 dürfte es einleuchten, dass wenn i zwischen 0,5 und 2 gewählt wird, die maximale Spannkraft F_max auf etwa Zweidrittel der maximalen Spannkraft in der bekannten Vorrichtung reduziert wird. Wenn i derart selektiert wird, dass der Wert zwischen 0,8 und 1,25 liegt, zeigt es sich, dass die maximale Spannkraft F_max auf 55% der maximalen Spannkraft reduziert wird, die in der bekannten Vorrichtung auftritt. Die minimale Spannkraft F_min wird derart selektiert, dass F_min << F_max ist.
5 zeigt, wie die Steifigkeit der Verbindung zwischen den Antriebsmitteln und der Last abhängig ist von der Position der Last gegenüber den Antriebsmitteln für verschiedene Verhältnisse zwischen der ersten und der zweiten relativen Bewegung. Die Steifigkeit c_tot der Verbindung zwischen dem Antriebsrad 2 und der Last wird wie folgt definiert: ctot = Ftot/u, (6) wobei u die relative Bewegung der Last 5 gegenüber dem Antriebsrad ist, und zwar wegen der Kraft F_tot und der schlussendlichen Steifigkeit der Spiralfeder 7 und des Zugelementes 4.
Entsprechend der Gleichung (6) gilt Folgendes: uA = FA/cA und (7) uB = FB/cB und (8)wobei c_A die Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Antriebsrad 2 und dem ersten Angriffspunkt A ist und wobei c_B die Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Antriebsrad 2 und dem zweiten Angriffspunkt B ist.
Substitution der Gleichungen (4), (5), (7) und (8) in (6) ergibt: ctot = (i + 1)2·cA·cB/(cA + i2·cB)) (9)
Da die Angriffspunkte A und B gegenüber einander mit Hilfe der Spiralfeder 7 mit einer effektiven Steifigkeit c₃ gegenüber den Angriffspunkten A und B vorgespannt sind, gilt Folgendes: cA = c1 + c2·c3/(c2 + c3) und (10) cB = c2 + c1·c3/(c1 + c3), (11)wobei c₁ die Steifigkeit des ersten Teils 41 des Zugelementes 4 ist und wobei c₂ die Steifigkeit des zweiten Teils 42 des Zugelementes 4 ist. Weiterhin gilt Folgendes: c1 = cr·l/l1 und c2 = cr·l/l2 (12)wobei l die Länge des Zugelementes 4 ist, wobei l₁ die Länge des ersten Teils 41 des Zugelementes 4 ist und wobei l₂ die Länge des zweiten Teils 42 des Zugelementes 4 ist (siehe 3), und wobei c_r die Steifigkeit des Zugelementes 4, gemessen über die ganze Länge l, ist.
Je nach der Lage der Last 5 gegenüber dem Antriebsrad 2 wird die Länge l₁ des ersten Teils 41 variieren und ebenfalls die Länge l₂ des zweiten Teils, wofür die nachfolgende Annäherung gilt: l1 = x·1 und l2 = (1 – x)·l, (13)wobei x ein Maß der relativen Lage der Last 5 gegenüber der gesamten Länge l des Zugelementes 4 ist. Die Steifigkeit c₁ und c₂ variiert je nach der Lage der Last 5 gegenüber dem Antriebsrad 2: c1 = cr/x und c2 = cr/(1 – x) (14)
5 stellt das Verhältnis c_tot/c_r als eine Funktion von x für verschiedene Werte von i dar, in dem Fall, dass c₃ = c_r ist. Die bekannte Positionierungsvorrichtung entspricht dem Übersetzungsverhältnis i = 0. Aus 5 stellt es sich heraus, dass mit Hilfe der Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung die minimale Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Antriebsmittel 2 und der Last 5 um viele Male größer ist als die der bekannten Vorrichtung. Der effektive Bereich der Positionierungsvorrichtung, wie in 1 dargestellt, wird etwa gegeben durch 0,1 < x < 0,4. Wenn 0,4 < i < 0,7 ist, stellt es sich heraus, dass die Steifigkeit c_tot in diesem effektiven Bereich wesentlich konstant ist.
6 zeigt das Verhältnis c_tot/c_r als eine Funktion von x für verschiedene Werte von i, in dem Fall, wo c₃ = 0,1·c_r ist. Trotz der relativ geringen Steifigkeit c₃ der Spiralfeder 7 stellt es sich heraus, dass die Steifigkeit c_tot der Verbindung zwischen dem Antriebsrad 2 und der Last 5 dennoch um viele Male größer ist als die Steifigkeit cr des Zugelementes 4. Weiterhin stellt es sich heraus, dass die Steifigkeit c_tot im Wesentlichen unabhängig ist von der relativen Lage x der Last 5, wenn 0,8 < i < 1,25 ist.
7 stellt das Verhältnis c_tot/c_r als eine Funktion von x für verschiedene Werte von i dar, in dem Fall, dass c₃ = 0,01·c_r ist. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass es möglich ist, die Steifigkeit c₃ der Spiralfeder 7 derart zu wählen, dass sie sehr gering ist und sogar Null sein kann ohne dass die viel Einfluss auf die Steifigkeit c_tot hat. Eine sehr geringe Steifigkeit c₃ hat den Vorteil, dass Temperaturschwankungen die Spannkraft F_v in dem Zugelement kaum beeinträchtigen.
8 zeigt eine Einzelheit einer zweiten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt einen Kupplungsmechanismus 9 mit einem ersten Hebel 91, der über einen Zapfen 93 den ersten Angriffspunkt A mit der Last 5 kuppelt. Der Kupplungsmechanismus 9 umfasst weiterhin einen zweiten Hebel, der über einen zweiten Zapfen 94 den zweiten Angriffspunkt B mit der Last 5 kuppelt. Eine Kupplung 95 verbindet die Bewegungen des ersten Hebels 91 und des zweiten Hebels 92. Die Kupplung 95 umfasst einen Teil 97 des ersten Hebels 91, einen Teil 98 des zweiten Hebels 92, wobei diese Teile miteinander zusammenarbeiten, und eine Feder 73, die im Zusammenhang mit dem Zugelement 4 gewährleistet, dass die Teile 97 und 98 nach wie vor miteinander zusammenarbeiten. Die Feder 73 ist zwischen der Last 5 und dem Teil 97 des ersten Hebels 91 gestrafft. Da die Verbindungslinie zwischen den Teilen 97 und dem Zapfen 93 sich senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten Angriffspunkt A und dem Zapfen 93 erstreckt, übt die Feder 73 auf den ersten Teil 41 des Zugelementes 4 eine Spannkraft aus. Diese Spannkraft fuhrt zu einer ähnlichen Spannkraft auf den zweiten Teil 42 des Zugelementes. Dadurch übt dieser zweite Teil 42 des Zugelementes 4 eine Kraft auf den zweiten Hebeln 92 aus, und zwar über den zweiten Angriffspunkt B, wobei diese Kraft gewährleistet, dass der zweite Teil 98 des zweiten Hebels 92 mit dem Teil 97 des ersten Hebels nach wie vor in Kontakt ist. Der Kupplungsmechanismus 9 verbindet eine erste relative Bewegung u₁ des ersten Angriffspunktes A gegenüber der Last 5 mit einer zweiten relativen Bewegung u₂ des zweiten Angriffspunktes B gegenüber der Last 5. Für die Verhältnisse, wie die in 8 dargestellt sind, sind u₁ und u₂ einander in entgegengesetzter Richtung gleich. Dadurch, dass erlaubt wird, dass beispielsweise der erste Zapfen 91 gegenüber der Last 5 mit Hilfe eines Zapfens 93a statt des Zapfens 93 schwenkt, kann der Kupplungsmechanismus 9 derart angepasst werden, dass u₂ zweimal größer ist als u₁. Mit Hilfe dieser zweiten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls möglich, das Übersetzungsverhältnis i zwischen der ersten relativen Bewegung u₁ und der zweiten relativen Bewegung u₂ zu selektieren.
Zusammen mit dem Kupplungsmechanismus 9 bildet die Feder 73 Straffungsmittel, die das Zugelement 4 straffen. Die effektive Steifigkeit dieser Straffungsmittel zwischen dem ersten Angriffspunkt A und dem zweiten Angriffspunkt B wird dann durch die Steifigkeit der Feder 73 und die Übersetzungsverhältnisse zwischen einer Bewegung der Teile 97 und 98 und die Bewegungen des ersten Angriffspunktes A und des zweiten Angriffspunktes B auf eine Art und Weise bestimmt, die für einen Sachverständigen ganz klar ist. Der Hauptvorteil dieser zweiten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist, dass sie eine geringe Anzahl Bauteile umfasst. Außerdem kann die Konstruktion robust sein, so dass sie wesentliche Kräfte bewältigen kann.
9 zeigt eine Einzelheit einer dritten Ausführungsform der Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser dritten Ausführungsform ist der Kupplungsmechanismus, der den ersten Teil 41 des Zugelementes 4 und den zweiten Teil 42 des Zugelementes 4 mit der Last kuppelt, durch eine rautenförmige Anordnung 100 gebildet. Die rautenförmige Anordnung 100 umfasst ein erstes Element 101, das über einen Zapfen 111 mit einem zweiten Element 102 verbunden ist. Die rautenförmige Anordnung 100 umfasst weiterhin ein drittes Element 103, das über einen zweiten Zapfen 112 mit dem zweiten Element 102 verbunden ist, und ein viertes Element 104, das über einen dritten Zapfen 113 mit dem dritten Element verbunden ist. Das dritte Element 113 ist über einen vierten Zapfen 114 mit dem ersten Element 101 verbunden. Das zweite Element 102 und das dritte Element 103 sind schiebbar mit der Last 5 gekuppelt, und zwar an der Stelle des zweiten Zapfens 112, indem ein Stift des Zapfens 112 mit einem Schlitz 56 in der Last 5 zusammenarbeitet. Das erste Element 101 und das vierte Element 104 sind mit der Last 5 schiebbar gekuppelt, und zwar an der Stelle des vierten Zapfens 114, indem ein Stift des Zapfens 114 mit einem Schlitz 57 in der Last 5 zusammenarbeitet. Diese rautenförmige Anordnung 100 gewährleistet, dass eine relative Bewegung des ersten Zapfens 111 gegenüber der Last 5 zu einer zweiten relativen Bewegung des dritten Zapfens 113 gegenüber der Last 5 führt, die gleich aber in entgegengesetzter Richtung ist. Durch Kupplung des ersten Teils 41 des Zugelementes 4 über den ersten Angriffspunkt A in der Nähe des ersten Zapfens 111 und durch Verbindung des zweiten Teils 42 des Zugelementes 4 über einen zweiten Angriffspunkt B in der Nähe des dritten Zapfens 113 wird eine Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erhalten. Bei dieser dritten Ausführungsform ist zwischen dem ersten Zapfen 111 und dem dritten Zapfen 113 eine Spannfeder 74 vorgesehen. Als Alternative ist es aber auch möglich, Straffungsmittel vorzusehen zum Straffen einer Feder zwischen dem zweiten Zapfen 112 und der Last 5. Es ist ebenfalls möglich, das Zugelement 4 mit Hilfe einer Spiralfeder vorzuspannen, die auf den zweiten Zapfen 112 und den vierten Zapfen 114 derart wirkt, dass diese zwei Zapfen auseinander getrieben werden.
10 zeigt eine Bestückungsmaschine mit einer Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die Bestückungsmaschine 130 umfasst einen Rahmen 131 und einen Greifer 132 zum Greifen und Positionieren eines Bauelementes 133. Der Greifer 132 ist über eine Positionierungsvorrichtung 140 mit dem Rahmen 131 verbunden. Mit Hilfe der Bestückungsmaschine 130 ist es möglich, Bauelemente von einem Träger 135 zu greifen und mit Hilfe eines Greifers 132 diese auf einer Printplatte 150 anzubringen. Die Bestückungsmaschine 130 umfasst weiterhin eine elektronische Steuereinheit 136, welche die Positionierungsvorrichtung 140 und den Greifer 132 derart steuert, dass eine Vielzahl von Bauelementen 133 nacheinander auf der Printplatte angebracht werden können. Die Positionierungsvorrichtung 140 ist eine Positionierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Dies führt zu einer Bestückungsmaschine 130 mit einer großen Positionierungsgenauigkeit und einer hohen Geschwindigkeit, zu relativ geringen Kosten.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung sich nicht auf Positionierungsvorrichtungen mit Kupplungsmechanismen auf Basis von Hebeln begrenzt. So kann beispielsweise der Kupplungsmechanismus eine Konstruktion mit zwei Zahnstangen und Zahnrädern benutzen, die gegenüber der Last gelagert sind und die Bewegungen der Zahnstangen kuppeln, wobei jede der Zahnstangen mit einem Angriffspunkt verbunden ist.

Claims

Positionierungsvorrichtung, welche die nachfolgenden Elemente umfasst: – ein Chassis (1) mit wenigstens zwei Rädern (2, 3), – ein schleifenförmiges Zugelement (4), das um die Räder gespannt ist, – eine Last (5), die mit dem Zugelement verbunden ist, wobei diese Last gegenüber dem Chassis verlagerbar ist und zusammen mit dem Zugelement eine geschlossene Schleife bildet, – ein Antriebsmittel (6) zum Antreiben der Last über einen ersten Teil des Zugelementes, wobei dieser erste Teil zwischen der Last und dem Antriebsmittel vorgesehen ist, und über einen zweiten Teil des Zugelementes, wobei dieser zweite Teil zwischen der Last und dem Antriebsmittel vorgesehen ist, – Straffungsmittel (7), die mit der Last verbunden sind, zum Straffen des Zugelementes, wobei diese Straffungsmittel über einen ersten Angriffspunkt (A) auf den ersten Teil (41) des Zugelementes einwirken und über einen zweiten Angriffspunkt (B) auf den zweiten Teil einwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Last (5) und dem Zugelement (4) einen Kupplungsmechanismus (8; 9; 100) umfasst, mit dessen Hilfe eine erste relative Verlagerung (u₁; u_A– u) gegenüber der Last in einer ersten Richtung (8a) mit einer zweiten relativen Verlagerung (u₂; u – u_B) des Angriffspunktes (B) gegenüber der Last in einer Richtung gegenüber der ersten Richtung gekoppelt wird.
Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus (8; 9; 100) ein Übersetzungsverhältnis i zwischen der ersten relativen Bewegung (u₁; u_A – u) und der zweiten relativen Bewegung (u₂; u – u_B) zwischen 0,5 und 2 hat.
Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 0,8 < i < 1,25 ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Straffungsmittel (7) eine effektive erste Steifigkeit (c₃) gegenüber den Angriffspunkten (A, B) haben und das Zugelement (4) eine zweite Steifigkeit (c_r) zwischen den Angriffspunkten (A, B) hat, und die zweite Steifigkeit kleiner ist als ein Zehntel der ersten Steifigkeit.
Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steifigkeit (c_r) kleiner ist als ein Hundertstel der ersten Steifigkeit (c₃).
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus (8) einen Hebel (80) aufweist, von dem ein erster Schenkel (81) mit dem ersten Angriffspunkt (A) gekuppelt ist und von dem ein zweiter Schenkel (82) mit dem zweiten Angriffspunkt (B) gekuppelt ist, und wobei der Zapfen (83) des Hebels mit der Last (5) gekuppelt ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus (9) die nachfolgenden Elemente umfasst: – einen ersten Hebel (91), von dem ein erster Schenkel mit dem ersten Angriffspunkt (A) gekuppelt ist, und von dem der Zapfen (93) mit der Last (5) gekuppelt ist, – einen zweiten Hebel (2), von dem ein erster Schenkel mit dem zweiten Angriffspunkt (B) gekuppelt ist, und von dem der Zapfen (94) mit der Last gekuppelt ist, und – eine Kupplung (95), die einen zweiten Schenkel des ersten Hebels mit einem zweiten Schenkel des zweiten Hebels kuppelt.
Positionierungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Straffungsmittel (7) Drängungsmittel (73) aufweisen, die auf die Hebel (91) ein Moment ausüben um den ersten Angriffspunkt (A) und den zweiten Angriffspunkt (B) zueinander zu dringen.
Positionierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus ein rautenförmiges Gebilde (10) aufweist, das die nachfolgenden Element umfasst: – ein erstes Element (101), das über einen ersten Zapfen (111) mit einem zweiten Element (102) verbunden ist, – ein drittes Element (103), das über einen zweiten Zapfen (112) mit dem zweiten Element verbunden ist, – ein viertes Element (104), das über einen dritten Zapfen (113) mit dem dritten Element sowie über einen vierten Zapfen (114) mit dem ersten Element verbunden ist, – wobei der Kupplungsmechanismus mit dem ersten Angriffspunkt (A) in der Nähe des ersten Zapfens sowie mit dem zweiten Angriffspunkt (B) in der Nähe des dritten Zapfens verbunden ist, und – wobei der Kupplungsmechanismus mit der Last (5) in der Nähe des zweiten Zapfens und in der Nähe des vierten Zapfens mit Hilfe von Kupplungsmechanismen verbunden ist, die eine Bewegung des zweiten Zapfens bzw. des vierten Zapfens erlauben, und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in der die Last verlagerbar ist.
Positionierungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsvorrichtung die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine Messvorrichtung (120) zum Umwandeln der Position der Last in ein Positionierungssignal (V_P), – einen elektrisch gesteuerten Motor (6) der einen Teil der Antriebsmittel bildet, und – ein Steuersystem (130) zur Steuerung des Motors auf Basis der Differenz zwischen einem Bezugssignal (V_r), das eine gewünschte Position darstellt, und dem Positionssignal.
Bestückungsmaschine (130) mit einem Rahmen (131) und einem Greifer (132) zum Greifen und Platzieren eines Bauelementes (133) und mit einer Positionierungsvorrichtung (140) nach einem der vorstehenden Ansprüche, zum Positionieren des Greifers gegenüber dem Rahmen.