WO2004076320A1

WO2004076320A1 - Vorrichtung zum berührungslosen transportieren und positionieren von bauteilen

Info

Publication number: WO2004076320A1
Application number: PCT/DE2004/000341
Authority: WO
Inventors: Josef Zimmermann; Dirk Jacob; Adolf Zitzmann
Original assignee: Technische Universität München
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2004-09-10
Also published as: US20060064199A1; US7260449B2

Abstract

Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren und Positionieren von berührungsempfindlichen Bauteilen an einer Transportbahn, mit : Mittel zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile (2) an der Transportbahn (1) ; Mittel (3) zum Kippen der Transportbahn (1) in die Transportrichtung (5), so dass das Bauteil (2) abwärts einem Zielpunkt (Z) entgegen gleitet ; Mittel (6, 7) zur Erfassung der Lage des Bauteils (2) ; und eine Regelvorrichtung (8), wobei die Lageerfassung des Bauteils (2) wenigstens innerhalb eines vorbestimmten Abschnitts (A-B) des anzufahrenden Zielpunktes (Z) erfolgt und mittels eines Rechen- und Regelalgorithmus ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem die Transportbahn (1) um einen vorbestimmten Kippwinkel in einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit verschwenkt und wieder zurückgeschwenkt wird, so dass das Bauteil (2) abgefangen wird.

Description

Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren und Positionieren von Bauteilen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren von berührungsempfindlichen Bauteilen entlang einer Transportbahn. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum berührungslosen Positionieren von Bauteilen auf einer Transportbahn.

Um Bauteile, Behälter oder Materialien entlang einer Transportbahn berührungslos schweben zu lassen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Technologien bekannt. Weit verbreitet sind z. B. Transporteinrichtungen, die Luftlager nutzen. Ebenso bekannt sind magnetische Systeme, bei denen die Abstoßungskräfte von gleichnamigen Magnetpolen eingesetzt werden. Für besonders berührungsempfindliche Teile kann auch das Prinzip der sogenannten Schallevitation angewendet werden. Bei dieser Technologie werden von einer Transportbahn Schallwellen abgestrahlt, die ein Luftpolster erzeugen, auf dem das zu transportierende Bauteil schwebt.

Da die Bauteile berührungsfrei schweben sollen, darf auch beim Antrieb oder bei Abbremsen der Bauteile keine mechanische Kontaktberührung eintreten. Es ist bekannt, den Antriebs- und den Bremsvorgang der Bauelemente z. B. durch Gebläse zu realisieren. Diese Technologie weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Das zum Beschleunigen und Abbremsen ver- wendete gasförmige Medium muß bei Reinraum-Technologien hoch gefiltert sein. Außerdem kommt es durch den Blasvorgang zu Aufwirbelungen, so daß möglicherweise vorhandene Partikel mit aufgewirbelt werden. Mit dieser Methode ist es nicht oder nur schwer möglich, das abzubremsende Bauelement an einer vorgegebenen Position der Transportbahn zum Stillstand zu bringen. Falls das Bauteil sehr leicht ist, kann es durch stocha- stisch auftretende Luft- oder Gaswirbel u. U. von der vorgegebenen Bahn getragen werden. Ebensowenig kann partikelförmiges Material durch Anblasen beschleunigt werden.

Es ist die daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren von Bauteilen entlang einer Transportbahn bereitzustellen, wobei der Beschleunigungs- und Bremsvorgang ebenfalls berührungslos erfolgen soll. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum berührungslosen Positionieren von Bauteilen auf der Transportbahn.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Es wird eine Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren und Positionieren von Bauteilen bereitgestellt, wobei die Bauteile entlang einer vorzugsweise geneigten Transportbahn abwärts gleiten. Die erforderlichen Mittel zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, das Bauteil, das sich mit einer Geschwindigkeit v auf oder an der Bahn auf einen Zielpunkt hin bewegt, berührungslos abzubremsen. Wenn das Bauteil in einen vorbestimmten Bahnabschnitt einläuft, wird seine Lage und/oder seine Geschwindigkeit ermittelt und diese Daten an einen Rechner übertra- gen. Von einem Rechen- und Regelalgorithmus wird ermittelt, zu welchem Zeitpunkt, mit welchem Winkel und mit welcher Winkelgeschwindigkeit eine aufwärtsgerichtete Kippung der Transportbahn erfolgen muß, um das Bauteil im oder nahe an einem vorbestimmten Zielpunkt zum Stillstand zu bringen. Es ist nicht notwendig, daß der Zielpunkt mit einer einzigen Kipp- bewegung erreicht wird. Je nach technologischen Erfordernissen kann das Bauteil auch durch mehrmaliges Vor- und Zurückkippen der Transportbahn auf den Zielpunkt einbalanciert werden. Es ist u. U. zweckmäßig, die Ba- lanceregelung beizubehalten, auch wenn das Bauteil bereits genau im Zielpunkt liegt, da es vorkommen kann, daß durch äußere Einflüsse, wie z. B. durch Vibrationen oder durch stochastische Einflüsse das schwebende Bauteil wieder vom Zielpunkt wegdriftet. Durch ein ständiges Nachregeln im Sinn eines Balancierens um den Zielpunkt wird das Bauteil in diesem Punkt gehalten. Falls die Transportbahn oder der Abschnitt der Transportbahn, auf dem sich das Bauelement befindet, danach selbst auf einer Raumkurve bewegt wird, kann auf diese Ausbalancierung ebenfalls nicht verzichtet werden. Diese Zusammenhänge werden im Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Falls die technologischen und konstruktiven Verhältnisse es erfordern, muß die Ausbalancierung auch senkrecht zur Förderrichtung, d. h. in zwei Koordinaten vorgenommen werden, um ein seitliches Abgleiten des Bauteils von der Transportbahn zu verhindern.

Zum Kippen, d. h. zum Ausbalancierung der Transportbahn stehen dem Fachmann verschiedene Antriebskonstruktionen zur Verfügung, wie z. B. ein Servo-Elektromotor, der eine Wippe antreibt.

Zum permanenten berührungslosen Erfassen der Lage des sich bewegenden Bauteils können optische, induktive oder kapazitive Sensoren oder Bilderkennungssysteme oder Kombinationen davon eingesetzt werden. Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt und müssen ledig- lieh angepaßt werden.

Ebenso bekannt sind die erforderlichen Regelalgorithmen, die für das Einbalancieren in den Zielpunkt anzuwenden sind, so daß der Fachmann für Steuer- und Regelungstechnik diese unter Berücksichtigung von technolo- gischen Randbedingungen nur auszuwählen und ggf. anzupassen hat. Gleiches gilt für die Aufgabe, das Bauteil im Zielpunkt zu halten, wenn die Transportbahn oder der Abschnitt der Transportbahn, auf dem das Bauteil schwebt, schwingt oder sich selbst durch den Raum bewegt.

Nach Anspruch 2 ist nur ein Einzelabschnitt der Transportbahn verschwenkbar, wobei dieser Einzelabschnitt vorzugsweise der Endabschnitt ist. Diese Ausführungsform weist folgenden Vorteil auf: Zum Schwenken des Einzelabschnitts wird wegen der geringeren Masse und der geringeren Masseträgheitsmomentes weniger Energie verbraucht.

Weiterhin ist es möglich, auf einer Transportbahn mehrere Zielpunkte, d. h. mehrere verschwenkbare Abschnitte zu installieren, um z. B. eine Magazinfunktion und/oder eine Weichenfunktion zu erhalten. So ist es z. B. möglich, eine Transportbahn aus einer Vielzahl von Einzelabschnitten aufzu- bauen. Jeder Einzelabschnitt ist so ausgebildet, daß auf ihm ein Bauteil in Balance gehalten wird.

Bei einer Anwendung der Vorrichtung als Magazin wird z. B. am letzten Einzelabschnitt ein Bauteil entnommen und das Bauteil des vorletzten Ab- Schnitts anschließend auf den letzten Einzelabschnitt übergeben. Auf diese Weise rücken alle anderen Bauteile um jeweils eine Position vor.

Nach Anspruch 3 ist der Einzelabschnitt in unterschiedlichen Richtungen verschwenkbar. Diese Funktion ermöglicht eine Anwendung als Weiche. Das Bauteil wird dabei nicht auf den nächsten Platz der gleichen Transportschiene, sondern durch seitliches Verschwenken des Einzelabschnitts auf eine andere Transportschiene überführt.

Es ist weiterhin möglich, wenigstens einen dieser Einzelabschnitte so aus- zubilden, daß dieser Abschnitt aus der Transportbahn vollständig herausbewegt werden kann, um das Bauteil z. B. einer entfernt liegenden Bearbeitungsstation zu übergeben, wobei bei einer geeigneten permanenten Nachregelung auch unter Nutzung der Zentrifugalkraft beliebige Raumkurven durchfahrbar sind, ohne das das Bauteil von dem Einzelabschnitt abgleitet.

Nach Anspruch 4 umfassen die Mittel zum berührungslosen Erfassung der Lage des Bauteils optische oder induktive oder kapazitive Sensoren. Die Auswahl der Sensoren richtet sich nach den technologischen Randbedingungen, wobei auch Kombinationen ausgewählt werden können.

Nach Anspruch 5 umfassen die Mittel zum berührungslosen Erfassen der Lage des Bauteils eine Kamera mit einer Bilderkennungssoftware. Diese Ausführungsform kann zweckmäßig sein, wenn die Lageerfassung auf Grund einer komplizierten dreidimensionalen Form des Bauteils mit herkömmlichen Sensoren nach Anspruch 4 zu aufwendig ist.

Nach Anspruch 6 sind die Mittel zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile an der Transportbahn Luftlager. Luftlager sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Es ist klar, daß das Luftlager der Form und den mechanischen Eigenschaf- ten des zu befördernden Bauteils oder auch Stoffes angepaßt sein muß.

Nach Anspruch 7 werden zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile an der Transportbahn Mittel zur Erzeugung eines Levitationsschallfel- des vorgesehen. Diese Technologie kann u. a. zum Transport von Wafern unter Reinraumbedingungen eingesetzt werden und ist in der Fach- und Patentliteratur ausreichend beschrieben.

Nach Anspruch 8 weisen die Mittel zur Erzeugung eines Schwebezustandes Vakuumsauger und Mittel zur Erzeugung eines Levitationsschallfeldes auf, wobei mit dem Vakuumsauger die Bauteile an die Oberfläche der Transportbahn gesaugt werden und das Levitationsschallfeld, das von der Oberfläche der Transportbahn in Richtung des Bauteils abgestrahlt wird, das Bauteile von der Oberfläche abdrängt, so daß ein stabiler Schwebezustand erreicht wird. Diese Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise in solchen Fällen eingesetzt, wenn das Bauteil beim Transport oder im Zielpunkt zusätzlich stabilisiert werden soll.

Nach Anspruch 9 weisen die Mittel zum Schwenken der Transportbahn oder eines Einzelabschnitts eine Grobpositionierung und eine Feinpositionierung auf. Die Trennung zwischen Grob- und Feinpositionierung ist dann vorteilhaft, wenn das Bauteil mit einer hohen Genauigkeit in dem Zielpunkt positioniert und in diesem gehalten werden muß.

Nach Anspruch 10 ist für die Grobpositionierung ein Servomotor vorgesehen, und für die Feinpositionierung wird ein piezoelektrischer Antrieb eingesetzt. Piezoelektrische Antriebe weisen eine sehr hohe Stellfrequenz auf und können daher zum schnellen Ausregeln geringster Lageabweichungen des Bauteils verwendet werden.

Zusammenfassend soll betont werden, daß der Grundgedanke der Erfindung mit allen dem Fachmann bekannten Mitteln zum Erzeugen eines Schwebezustandes von Bauteilen oder Materialien umgesetzt werden kann. Es ist dem Fachmann klar, daß ein Schwebezustand im wesentlichen nur mit Festkörpern erreichbar ist. Wenn z. B. pulverförmige Materialen transportiert werden, so können bei der Schallevitation einzelne wenige Partikel kurzzeitig die Transportbahn berühren. Trotzdem handelt es sich hierbei um ein im wesentlichen berührungsfreien Transport.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit schematischen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform der Erfindung, wobei eine Transportbahn 1 mittels einer nicht gezeigten Schwingungserzeugungsvor- richtung in Ultraschallschwingen versetzt wird, die geeignet sind, ein Bauteil 2 über der Transportbahn 1 in einem Abstand a schweben zu lassen. Wenn eine Kippvorrichtung 3 die Transportbahn 1 in Richtung des Pfeils 4 ankippt, wird das Werkstück 2 in Pfeilrichtung 5 abgleiten. Innerhalb des Bereiches A - B sind Positionserkennungssensoren 6 angeordnet. Wenn das Werkstück 2 in den Bereich A-B eingleitet, wird mittels einer Positi- onserkennungsvorrichtung 7 erkannt, wo sich das Werkstück 2 befindet, mit welcher Geschwindigkeit und in welche Richtung es sich bewegt. Die von der Positionserkennungsvorrichtung 7 ermittelten Meßwerte und Signale werden einer Regelvorrichtung 8 zugeführt. Die Regelvorrichtung 8 steuert die Kippvorrichtung 3 nach einem vorgegebenen Regelalgorithmus.

Nachfolgend wird die Wirkung des Regelalgorithmus beschrieben:

Wenn das Werkstück 2 in den Bereich A - B eingleitet, wird die Gleitgeschwindigkeit ermittelt und als Steuersignal der Regelvorrichtung 8 zugeführt. Die Regelvorrichtung 8 veranlaßt, daß die Kippvorrichtung 3 die Transportbahn 1 in die entgegengesetzte Richtung kippt, so daß das Werkstück 2 nunmehr aufwärts gleitet, um dann in die entgegengesetzte Richtung wieder abwärts zu gleiten. Dabei wird durch die Positionserkennungsvorrichtung 7 erneut erkannt, wo sich das Werkstück 2 befindet, mit welcher Geschwindigkeit und in welche Richtung es sich bewegt. In Abhängigkeit von diesen Zustandsgrößen erfolgt erneut eine entgegengesetz- te Kippung. Dieser Prozeß verläuft im vorliegenden Beispiel in fünf Kipp- Schritten, die durch die Doppelpfeile 10 dargestellt sind, bis das Werkstück 2 in den Zielpunkt Z mit einer vorbestimmten Toleranz einbalanciert ist. Um zu verhindern, daß das Werkstück wieder aus dem Zielpunkt Z herausgleitet, bleibt die Regelung eingeschaltet. Falls durch eine äußere Anregung das Werkstück 2 unbeabsichtigt beschleunigt werden sollte, wird es mittels der Regelung wieder in den Zielpunkt Z einbalanciert. Dem Fachmann für Steuer- und Regelungstechnik ist klar, daß bei einer Optimierung des Regelalgorithmus das Einbalancieren auch mit weniger als fünf Kipp-Schritten erfolgen kann.

Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Transportbahn 1 aus mehreren Abschnitten 1 a bis 1 e besteht, die einzeln schwenkbar und auf einer schiefen, abwärtsgeneigten Ebene angeordnet sind. Auf jedem der Abschnitte werden Bauteile 2a bis 2e um einen Zielpunkt balanciert, der im vorliegenden Beispiel in der Mitte des Abschnitts liegt. Da die einzelnen Abschnitte 1 a bis 1 e genauso aufgebaut sind wie die Ausführungsform nach Fig. 1 , wurden die Details nicht dargestellt.

Diese Ausführungsform kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden: Wenn durch Abkippen des Abschnitts 1 a das Bauteil 2a von dem Abschnitt 1 a abgleitet, wird dieser Abschnitt frei zur Aufnahme des Bauteils 2b. Dazu werden die Abschnitte 1 a und 1 b parallel zu der schiefen Ebene ausgerichtet, so daß das Bauteil 2b auf den Abschnitt 1 a aufgleiten kann. Wenn sich das Bauteil 2b vollständig auf dem Abschnitt 1 a befindet, wird der in Fig. 1 beschriebene Regelalgorithmus aktiviert und das Bauteil ausbalanciert. Diese Art der Übergabe eines Bauteils auf einen vorhergehend frei gewordenen Abschnitt entspricht der Funktion eines Magazins oder Speichers oder eines Puffers. So ist es z. B. möglich, Bauteile oder andere Materialien berührungslos zwischenzulagern und auf Abruf frei zu geben.

Diese Anordnung kann jedoch auch für einen anderen Zweck eingesetzt werden:

Wenn ausgewählte Abschnitte auch seitlich schwenkbar sind, kann eine Weichenfunktion realisiert werden. So kann z. B. eine dreigeteilte Weiche geschaffen werden, wenn der Abschnitt 1 a nicht nur nach unten, sondern auch nach rechts oder links schwenkbar ausgebildet ist. Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Ausführungsform 2 nach Fig. 2 ist folgende:

Es ist möglich, die Abschnitte lösbar auszubilden, so daß sie von einem Roboter ergriffen werden und z. B. in einen freien Platz einer anderen Transportbahn eingesetzt werden können. Es ist dem Fachmann klar, daß der Roboter die in Fig. 1 beschriebenen Regelanordnung zum Einbalancieren des Bauteils mit erfassen und transportieren muß. Es ist jedoch auch möglich, die Roboterhand wie einen der Transportabschnitte 1 a bis 1 e auszubilden und die Regelanordnung zum Ausbalancieren in den Regelalgo- rithmus des Roboters zu implementieren. Unter Kenntnis der vorliegenden technischen Lehre und unter gezielter Nutzung von Zentrifugalkräften, die auf das Bauteil wirken, wenn sich die Roboterhand auf dreidimensionalen Raumbahnen bewegt, ist es möglich, den Roboter so zu programmieren, daß das Bauteil während der Bewegung auf einer Raumbahn nicht von sei- ner Unterlage abgleitet, auf der es schwebend auf den Zentrierpunkt einbalanciert wird.

Claims

Ansprüche

1 . Vorrichtung zum berührungslosen Transportieren und Positionieren von Bauteilen (2) an einer Transportbahn (1 ), wobei die Vorrichtung die nachfolgenden Merkmale aufweist:

- Mittel zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile (2) an der Transportbahn (1 ),

- Mittel (3) zum Kippen der Transportbahn (1 ) in die Transportrichtung (5), so daß das Bauteil (2) unter Wirkung der Gravitationskraft berührungslos abwärts einem Zielpunkt (Z) entgegen gleitet,

- Mittel (6, 7) zur berührungslosen Erfassung der Lage des Bauteils (2) und

- eine Regelvorrichtung (8), wobei die Lageerfassung des Bauteils (2) wenigstens innerhalb eines vorbestimm- ten Abschnitts (A-B) des anzufahrenden Zielpunktes (Z) erfolgt und mittels eines Rechen- und Regelalgorithmus ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem die Transportbahn (1 ) um einen vorbestimmten Kippwinkel in einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit verschwenkt und wieder zurückgeschwenkt wird, so daß das Bauteil (2) abgefangen wird, wobei die Trans- portbahn (1 ) nach dem Verschwenken waagerecht ausgerichtet ist und das Bauteil (2) im Zielpunkt (Z) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einzelabschnitt der Transportbahn verschwenkbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzel abschnitt in unterschiedlichen Richtungen verschwenkbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) zum berührungslosen Erfassung der Lage des Bauteils (2) optische oder induktive oder kapazitive Sensoren umfassen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) zum berührungslosen Erfassen der Lage des Bauteils (2) eine Kamera mit einer Bilderkennungssoftware umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Schwebezustandes des

Bauteiles (2) Luftlager sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines Schwebezustandes der Bauteile (2) Mittel zur Erzeugung eines Levitationsschallfeldes vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines Schwebezustandes Vakuumsauger und Mittel zur Erzeugung eines Levitationsschallfeldes aufweisen, wobei mit dem Vakuum- sauger die Bauteile (2) an die Oberfläche der Transportbahn (1 ) gesaugt werden und das Levitationsschallfeld, das von der Oberfläche der Transportbahn abgestrahlt wird, das Bauteile (2) von der Oberfläche abdrängt, so daß ein stabiler Schwebezustand erreicht wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (3) zum Schwenken der Transportbahn (1 ) oder eines Einzelabschnitts davon eine Grobpositionierung und eine Feinpositionierung aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinpositionierung einen piezomechanischen Stellantrieb aufweist.