DE3340084C2 - Vorrichtung zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück - Google Patents

Abstract

Mit der vorgeschlagenen Einrichtung werden Bauteile aus einem Magazin entnommen, in den Bereich eines Werkstückes transportiert und in genau positionierter Lage auf diesem abgelegt bzw. in dieses eingesetzt. Das Bauteil, das von einem Transportorgan gehalten ist, wird im Normalfall eine gegenüber einer theoretischen Achse exzentrische bzw. verdrehte Lage einnehmen. Um die effektive Ist-Lage des Bauteiles zu bestimmen, wird dieses im Verlauf der Transportbewegung vom Magazin zum Werkstück in eine Lageerfassungs-Einrichtung gebracht. Diese erfaßt die effektive Lage des Bauteiles, z. B. durch Abtastung des Bauteiles mittels Laserstrahl-Abtastung nach dem Reflexions- oder Abschattungsprinzip, und erzeugt ein oder mehrere Korrektursignale. Diese werden ausgewertet, um den Verschiebungsweg des Transportorganes und/oder die Lage des Werkstückes im Sinne einer Korrektur zu beeinflussen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück, welche zumindest ein Bauteile-Magazin bzw. eine Bautcilc-Magazingruppe, zumindest eine Bauteile-Transporlvorrichtung mit einem Greiforgan zur Aufnahme eines Bauteiles sowie zumindest eine Werk-

siück-Halteanordnung zur Aufnahme mindestens eines Werkstückes umfaßt, wobei die Bauteile-Transportvorrichtung zwischen dem Bauteile-Magazin bzw. der Bauleile-Magazingruppe und der Werkstück-Halteanordnung verschiebbar gelagert ist und wobei ein mit einer Lageerfassungs-Einrichtung und zumindest mit dem Antrieb der Bauteile-Transportvorrichtung verbundenes Steuergerät vorgesehen ist, welches den genannten Antrieb unter Berücksichtigung des Lageabweichungs-Meßwo tes beeinflußt

Eine solche Vorrichtung ist bereits durch die DE-OS 26 37 686 bekannt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist z. B. im Aufbringen elektronischer Bauelemente auf einen Träger zu erblicken. Als Träger kommen Dickeschichtschaltungen, Dünnschichtschaltungen. Leiterplatten oder ähnliche Werkstücke in Betracht. Solche Träger umfassen eine Leiterirägerplatte, die aus keramischem oder einem anderen geeigneten Material besteht, auf deren Oberfläche einerseits ein vorgegebenes Muster von elektrisch leitfähigen Bahnen und andererseits eine Mehrzahl von A.nschlußpunkten zur Aufnahme von diskreten, elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen wie z. B. Widerständen, Transistoren, Kondensatoren und dgl. vorgesehen ist. Insbesondere wegen der geringen Abmessungen und der gedrängten Anordnung von Dünnschicht- bzw. Dickschichtschaltungen ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß die auf die aufzusetzenden Elemente mit größtmöglichster Präzisioii an den vorgesehenen Platz gebracht werden, bevor sie z. B. durch Löten mit den Leiterbahnen des Trägers verbunden werden.

Im Interesse einer rationellen, möglichst weitgehend automatisierten Fertigung solcher Schaltungen werden Bestückungsautomaten verwendet, welche selbsttätig, durch ein geeignetes Programm gesteuert, Bauelemente aus einem Magazin oder aus einem ausgewählten Magazin einer Magazingruppe entnehmen, diese in den Bereich der Leiterplatte transportieren und schließlich die Bauelemente an einer genau vorbestimmten Position auf der Leiterplatte ablegen. Die Transportvorrichtung zum Verbringen der einzelnen Bauelemente vom ausgewählten Magazin zur vorgegebenen Position auf der Leiterplatte kann nach bekanntem Stand der Technik mit der erwünschten, hohen Präzision gesteuert werden. Andererseits ist die Lage der einzelnen Bauelemente innerhalb des Magazins nicht mit der erforderlichen Präzision gewährleistet, so daß die Position eines vom Greiforgan der Transportvorrichtung aufgenommenen Bauelementes gegenüber einer theoretisch genauen Positionierachse durch das Greiforgan der Transportvorrichtung nicht gewährleistet ist. Mit anderen Worten bedeutet das, daß ein vom Greiforgan der Transportvorrichtung aus dem Magazin aufgenommenes Bauelement mehr oder weniger gegenüber der theoretischen Positionierachse durch das Greiforgan verschoben und/ oder verdreht sein kann.

In der eingangs genannten DE-OS 26 37 686 ist eine Vorrichtung zur Korrektur dieser nicht voraussehbaren Lageverschiebung bei der automatischen Übertragung von Teilen zwischen einer Aufnahme- und einer Ablagesteile unter Verwendung einer programmgesteuerten Übertragungsmaschine beschrieben. Es kann dabei ein Bauteil von einer variablen Ausgangsposition in eine feststehende Zielpoi,ition gebracht werden. Dies geschieht aber dadurch, daß das Bauteil an einer Zwisehcnposilion abgelegt v/erden muß, wo dessen Lage abgetastet wird. Anschließend wird das Bauteil, unter Berücksichtigung der ermittelten Ist-Lage, wiederaufgenommen und an seine Zielposition gebracht. Dieses Vorgehen erfordert aber nicht nur einen hohen, kostspieligen Apparateaufwand (z. B. einen Video-Scanner zur Lageerfassung), sondern auch einen hohen Zeitaufwand, bedingt durch das Ablegen und Wiederaufnehmen des Bauteiles, was natürlich höchst unerwünscht ist. Außerdem scheint die insbesondere bei sehr kleinen Bauteilen erwünschte, hohe Präzision nicht gewährleistet zu sein.

Nach einer anderen Lösung hat man bisher vorgeschlagen, das Greiforgan der Transportvorrichtung mit Zentriermitteln zu versehen, um ein ungenau aufgenommenes Bauelement in die theoretisch erwünschte Sollposition gegenüber der Positionierachse zu bringen, d. h. das Bauelement mechanisch so zu verschieben, daß dessen Symmetrieachse mit der Positionierachse durch das Greiforgan zusammenfällt. Eine solche Vorrichtung ist z. B. in -ier US-Patentschrift 41 35 630 beschrieben, die eine Anordnung zum Zentrieren <, yktronischer Bauelemente offenbart, die aus einem Ma-^ar :n entnommen worden sind und auf einer Leiterplatte aufgesetzt werden sollen. Es v/ird dabei von der Überlegung ausrregangen, daß die zu positionierenden Bauelemente während des En* ■«ehmens aus dem Magazin möglicherweise dezentral erfaßt werden und demzufolge nicht in der korrekten Sollposition auf den Leiterträger abgesetzt werden können. Um dies zu vermeiden, schlägt die genannte US-Patentschrift die Verwendung eines Zentrierorganes vor, mit Hilfe dessen die aus dem Magazin entnommenen Bauelemente relativ zur theoretischen Positionierachse durch das Greiforgan zentriert werden können.

An sich arbeitet diese Vorrichtung zufriedenstellend, benötigt aber in mechanischer Hinsicht aufwendige Mittel, urn die im allgemeinen sehr geringe Abmessungen aufweisenden, aus dem Magazin aufgenommenen Bauelemente zu umgreifen und mechanisch zu ve> schieben, damit sie die theoretische Sollposition in bezug auf die durch das Greiforgan verlaufende Zentrierachse einnehmen. Die Konstruktion einer solchen Zentriervorrichtung, die sehr präzise ausgebildet sein muß, ist demzufolge aufwendig und sehr teuer. Da?u kommt.

daß mit einem die Präzision der Zentriervorrichtung beeinträchtigenden Verschleiß gerechnet werden muß. und weiter, daJ unter Umständen eine Beschädigung der Bauelemente erfolgen kann Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, daß die bewegten Massen verhältnismäßig groß sind; im Interesse einer geringen Taktzeit beim Aufbringen der Bauelemente auf die Leiterplatte müssen deshalb die Antriebsmittel für die Transportvorrichtung, die zwangsläufig .licZentriervorrichtung umfassen müssen, überdimensioniert werden. Schließlich ist ein Nachteil der bekannten Anordnung darin zu sehen, daß mei itens eine Mehrzahl von verschieden großen, als Zangen ausgebildeten Zentriervoi richtungen vorgesehen sein muß, die auswechselbar ar,i Greiforgan befestigt sind, um Bauelemente unterschiedlicher Größe zentrieren zu können. Neben dem unerwünscht hohen Zeitaufwand für das Auswechseln der Zentriervorrichtungen ist auch nachteilig, daß eine Anzahl von unterschiedlichen Zentriervorrichtungen vorrätig gehalten werden muß.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche ermöglicht, Werkstücke, z. B. Leiterplatten für elektronische Schaltungen, in rascher Folge mit hoch-

ster Präzision mit aus einem Magazin entnommenen Bauteilen zu bestücken, wobei auf die Verwendung einer komplizierten, mechanisch aufwendigen und daher teuren Zentriervorrichtung verzichtet werden. Außerdem soll diese Vorrichtung für sämtliche vorkommenden Bauteile-Größen geeignet sein und somit den Benutzer von der lästigen Notwendigkeit entheben, je nach verwendetem Bauteil gegebenenfalls eine Zentriervorrichtung auswechseln zu müssen. Schließlich soll mit der vorgeschlagenen Einrichtung vermieden werden, daß die Bauteile beschädigt werden könnten und weiter, daß bei zunehmendem Verschleiß eine Beeinträchtigung der Genauigkeit erfolgt.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Positionieren von Bauteilen auf einem Werkstück, welche Einrichtung mindestens ein Bauteile-Magazin bzw. eine Bauteile-Magazingruppe, mindestens eine Bauteile-Transportvorrichtung mit einem Greiforgan zur Aufnahme eines Bauteiles sowie mindestens eine Werkstück-Halteanordnung zur Aufnahme mindestens eines Werkstückes umfaßt, wobei die Bauteile-Transportvorrichtung zwischen dem Bauteile-Magazin bzw. der Bauteile-Magazingruppe und der Werkstück-Halteanordnung verschiebbar gelagert ist.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches I genannten Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also von folgender Überlegung ausgegangen: Es wird darauf verzichtet, das vom Greiforgan aufgenommene Bauteil unter Verwendung einer Zentriervorrichtung mit der theoretisch optimalen Lage bezüglich der Zentrierachse durch das Greiforgan in Übereinstimmung, d. h. in eine gegenüber dieser Positionierachse konzentrische Position zu bringen. Vielmehr wird das Ausmaß der Exzentrizität, mit der das Bauteil erfaßt wurde, gemessen und anschließend der Bewegungsablauf der Bauteile-Transportvorrichtung und/oder gegebenenfalls die Position des Werkstück-Träger« so nachgeregelt, daß das Bauteil schließlich mit höchster Präzision an der theoretisch vorgegebenen Soll-Position auf dem Werkstück abgesetzt wird. In diesem Zusammenhang wird auch auf die von der Anmelderin gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung P 33 40 074.1-32 hingewiesen, in der das Verfahren, nach dem die hier offenbarte Vorrichtung arbeitet, näher erläutert ist.

Durch den Verzicht auf Zentriervorrichtungen kann die bewegte Masse der Bauteile-Transportvorrichtung wesentlich geringer gehalten werden; dies kann sich vorteilhaft in einer verminderten Taktzeit bei gleichbleibender Antriebsleistung für die Bauteile-Transportvorrichtung oder wahlweise in einer geringeren Dimensionierung der Antriebsvorrichtung bei gleichbleibender Taktzeit niederschlagen. Die Nachregelung, sei es der Bewegungsbahn der Bauteile-Transportvorrichtung, sei es der Lage des Werkstückes, kann im Rahmen der ohnehin erforderlichen Steuereinrichtung der gesamten Anlage, z. B. durch zweckentsprechende Änderung bzw. Ergänzung des Steuerprogrammes, erfolgen und erfordert somit keinen zusätzlichen apparativen Aufwand.

Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist die Lageerfassungs-Einrichtuing im Bereich des Verschiebeweges des Greiforgans der Bauteile-Transportvorrichtung im Abstand oberhalb der Werkstück-Halteanordnung im Bewegungspfad des vom Greiforgan getragenen Bauteiles angeordnet. Dies ermöglicht, daß das Bauteil nicht mehr abgelegt werden muß, sondern daß die Bauteile-Transportvorrichtung im Verlauf ihrer Verschiebebewegung über der Werkstück-Halteanordnung kurz angehalten wird, nämlich dann, wenn das vom Greiforgan erfaßte Werkstück in den Bereich der Lageerfassungs-Einrichtung gelangt ist. Während dieser kurzen Anhaltephase wird die effektive Lage des Bauteiles relativ zur durch das Greiforgan verlaufenden Positionierachse erkannt, und es wird ein Korrektursignal gebildet, welches ein Maß für die Lageabweichung in horizontaler X- und V-Richtung sowie gegebenenfalls bezüglich Verdrehung darstellt. Da die Lageerfassungs-Einrichtung mit einem Steuergerät verbunden ist. welches dieses Korrektursignal empfangt, kann entweder die Bewegungsbahn der Bauteile-Transportvorrichlung oder die Lage des Werkstückes durch Verschieben der Werkstück-Halteanordnurig nachgcregelt werden, oder aber eiine Korrektur kann durch beide Maßnahmen gleichzeitig erfolgen.

Eine andere Möglichkeil kann darin bestehen, daß die Lageerfassungs-Einrichtung in zumindest annähernd konzentrischer Lage an der Bauteilc-Transportvorrichtung, unterhalb des Greiforganes, angeordnet ist. Diese Lösung ermöglicht ein Erfassen der effektiven Position des Bauteiles am Greiforgan während der Bewegung der Transportvorrichtung, ohne diese anzuhalten; bezüglich der Auswertung der von der Lageerfassungs-Einrichtung gelieferten Korrektursignale gilt das vorstehend gesagte sinngemäß.

Für die Ausbildung der Lageerfassungs-Einrichtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann diese ein rahmenartiges Gestell umfassen, durch welches das Greiforgan der Bauteile-Transportvorrichtung hindurchtreten kann, wobei, wie bereits erwähnt, unter Umständen ein kurzes Anhalten der Bauteile-Transportvorrichtung erfolgt, wenn sich das vom Greiforgan aufgenommene Bauteil innerhalb des rahmenartigen Gestelles befindet. Während des Durchtritts des Bauteiles durch die Lageerfassungs-Einrichtung bzw. während dieser Anhaltephase wird die effektive Lage des Bauteiles relativ zur theoretischen Positionierachse erkannt und ein Korreklursignal bzw. mehrere Korrektursignale gebildet.

Die Lageabtastung des Bauteiles kann durch Berührung oder berührungslos erfolgen. Im ersteren Fall können an den vier Seiten des vorzugsweise rechteckigen bzw. quadratischen Rahmens der Lageerfassungs-Einrichtung längsverschiebbare Nadeln vorgesehen sein, die bis zum Auftreffen auf die jeweilige Seite des Bauteiles ausgefahren werden. Das Maß der Verschiebung jeder einzelnen Nadel bildet nach entsprechender logischer Verknüpfung ein Korrektursignal, aus dem >ch die Abweichung der Lage des Bauteiles von der theoretischen Soll-Lage in horizontaler X- und K-Richtung ableiten läßt

Im zweiten Fall kann eine berührungslose Abtastung z. B. mit Hilfe eines Laserstrahles mehrerer Laserstrahlen erfolgen. Auch hier bestehen mehrere Möglichkeiten, die in den abhängigen Ansprüchen im einzelnen definiert sind und in der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele noch im einzelnen erörtert werden. An dieser Stelle sei nur festgehalten, daß die berührungslose Abtastung der Lage eines Bauteiles nicht nur an sich prinzipielle Vorteile bietet (wie z. B. das Fehlen jeglicher Abnutzungserscheinungen), sondem daß dadurch auch die Erfassung einer Verschwenkung des Bauteiles um die Positionierachse durch das Greiforgan, zusätzlich zur Erfassung einer Fehlpositionierung in horizontaler X- und V-Richtung, möglich ist.

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Ferner ist dabei auch ein Erkennen der Höhenlage des Bauteiles möglich.

Im folgenden werden Ausführungsbcispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, näher erläutert. Im cinzelnenzeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Positionierung von Bauteilen in einer' Seitenansicht,

Fig.2 eine Ansicht der Werkstück-Halteanordnung und der Bauteile-Magazingruppe der Anordnung gemäß Fig. 1 von oben.

F i g. 3 eine schematische Aufsicht auf eine Lageerfassungs-Einrichtung mit mechanischer, berührender Abtastung.

F i g. 4 eine schematische Aufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Lageerfassungs-Einrichtung mit berührungsloser Abtastung.

F- i g. 5 eine schematische Aufsicht auf eine zweite

Aii*;führunp<;fnrm oinpr L-gopprfatQiinoQ-Finriphtuncr mit

bcrührungsloser Abtastung.

F i g. 6 dieselbe Ansicht wie F i g. 5. jedoch mit verdrehtem Bauteil.

F i g. 7 eine schematische Aufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Lageerfassungs-Einrichtung mit berührungsloser Abtastung, und

Fig. 8 dieselbe Ansicht wie Fig. 7, jedoch mit verdrehtem Bauteil.

Die Einrichtung gemäß F i g. 1 umfaßt eine Konsole 1, auf welcher eine Werkstück-Halteanordnung in Form eines Arbeitstisches 2 angebracht ist. Nicht näher dargestellte "Vntriebsorgane. die unter der Wirkung einer ebenfalls nicht dargestellten Steuereinrichtung stehen, erlauben es, den Arbeitstisch 2 horizontal in Richtung der Pfeile X wie auch in Richtung der Pfeile V(Fig.2) zu verschieben, d. h. in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen in einer Horizontaleebene. Auf dem Arbeitstisch 2 ist ein Werkstück 3, z. B. in Form eines mit Leiterbahnen versehenen Keramiksubstrates, zur Herstellung einer elektronischen Schaltung angeordnet. Positionier- bzw. Halteorgane 4 dienen dazu, daß Werkstück 3 gegenüber dem Arbeitstisch 2 in einer vorbestimmten Lage zu fixieren.

Eine weitere Konsole 5, die benachbart zur Konsole 1 angeordnet ist, trägt eine Anzahl von Bauelementemagazinen 6: diese umfassen einen Vorratsteil 7, aus welchem ein Band 8 herausragt, das mit einer Mehrzahl von z. B. aufgeklebten Bauelementen 9a. 9b usw. versehen •ist. Selbstverständlich können die Bauelementemagazine 7 auch anders ausgebildet sein, und es sind eine Reihe von Betätigungsorganen für diese Magazine erforderlich; auf diese Einzelheiten braucht im Rahmen der vorlegenden Erfindung nicht näher eingegangen zu werden, da sie im Ermessensbereich des mit der Materie vertrauten Fachmannes liegen.

Oberhalb der beiden Konsolen 1 und 5 ist eine Führung 10 angeordnet, die eine Bauteile-Transportvorrichtung 11 aufnimmt Diese umfaßt einen schlittenartigen Teil 12, der entlang der Führung 10 in Richtung des Pfeiles A längsverschiebbar ist Vorzugsweise kann die gesamte Führung 10 zusätzlich in einer senkrecht dazu verlaufenden, horizontalen Richtung entlang des Pfeiles B querverschiebbar sein. Die Transportvorrichtung 11 umfaßt ein Bauteile-Aufnahmeorgan 13, welches mit einer Hohlnadel 14 bestückt ist um die einzelnen Bauelemente 9a—19£> aus den Magazinen zu entnehmen. Das Innere der Hohlnadel 14 ist an eine (nicht dargestellte) Vakuumqucllc angeschlossen; beim Auftreffen der Spitze der Nadel 14 auf das aufzunehmende Bauelement 9 084

wird das Vakuum an die Nadel 14 angelegt, so daß das Bauelement 9 an der Spitze der Nadel 14 haften bleibt Zu diesem Zweck ist die gesamte Anordnung bzw. das Bauelement-Aufnahmeorgan 13 in Richtung des Pfeiles C höhenverstellbar. Das heißt, daß die Nadel 14 aus der in Fig. I gezeigten Position auf ein ausgewähltes Bauelement 9 abgesenkt werden kann, um dieses durch Ansaugen festzuhalten.
Wie schon-erwähnt, ist die Anordnung 11 entlang der Führung 10 in Richtung des Pfeiles A verschiebbar, nämlich in eine Position (gestrichelt dargestellt in Fig. 1) oberhalb einer Lageerfassungs-Einrichtung 15. Letztere befindet sich zentral über dem Arbeitstisch 2 und besitzt im wesentlichen rahmenförmige Gestalt, so daß das Bauelement-Aufnahmeorgan 13 mit der das Bauelement 9 tragenden Nadel 14 durch diese hindurchtreten kann.
Auf nähere Einzelheiten bezüglich der Lageerfas-

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lieh eingegangen werden, jedenfalls ist die Lageerfassungs-Einrichtung im Stande, der effektive Position eines Bauelementes 9 relativ zu einer durch das Zentrum der Nadel 14 verlaufenden, vertikalen Positionierachse zu erkennen und daraus ein Korrektursignal bzw. Korrektursignale abzuleiten.

Das Bauelement gemäß Fig.6 und 8 befindet sich in verdrehter bzw. dezentrierter Lage, während das Bauelement gemäß Fig.3, 4, 5 und 7 lediglich in X- bzw. y-Richtung verschoben ist Die Lageerfassungs-Einrichtung 15 ist im Stande, im Fall der Situation gemäß Fig. 6 und 8 den Drehwinkel des Bauelementes 9 zu erkennen, daraus ein Korrektursignal abzuleiten und die Nadel 14 bzw. das Tragorgan 13 zu einer Verdrehung zu veranlassen, bis das Werkstück 9 die in F i g. 3,4,5 und 7 gezeigte Lage parallel zu den Seitenkanten des Werkstückes 3 einnimmt. Andererseits wird durch die Einrichtung 15 eine laterale Verschiebung in horizontaler Richtung, in der Situation z. B. gemäß Fig.3 um den Betrag χ in .Y-Richtung und um den Betrag y in V-Richtung, erkannt. Daraus werden ebenfalls Korrektursignale abgeleitet, die entweder die Bewegungsbahn der Anordnung 11 in Richtung der Pfeile A und B oder die Verschiebung des Arbeitstisches 2 in X- und K-Richtung oder aber eine Kombination all dieser Bewegungen be-

•45 einflussen.

In der Praxis arbeitet die Einrichtung wie folgt: Die Bauteile-Transportvorrichtung 11 befindet sich gemäß Fig. 1 in einer Position oberhalb eines ausgewählten •Magazins 6. Die Nadel 14 wird in Richtung des Pfeiles C

so abgesenkt, bis deren Spitze auf der Oberfläche des aufzunehmenden Bauelementes 9c auf trifft. Danach wird "das Vakuum an die Nadel 14 angelegt, und die Nadel 14 'wird zurückgezogen, so daß das Bauelement 9c an der Spitze der Nadel 14 haften bleibt. Im Normalfall wird ein so aufgenommenes Bauelement 9c nicht ganz genau zentrisch an der Spitze der Nadel 14 haften, sondern in X- und V-Richtung versetzt sein. Ferner ist auch möglich, daß das Bauelement zudem verdreht sein kann.
Nun bewegt sich die Transportvorrichtung 11 in die in F i g. 1 gestrichelt gezeigte Lage über dem Arbeitstisch 2 und die Nadel 14 wird soweit abgesenkt daß sich das Bauelement 9c innerhalb der rahmenförmigen Lageerfassungs-Einrichtung 15 befindet. Dort wird die Exzentrizität des Bauelementes 9c gegenüber der theoretisehen Positionierachse im Zentrum der Nadel 14 erfaßt: daraus resultierende Korrektursignale bewirken nun gegebenenfalls eine Verdrehung des Werkstückes um die durch die Nadel 14 verlaufende Positionierachse so-

wie entweder eine Lagekorrektur der Transportvorrichtung 11 in Richtung der Pfeile A und/oder B, eine Verschiebung des Arbeitstisches 2 in X und/oder Y-Richtung oder eine Kombination beider Korrekturbewegungen. Nachdem dies geschehen ist, ist sichergestellt, daß sich das an der Spitze der Nadel 14 befindliche Bauelement 9c in korrekter Lage oberhalb des Werkstückes 3 befindet, so daß anschließend die Nadel 14 abgesenkt werden kann, um das Bauelement 9c mit höchster Präzision auf das Werkstück 3 abzulegen.

Wie schon zuvor erwähnt, erkennt die Lageerfassungs-Einrichtung 15 auch eine Verdrehung des Bauelementes 9cgegenüber der theoretischen Soll-Lage. Das daraus gewonnene Korrektursignal kann dazu benützt werden, die Nadel 14 zu verdrehen, bis die erwünschte, parallele Ausrichtung des Bauelementes 9czu den Kanten des Werkstückes 3 erreicht ist. Mit Hilfe der heute zur Verfügung stehenden Steuerorgane kann diese Auswertung und Korrektur so schnell erfolgen, daß eventuell gar kein oder aber kein nennenswert langer Aufcnt halt des Bauelementes in der Lageerfassungs-Einrichtung 15 erforderlich ist.

Nachdem das Bauelement 9c auf dem Werkstück 3 abgelegt worden ist, wird das Vakuum innerhalb der Nadel 14 aufgehoben und diese zurückgezogen, währenddem sich die Transportvorrichtung 11 in die in F i g. 1 gezeigte Ausgangslage oder in eine in Richtung des Pfeiles A etwas verschobene Lage über einem der Magazine 6 zurückbewegt. Nun kann die Nadel 14 erneut abgesenkt werden, um ein weiteres Bauelement 9a—9b aufzunehmen, und der vorstehend geschilderte Vorgang wiederholt sich von neuem.

Verschiedene Ausführungsbeispiele der Lageerfassungs-Einrichtung 15 sind in den Fig.3—8 dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

In der F i g. 3 ist eine mechanische Lösung zu sehen, die mit einer berührenden Abtastung des zu positionierenden Bauelementes 20 arbeitet. Die Einrichtung 15 umfaßt einen quadratischen Rahmen, der aus vier Seitenteilen 21a—21c/zusammengesetzt ist. Jedes der Rahmenteile 21a—21c/trägt eine Nadel 22a—22c/, die längsverschiebbar gelagert ist und unter Einfluß eines Antriebs- und Meßorganes 22a— 23c/ steht. Mittels letzterem können die Nadeln 22a—22dm Richtung der Pfeile U-X-UA längsverschoben werden, d. h. quer zum Verlauf der Rahmenseiten 21a—21c/. Die Ausbildung der Antriebs- und Meßorgane 23a—23c/ist bekannter Stand der Technik und braucht an dieser Stelle nicht näher erläutert zu werden. Jedenfalls stehen die Organe 23a—23c/ in Wirkungsverbindung mit dem zentralen Steuerorgan der gesamten Einrichtung, wobei die Funktion wie folgt ist:

. In der Ausgangslage befinden sich die Nadeln 22a—22c/ in einer mehr oder weniger zurückgezogenen Position, so daß ein von der Hohlnadel 14 getragenes Bauelement 20 in das Innere des Rahmens 21a—21c/ eintauchen kann. Das Zentrum der Nadel 14, d. h. die theoretische Positionierachse, ist mit M bezeichnet Nachdem das Bauelement 20 in die Lageerfassungs-Einrichtung 15 eingetaucht ist, werden die Nadeln 21 a—21 d unter Wirkung der Antriebs- und Meßorgane 23a—23c/ in Richtung des Bauelementes 20 bewegt, bis die Nadelspitzen auf den Seitenflächen des desselben aufliegen. Der Verschiebeweg der Nadeln 22a—22c/ wird dabei von den Antriebs- und Meßorganen 23a—23c/ erfaßt; aus diesen Meßwerten kann ein Korrcktursignal bsw. können Korrektursignale gebildet werden, die ein Maß für die Abweichung des Zentrums Ndes Bauelementes 20 von der theoretischen Sollposition, nämlich der Achse M bilden. Mit diesem Korrektursignal wird der Antrieb der Bauelemente-Transportvorrichtung und/oder der Antrieb der Werkstück-Halteanordnung beeinflußt.

Nachdem die Lage des Bauelementes 20 erkannt ist, werden die Nadeln 22a—22c/ zurückgezogen und das Bauelement 20 kann auf das Werkstück 3 abgesenkt werden, wo es die theoretisch optimale Position mit größtmöglichster Präzision einnimmt. Die in der Fig.3

ίο dargestellte und vorstehend beschriebene Anordnung der Lageerfassungs-Einrichtung !5 ist insbesondere dann vorteilhaft anzuwenden, wenn die Beschaffenheit der Seitenflächen der Bauelemente 20 unregelmäßig oder nicht im voraus bekannt ist. Andererseits ist ein Nachteil dieser Anordnung darin zu erblicken, daß eine Verschwenkung des Bauelementes 20 um die Achse M nicht erkannt werden kann. Es muß also vorausgesetzt werden, daß das Bauelement 20 in einer winkclgcrechten Position aus dem Magazin entnommen worden ist

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Lage bezüglich der Achse M verschoben ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Lageerfassungs-Einrichtung 15 ist in der F i g. 4 dargestellt. Es ist wiederum ein quadratischer Rahmen mit vier Rahmenseiten 21a—21c/ vorhanden, in welchen das mit dem Bauelement 20 versehene Greiforgan der Bauelement-Haltevorrichtung eintaucht. Die Anordnung gemäß Fig.4 umfaßt zwei Laserdioden 24a und 246, die drehbar an einander gegenüberliegenden Ecken des Rahmens angeordnet sind. Die Laserdioden senden einen scharf gebündelten Strahl aus, der von einem innerhalb des Rahmens befindlichen Bauteil reflektiert wird. Die zwei verbleibenden, ebenfalls gegenüberliegenden Ecken des Rahmens nehmen je eine Empfangsdiode 25a und 256 auf, die einen reflektierten Strahl zu empfangen bestimmtsind.

Aus der Fig.4 ist zu entnehmen, daß die Laserdiode 246 im Verlauf ihrer Rotation einmal einen Strahl aussenden wird, der zunächst von der Seitenfläche 20a des Bauelementes 20 so reflektiert wird, daß er auf die Emfpfangsdiode 25a fällt und von dieser registriert wird. Im Verlauf der weiteren Rotation der Lascrc^:odc 24/j tritt der Zustand ein, bei dem der Laserstrahl von der Seitenfläche 2Od des Bauelementes reflektiert und von der Empfangsdiode 25b aufgenommen wird. Im Moment des Empfangs des einerseits von der Seitenfläche 20a und andererseits von der Seitenfläche 20c/ reflektierten Laserstrahls nimmt die Laserdiode 24b jeweils eine ganz bestimmte Winkelstellung ein. Diese wird vom Steuergerät der Einrichtung erkannt und gespeichert. Entsprechendes gilt für die rotierende Laserdiode 24a: Sie wird im Verlauf ihrer Rotation eine Winkelstellung einnehmen, bei der der ausgehende Strahl von der Seitenfläche 20c so reflektiert wird, daß er von der Empfangsdiode 25b empfangen wird, und danach eine solche Winkelstellung, daß der Strahl von der Seitenfläche 206 des Bauelementes so reflektiert wird, daß er auf die Empfangsdiode 25a fällt Auch diese beiden Winkelstellungen werden vom Steuergerät der Einrichtung registriert Aus den im Steuergerät registrierten Winkelwerten läßt sich, nach bekannten mathematischen Gesetzen, ein Korrcktursignal bzw. mehrere Korreklursigna-Ie ableiten, das bzw. die ein Maß für die Abweichung der Lage des Bauelementes 20 von der theoretisch idealen Soll-Lage ist bzw. sind.

Die vorstehend geschilderten Überlegungen gehen davon aus, daß das Bauelement 20 gegenüber den Rahmenseiten 21a—21c/ eine winkelgerechte La^e ein-

nimmt; djis ist in Fig.4 mit ausgezogenen Linien dargestellt. Es kann aber auch sein, daß das Bauelement 20 eine um die Achse M verdrehte Position einnimmt. Dies'.' Position, wie auch die Rcflexionsvcrhältnisse der Laserstrahlen, sind in diesem Fall in Fi g.4 gestrichelt daigestellt. F.s leuchtet ein, daß somil die Verdrehwinkcl der Laserdioden 24« und 246 im Moment, wo deren Strahlen von den Empfangsdioden 25a und 75b erfaßt werden, gegenüber der vorherigen Situation verschieden sind. Durch Auswertung der Winkelstellungen der beiden Laserdioden, bei denen eine Reflexion eintritt, und durch kontinuierliches Verdrehen des Bauelementes 20, gegebenenfalls in beiden Richtungen nacheinander, läßt sich nach ebenfalls bekannten mathematischen Gesetzen diejenige Position des Bauelementes bestimmen, in der es eine genau parallele Lage zu den Seiten 21,7—21c/des Rahmens einnimmt.

In den Fig. 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel de.· Lageerfassungs-Einrichtung 15 dargestellt, das ebenfalls mit berührungsloser Abtastung des Bauelementes 20 arbeitet. Die eine Rahmenseite 21 eist dabei mit einer Reihe von Strahlen aussendenden Elementen 26. i. B. mit Laserdioden ausgestattet. Deren Strahl ist scharf gebündelt und verläuft parallel zu den Rahmenseiten 21 b und 21 d. Auf der der Rahmenseite 21c gegenüberliegenden Rahmenseite 21a ist eine entsprechend angeordnete Reihe von Empfangselementen 27, z. B. von lichtempfindlichen Dioden oder ähnlichen Halbleitern vorgesehen, in der Weise, daß jede der Laserdioden 26 einen Strahl auf eine zugeordnete Empfangsdiode 27 richtet.

Bei der Situation gemäß F i g. 5 ist das Bauelement 20 gegenüber der Zentrierachse N in A'-Richtung nach rechts und in V-Richtung nach unten verschoben, nimmt jedoch eine winkelgerechte, d. h. zu den Seiten 21 des Rahmens parallele Lage ein. Demzufolge empfangen eine Anzahl von linksseitigen Dioden 27 sowie eine Anzahl von rechtsseitigen Dioden 27 die von den Laserdioden 26 ausgesandten Strahlen, währenddem die mittig gelegenen Empfangsdioden 27 keinen Strahl empfangen können, da sie im Schatten des Bauelementes 20 !■ *n. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der linkst _een und der rechtsseitigen Empfangsdioden 27, die einen Strahl empfangen, bildet somit ein Maß für die Exzentrizität der Lage des Bauelementes 20 in A'-Richtung. Zur Erfassung der Exzentrizität in V-Richtung wird das Bauelement 20 um exakt 90 Grad verdreht; in entsprechender Weise kann ein Maß für die Lageabweichung gewonnen werden. Diese beiden Meßwerte werden im Steuergerät der Einrichtung verarbeitet, so daß ein bzw. mehrere Korrektursignale resultieren, die die Bewegung der Bauelemente-Transportvorrichtung und/oder 'der Werkstück-Haltevorrichtung beeinflussen.

Falls die Situation der F i g. 6 vorliegt, d. h. falls das Bauelement 20 gegenüber der Achse M verdreht ist, empfängt nur eine geringe Anzahl der rechtsseitig sowie der linksseitig gelegenen Empfangsdioden 27 einen von den Laserdioden 26 ausgehenden Strahl. Somit wird das Bauelement 20 solange um die Achse M verdreht, bis die Anzahl der einen Strahl empfangenden Diode 27 maximal ist. Dadurch ist sichergestellt, daß das Bauelement 20 relativ zu den Rahmenseiten 21 eine parallele Lage einnimmt.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit, die ebenfalls berührungslos arbeitet und die im wesentlichen eine Kombination der Ausführungen gemäß Fig.4· einerseits und gemäß F i g. 5 und 6 andererseits darstellt, ist in den F i g. 7 und 8 zu sehen. Die Lageerfassungs-Einrichtung 15 umfaßt wiederum einen Rahmen mit den Seiten 21a—21c/, wobei die eine Seite 21a ähnlich wie bei der Ausführung gemäß Fig.5 und 6 mit einer Reihe von Empfangsdioden 31 versehen ist. Die gcgenübcrliegcnde Seile 2U'iimfnßl eine fest angebrachte Lichtquelle 30 in Form einer doppelten Luserdiode, deren Hiiiflcn 3Cv und 306 einen eng gebündelten Strahl in /twei diametral gegenüberliegende Richtungen aussenden. Die Strahler: verlaufen im wesentlichen parallel zur Rahmenseite 21c.

ίο Im Bereich der zur Rahmenseite 21c benachbart liegenden Ecken sind Reflexionselemente 28a und 286, z. B. in Form von Spiegeln angebracht, die um eine Achse 29a bzw. 296 rotierbar sind. Die von den Hälften 30a und 306 der Laserdiode 30 ausgehenden Strahlen treffen auf die .Spiegel 28a und 28£> auf und werden gegen das Innere der Lageerfassungs-Einrichtung 15 reflektiert, wo sich das Bauelement 20 befindet.

Je nach Lage des Bauelementes 20, sei es in X- und V-Richtung, sei es bezüglich einer Verdrehung um die Achse M, wie es in der F i g. 8 zu sehen ist, werden mehr oder weniger der Empfangsdioden 31 von den durch die Laserdioden 30a und 306 ausgesandten und von den rotierenden Spiegeln 28a und 28£> reflektierten Lichtstrahlen beaufschlagt. Das zweckmäßigste Vorgehen wird wieder wie folgt sein: Das Bauelement 20, das sich in einer Lage gemäß F i g. 8 befinden mag, wird solange um die Achse M verschwenkt, bis dessen winkelgerechte Lage erkannt ist. Danach wird aus der Anzahl der linksseitig und der rechtsseitig vom Lichtstrahl beaufschlagten Empfangsdioden innerhalb der Diodenzeile 31 auf eine allfällige Verschiebung in A'-Richtung geschlossen und daraus ein X- Korrektursignal abgeleitet. Nun wird das Bauelement 20 um exakt 90 Grad gedreht, eine allfällige K-Abweichung wird erfaßt und daraus ein K-Korrektursignal gewonnen. Diese Korrektursignale werden, wie schon zuvor erwähnt, vom zentralen Steuergerät in dem Sinne verarbeitet, daß dadurch eine Nachregelung der Bewegung der Baüieiie-Transportvorrichtung und/oder der Werkstück-Halteanordnung resultiert.

Es versteht sich von selbst, daß die beispielsweise beschriebenen Vorrichtungen und Anordnungen im Rahmen der Erfindung zahlreichen Modifikationen unterworfen sein können. Des weiteren ist es denkbar die erfindungsgemäße Einrichtung nicht nur zur Positionierung von Bauelementen auf einem Leiterträger für elektronische Schaltungen zu verwenden, sondern bei jeglichem anderen Arbeitsvorgang, der die genaue Positionierung eines Bauteiles an einer vorgegebenen Position auf bzw. in einem Werkstück erfordert

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück, weiche zumindest ein Bauteile-Magazin bzw. eine Bauteile-Magazingruppe, zumindest eine Bauteile-Transportvorrichtung mit einem Greiforgan zur Aufnahme eines Bauteiles sowie zumindest eine Werkstück-Halteanordnung zur Aufnahme mindestens eines Werkstückes umfaßt, wobei die Bauteile-Transportvorrichtung zwischen dem Bauteile-Magazin bzw. der Bauteile-Magazingruppe und der Werkstück-Halteanordnung verschiebbar gelagert ist und wobei ein mit einer Lageerfassungs-Einrichtung und zumindest mit dem Antrieb der Bauteile-Transportvorrichtung verbundenes Steuergerät vorgesehen ist, welches den genannten Antrieb unter Berücksichtigung des Lageabweichungs-Meßwertes beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageerfassungs-Einrichtung (15j =m Abstand oberhalb der Werkstück-Haiteanordnung (i,2,4) im Bewegungspfad des vom Greiforgan (13, 14) der Bauteile-Transportvorrichtung (10,11) getragenen Bauteiles (9,20) angeordnet ist und die relative Lageabweichung dieses Bauteiles (9, 20) gegenüber einer auf eine Positionierachse durch das Greiforgan bezogener Soll-Position mißt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageerfassungs-Einrichtung (15) einen Rahmen (21a—2\d) aufweist, durch weichen das mit dem Bauteil (20) versehene Greiforgan (13, 14) der Baute.'e-Transportvorrichtung hindurchbewegbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen \2\a- 2\d) rechteckige bzw. quadratische Gestalt besitzt und entlang mindestens einer Rahrnenseite (21s bzw. 21 £ bzw. 21c bzw. 2\d) mit Lageerfassungs-Organen (22a—22c/; 23a—23d bzw. 24a, 246. 25a, b bzw. 26; 27 bzw. 30; 31) versehen ist

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne der Rahmenseiten (2\a—2\d) mit einer längsverschiebbaren, sich im wesentlichen senkrecht zur Rahmenseite erstreckenden, zumindest annähernd in der Mitte der Rahmenseite angeordneten Lageerfassungs-Nadel (22a—22d) versehen sind, die unter Einfluß eines Antriebs- und Meßorganes (23a—23d} stehen, welches die Nadel gegen die Mitte des Rahmens zu verschieben bestimmt ist und weiche das Maß der Verschiebung der Nadel mißt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Meßorgane (23a—23d) mit dem Steuergerät der Einrichtung in Wirkungsverbindung stehen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageerfassung von im wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Bauteilen im Bereich zweier gegenüberliegender Ekken des Rahmens je ein zu einer zumindest um 90 Grad verschwenkbaren Bewegung antreibbares, einen durch das Bauteil (20) reflektierbaren Strahl aussendendes Element (24a, 246,/und im Bereich der beiden anderen, gegenüberliegenden Ecken des Rahmens je ein den genannten Strahl empfangendes Element(25a,25b)vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlen aussendenden Elemen

te (24a, 240,} um 360 Grad rotierbar sind.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen b oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlen aussendenden Elemente (24a, 24b) sowie die die Strahlen empfangenden Elemente (25a, 256J an das Steuergerät der Einrichtung angeschlossen sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche b bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlen aussendenden Elemente (24a, 24b) Laserdioden und die die Strahlen empfangenden Elemente (25a, 25b) lichtempfindliche Halbleiterelemente sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageerfassung von im wesentlichen rechteckigen, quadratischen oder runden Bauteilen zumindest entlang einer Rahmenseite (21 c) eine Reihe von nebeneinander angeordneten. Strahlen aussendenden Elementen (26) und zumindest entlang einer gegenüber dieser Rahmenseite liegenden Rahmenseite (21a,/ eine Reihe von nebeneinander angeordneten, die genannten Strahlen empfangenden Elementen (27) vorgesehen sind.

!1. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlen aussendenden Elemente (26) Laserdioden und die die Strahlen empfangenden Elemente (27) lichtempfindliche Halbleiterelemente sind, wobei jeder Laserdiode ein lichtempfindliches Halbleiterelement zugeordnet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lageerfassung von im wesentlichen rechteckigen, quadratischen oder runden Bauteilen entlang mindestens einer Rahmenseite (2IaJ eine Reihe von nebeneinander angeordneten, lichtempfindlichen Empfangselementen (31) vorgesehen ist, und daß in der Mitte der gegenüberliegenden Rahmenseite (2IcJ ein nach zwei diametral gegenüberliegenden Seiten Strahlen aussendendes Element (30) sowie im Bereich der Enden dieser Rahmenseite (2IcJ zwei zu einer rotierenden Bewegung antreibbare R».nexionselemente (28a, 2Kb)angeordnet ist bzw. sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte. Strahlen aussendende Element (30) eine Doppel-Laserdiode ist, welche je einen Laserstrahl in einer im wesentlichen parallel zu dieser Rahmenseile (21 ς) verlaufenden Richtung zu den beiden als Spiegel (28a, 2Zb) ausgebildeten Reflexionselementen aussendet.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Empfangselemente (31) durch Halbleiterelemenie gebildet sind.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6—14, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlen aussendenden Elemente (24a. b bzw. 26 bzw. 30) sowie die die Strahlen empfangenden Elemente (25a, b bzw. 27 bzw. 31) mit dem Steuergerät der Einrichtung in Wirkungsverbindung stehen.