DE3340074C2

DE3340074C2 - Verfahren zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück

Info

Publication number: DE3340074C2
Application number: DE19833340074
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: ZEVATECH AG BELLACH CH
Current assignee: ZEVATECH AG BELLACH CH
Priority date: 1983-11-05
Filing date: 1983-11-05
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE3340074A1

Abstract

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren 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 Lage einnehmen. Um die effektive Ist-Lage des Bauteiles zu bestimmen, wird dieses im Verlauf der Transportbewegung in eine Lageerfassungs-Einrichtung gebracht. Diese erzeugt in Abhängigkeit vom Grad der Lageverschiebung des Bauteiles ein oder mehrere Korrektursignale. Diese werden ausgewertet, um den Verschiebungsweg des Transportorgans und/oder die Lage des Werkstückes im Sinne einer Korrektur zu beeinflussen.

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück, bei welchem ein Bauteil aus einem Magazin bzw. aus einem ausgewählten Magazin einer Magazingruppe entnommen, dessen Lage abgetastet, unter Berücksichtigung der ermittelten Lage mittels eines Bauteile-Transportorganes in den Bereich des Werkstückes transportiert und in einer vorgegebenen Position auf das Werkstück aufgebracht wird. Ein solches Verfahren ist bereits durch die DE-OS 26 37 686 bekannt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist z. B. im Aufbringen elektronischer Bauelemente auf einen Träger zu erblicken. Als Träger kommen Dickschichtschaltungen, Diinnschiehlschaltungen, Leiterplatten oder iihnlichc Werkstücke in Heimeln. Solche Triigcr umfassen eine Leiterträgerplatte, 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 Anschlußpunkten 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 den Träger aufzusetzenden Elemente mit größtmöglichster Präzision an den vorgesehenen P'atz 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, weiche selbsttätig, durch ein geeignetes Programm gesteuert, Bauelemente aus einem Magazin oder aus einem ausgewählten Magazin einer Magazingruppe einnehmen, 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 ausgewähltem 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 von der Transportvorrichtung aufgenommenen Bauelementes gegenüber einer theoretisch genauen Positionierachse der Transportvorrichtung nicht gewährleistet ist. Mit anderen Worten bedeutet das, daß ein vom Erfassungsorgan der Transportvorrichtung aus dem Magazin aufgenommenes Bauelement mehr oder weniger gegenüber der theoretischen Position'erachse der Transportvorrichtung verschoben und/cder verdreht sein kann.

In der eingangs genannten DE-OS 26 37 686 ist ein Verfahren zur Korrektur dieser nicht voraussehbaren Lageverschiebung bei der automatischen Übertragung von Teilen zwischen einer Aufnahme- und einer Ablagestelle unter Verwendung einer programmgesteuerten Ubertragungsmaschine beschrieben. Es kann dabei ein Bauteil von einer variablen Ausgangsposition in eine feststehende Zielposition gebracht werden. Dies geschieht aber dadurch, daß das Bauteil an einer Zwischenposition abgelegt werden 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 schon vorge^ schlagen, die Erfassüngsorgane der Transportvorrichtung mit Zentriermitteln zu versehen, um ein ungenau aufgenommenes Bauelement in die theoretisch erwünschte Sollposition gegenüber der Positionicrachsc zu bringen, d. h. das Bauelement mechanisch so zu verschieben, daß dessen Symmetrieachse mil der Posilionierachsc der Transportvorrichtung zusammenfällt. Hi-

ne solche Vorrichtung ist ζ. B. in der US-Patentschrift 41 35 630 beschrieben, die eine Anordnung zum Zentrieren elektronischer Bauelemente offenbart, die aus einem Magazin entnommen worden sind und auf einer Leiterplatte aufgesetzt werden sollen. Es wird dabei von der Überlegung ausgegangen, daß die zu positionierenden Bauelement während des Entnehmens 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 der Transportvorrichtung zentriert werden können.

An sich arbeitet diese Vorrichtung zufriedenstellend, benötigt aber in mechanischer Hinsicht aufwendige Mittel, um die im allgemeinen sehr geringe Abmessungen aufweisenden, aus dem Magazin aufgenommenen Bauelemente zu umgreifen und mechanisch zu verschieben. damit sie die theoretische Sollposition einnehmen. Die Konstruktion einer solchen Zentriervorrichtung, die sehr präzise ausgebildet sein muß, ist demzufolge aufwendig und sehr teuer. Dazu kommt, daß mit einem die Präzision der Zentriervorrichtung beeinträchtigenden Verschleiß gerechnet werden muß, und weiter, daß 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 die Zentriervorrichtung umfassen müssen, überdimensioniert werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, welches ermögl^;cht, Leiterplatten oder auch andere Werkstücke irgendeiner Art in rascher Folge mit höchster Präziion mit aus einem Magazin entnommenen Bauteilen bzw. elektrischen Bauelementen zu bestükken_v wobei auf die Verwendung einer komplizierten, mechanisch aufwendigen und daher teuren Zentriervorrichtung verzichtet und auch vermieden werden, daß das Bauteil während seiner Transportbewegung abgelegt und '-viederatifgenommen werJen muß.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die erfmdungsgemäße Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst

Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird also darauf verzichtet, das aufgenommene Bauteil mit der theoretisch optimalen Lage in Übereinstimmung zu bringen, d. h. in eine gegenüber der Positionierachse des Bautei-Ie-Transportorganes konzentrische Position zu verschieben. Vielmehr wird das Ausmaß der Exzentrizität mit der das Bauteil erfaßt wurde, und gegebenenfalls auch das Maß dessen Verdrehung, gemessen und anschließend der Bewegungsablauf der Bauteile-Transportvorrichtung und/oder die Position des Werkstückes so nachgeregelt, daß schließlich das Bauteil an der theoretisch vorgegebenen Sollposition auf das Werkstück abgesetzt in dieses eingesetzt wird. Durch den Verzicht auf Zentriervorrichtungen kann die bewegte Masse der Bauteilc-Transpc-rtvorrichtung wesentlich geringer gehalten werden. Die Nachregelung, sei es der Bewe· gungsbahn der Transportvorrichtung, sei es der Lage des Werkstückes, kann im Rahmen der ohnehin erforderlichen Steuereinrichtung der gesamten Anlage, z. B. durch zweckentsprechende Ergänzung des Steuerprogramms, erfolgen und erfordert somit keinen zusätzlichen apparativen Aufwand. Durch den Verzicht auf das Zwischenablegen und Wiederaufnehmen ist eine kurze Taktzeit und damit eine hohe Arbeitsleistung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Bestückungsanlage gewährleistet

Im einfachsten Fall mag es genügen, wenn die Abweichung der Lage des Bauteiles von der theoretischen Sollage in einer einzigen, horizontal verlaufenden Richtung erfaßt wird. Dies ist dann der Fall, wenn die im Magazin bzw. den Magazinen befindlichen Bauteile in der einen horizontalen Richtung sehr genau, in einer zweiten, senkrechten dazu verlaufenden Horizontalrichtung jedoch weniger genau positioniert sind. Im allgemeinen wird es jedoch erforderlich sein, die effektive Lage des Bauteiles nach dem Erfassen durch die Transportvorrichtung in zwei zueinander senkrecht stehenden, horizontalen Richtungen zu messen, nämlich in der ΛΤ-Richtung und in der y-RichtUrfc. Dies geschieht in der Lageerfassungs-Einrichtung, deren konstruktiver Aufbau nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist; diesbezüglich wird auf die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung P 33 40 0845-32 verwiesen.

Gegebenenfalls kann es auch erforderlich sein, neben der Erfassung der Lage des Bauteiles in X- und K-Richtung eine allfällige Verdrehung des Bauteiles um die Positionierachse der Bauteile-Trarsportvorrichtung zu erkennen. Auch dies kann in der Lageerfassungs-Einrichtung geschehen, indem diese ein winkelabhängiges Fehlersignal liefert und eine Drehvorrichtung aktiviert, um das Bauteil in eine winkelgerechte Lage zu bringen.

Jedenfalls wird bzw. werden aus der Lageerfassungs-Einrichtung ein Korrektursignal oder mehrere Korrektursignale abgeleitet, die zur korrekten Positionierung des Bauteiles auf dem Werkstück Verwendung finden. Wahlweise ist es möglich, mittels dieses Korrektursignales bzw. dieser Korrektursignale entweder nur die Bewegungsbahn der Bauteile-Transportvorrichtung o^er nur die Positionierung des Werkstückes zu beeinflussen, oder aber im Sinne einer Bewegungsoptimierung beide Beeinflussungen gleichzeitig vorzunehmen.

Schließlich sei noch erwähnt, daß auf ähr.liche Weise die Position des Bauteiles an der Transportvorrichtung bezüglich der Z-Richtung erfaßt bzw. gemessen werden kann. Ein solcher Meßwert, der ebenfalls von der Lageerfassungs-Einrichtung geliefert werden kann, bietet einen Anhaltspunkt, um das Bauteil bezüglich seiner Höhenlage optimal auf das Werkstück absetzen zu können. Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren, unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen, näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Positionierung von Bauteilen in finer Seitenansicht,

F i g. 2 eine Ansicht der Anordnung von oben, und
Fig. 3—5 sch ^mansche Darstellung der Lage eines Bauteiles innerhalb der Lageerfassungs-Einrichtung.

Die Anordnung gemäß F i g. 1 umfaßt eine Konsole 1, auf welcher ein Arbeitstisch 2 beweglich gefagert ist. Nicht näher dargestellte Antriebsorgane, die unter der Wirkung einer ebenfalls nicht dargestellten Steuereinrichtung stehen, ei ijuiben es, den Arbeitstisch 2 horizontal in Richtung der Pfeile X wie auch in Richtung der Pfeile Y(F i g. 2) zu verschieben. 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, das 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 Bauteilemagazinen 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 Bauteilemagazine 7 auch anders ausgebildet sein, und es sind eine Reihe von Betätigungsorganen für die Bauteilemagazine erforderlich; auf diese Einzelheiten braucht im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher eingegangen zu wer- is den. da sie im Ermessensbereich des mit der Materie vertrauten Fachmannes liegen.

Oberhalb der beiden Konsolen 1 und 5 ist eine Führung 10 angpnrrlnpi, di? ein Baüieüe-TrsnsportGrgäü ! ί aufnimmt. Dieses umfaßt einen schlittenartigen Teil 12, der entlang der Führung 10 in Richtung des Pfeiles A längsverschiebbar ist. Gegebenenfalls kann die gesamte Führung 10 zusätzlich in einer senkrecht dazu verlaufenden Richtung entlang des Pfeiles B quer verschiebbar sein. Das Transportorgan 11 umfaßt ein Bauteile-Aufnahmeorgan 13, welches mit einer Hohlnadel 14 bestückt ist, um die einzelnen Bauelemente 9a—9b aus den Magazinen zu entnehmen. Das Innere der Hohlnadel ist an eine (nicht dargestellte) Vakuumquelle angeschlossen; beim Auftreffen der Spitze der Nadel 14 auf das aufzunehmende Bauelement 9 wird das Vakuum angelegt, so daß das Bauelement 9 an der Spitze der Nadel 14 haften bleibt. Zu diesem Zweck ist die gesamte Anordnung bzw. das Bauteile-Aufnahmeorgan 13 in Richtung des Pfeiles C höhenverstellbar. Das heißt, daß die Nadel 14 aus der in Fig. 1 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 Bauteile-Aufnahmeorgan 13 mit der das Bauelement 9 tragenden Nadel 14 durch diese hindurchtreten kann.

Auf nähere Einzelheiten bezüglich der Lageerfassungs-Einrichtung 15 wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht eingetreten; diesbezüglich wird auf die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung P 33 40 084.9-32 hingewiesen, in welcher ausführlich auf deren Ausbildung eingegangen wird. Jedenfalls ist die Lageerfassungs-Einrichtung im Stande, die 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.

In den Fig.3—5 sind schematisch verschiedene Lagen eines Bauelementes 9 in bezug auf die Positionierachse F innerhalb der rahmenförmigen Lageerfassungs-Einrichtung 15 dargestellt Während das Bauelement 9 gemäß Fig.3 die theoretisch korrekte Sollposition in X- und V-Richtung einnimmt und auch nicht relativ zum Rahmen der Einrichtung 15 verdreht ist, befindet sich das Bauelement gemäß F i g. 4 und 5 in verdrehter bzw. dezentrierter Lage. Die Lageerfassungs-Einrichtung 15 ist im Stande, im Fall der Situation gemäß F i g. 4 den Drehwinkel des Bauelementes 9 zu erkennen, daraus ein Korrektursignal abzuleiten und die Nadel 14 bzw. das Bauteiletragorgan 13 zu einer Drehung zu veranlassen, bis das Bauelement 9 die in Fig.3 gezeigte Lage einnimmt. Andererseits wird durch die Einrichtung 15 eine laterale Verschiebung in horizontaler Richtung, in der Situation gemäß F i g. 5 um den Betrag χ in A"-Richtung und um den Betrag y in V-Richtung, erkannt. Daraus werden ebenfalls Korrektursignale abgeleitet, die entweder die Bewegungsbahn der Anordnung Il in Richtung der Pfeile A und B oder die Verschiebung des Arbeitstisches 2 in X- und Y-Richtung oder aber eine Kombination davon beeinflussen.

Der praktische Ablauf des Verfahrens ist wie folgi: 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 Cabgesenkt, bis deren Spitze auf der Oberfläche

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wird die Vakuumquelle angelegt und die Nadel 14 zurückgezogen, so daß das Bauelement 9c an der Spitze der Nadel 14 haften bleibt. Im Normalfall wird ein so aufgenommenes Bauelement 9c nicht genau zentrisch an der Spitze der Nadel 14 haften, sondern in X- und y-Richtung versetzt sein. Nun bewegt sich die Transportvorrichtung 11 in die in Fig. 1 gestrichelt gezeigte Lage des Arbeitstisches 2 und die Nadel 14 wird soweit abgesenk'. daß sich das Bauelement 9c innerhalb der rahmenförmigen Lageerfassungs-Einrichtung 15 befindet. Dort wird die Exzentrizität der Lage des Bauelementes 9c gegenüber der theoretischen Positionierachse im Zentrum der Nadel 14 erfaßt; ein daraus resultierendes Korrektursignal bewirkt nun entweder eine Lagekorrektur der Transportvorrichtung 11 in Richtung der Pfeile A und/oder B, eine Verschiebung des Arbeitstisches 2 in X- und/oder V-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 Werkstücks abzulegen.

Wie schon zuvor erwähnt, erkennt die Lageerfassungs-Einrichtung 15 eine Verdrehung des Bauelementes 9c gegenüber der theoretischen Sollage. Das daraus gewonnene Korrektursignal kann dazu benützt werden, die Nadel 14 zu verdrehen, bis die erwünschte, parallele Ausrichtung des Bauelementes 9c erreicht ist. Mit Hilfe der heute zur Verfugung stehenden Steuerorgane kann diese Auswertung und Korrektur so schnell erfoigen, daß kein nennenswert langer Aufenthalt 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 Ober einem der Magazine 6 zurückbewegt Nun kann die Nadel 14 erneut abgesenkt werden, um ein weiteres Bauelement 9a—96 aufzunehmen, und der vorstehend geschilderte Vorgang wiederholt sich von Neuem.

Es versteht sich von selbst, daß die beispielsweise beschriebenen Vorrichtungen und Anordnungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zahlreichen Modifikationen unterworfen sein können. Des wei-

teren ist es denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Positionierung von Bauelementen.auf einer Leiterplatte zu verwenden, sondern bei jeglichem anderen A rbeifc» Vorgang, der die.genauePositionierung eines Bauteiles an einervorgegebenen Lage erfordert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Positionierung von Bauteilen auf einem Werkstück, bei welchem ein Bauteil aus einem Magazin bzw. aus einem ausgewählten Magazin einer Magazingruppe entnommen, dessen Lage erfaßt, unter Berücksichtigung der ermittelten Lage mittels eines Bauteile-Transportorganes in den Bereich des Werkstückes transportiert und in einer vorgegebenen Position auf das Werkstück aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück und/oder das Bauteil-Transportorgan während oder nach, bzw. im Fall des Bauteile-Transportorganes nur nach dem Entnehmen des Bauteiles in eine relative Sollposition bewegt wird bzw. werden, in der eine Positionierachse des Bauteil-Transportorganes mit der Sollposition des Bauteiles auf dem Werkstück übereinstimmt, das anschließend während der Verschiebung des Bauteiles zum Werkstück die ist-Lage des Bauteiles gegenüber der Positionierachse gemessen und die Abweichung gegenüber der Soll-Lage bestimmt wird, und daß schließlich die Position des Werkstückes und/ oder der Verschiebeweg des Bauteil-Transportorganes in Abhängigkeit von der gemessenen Abweichung korrigiert wird, bevor das Bauteil auf das Werkstück aufgebracht wird, wobei die Lageerfassung des Bauteiles ohne Ablegen desselben erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daf· die Positionierachse in vertikaler Richtung verläuft und daß eine Lageabweichung des Bauteiles gegenüber dieser Positionierachse in mindestens einer horizontal verlaufenden Richtung gemessen bzw. ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lageabweichung des Bauteiles gegenüber der in vertikaler Richtung verlaufenden Positionierachse in zwei senkrecht zueinander verlaufenden, horizontalen Richtungen gemessen bzw. ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lageabweichung des Bauteiles in bezug auf eine Verdrehung gegenüber der in vertikaler Richtung verlaufenden Positionierachse gemessen bzw. ermittelt wird.