WO2002028590A1 - Vorrichtung zur positionierung eines werkzeuges gegenüber einem werkstück - Google Patents

Vorrichtung zur positionierung eines werkzeuges gegenüber einem werkstück Download PDF

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    • G05B2219/50353—Tool, probe inclination, orientation to surface, posture, attitude

Definitions

  • the invention relates to a device for positioning a tool relative to a workpiece according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a device is for example from the
  • EP 0 859 681 B1 known.
  • drives are provided which enable a relative movement along the three Cartesian spatial axes. This document says nothing about the control of the drives.
  • stepper motors In machine tools, it is common to control the drives for the individual spatial axes via stepper motors, increments of the stepper motors then being counted, which is a measure of the position. For precise processing But then an extremely precise clamping of the workpiece is also required.
  • An important area of application of the invention is the application of pieces of material to a workpiece.
  • Pieces of material in the sense of the present invention can be pieces of any material which are in solid or liquid form. These can be solderable materials, such as gold, copper, tin, glass or plastic, which are in particular in the form of micro-material pieces in the form of solder balls, glass balls or plastic balls. It can also be ceramic pieces and components, such as Miniature circuits, SMD components or the like. In general, any material can be applied with the invention.
  • the object of the invention is therefore to improve the device in such a way that the workload for clamping the workpieces is reduced and nevertheless the required
  • the basic principle of the invention is to control the relative positioning via cameras.
  • the precision the clamping of the workpieces then has no influence on the working accuracy, since the positioning of the tool is controlled by cameras that orient themselves on the workpiece, in particular on its edges.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a device according to the
  • Figure 2 is a schematic diagram according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a third exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a schematic image seen from the camera mounted in the y direction and after the tool is positioned in the x and z directions; and FIG. 5 shows an image of the second camera, on the basis of which the tool is positioned in the Y direction.
  • FIGS. 1-5 relate to the application of solder balls, it should be expressly pointed out that any positioning of a tool relative to a workpiece is possible with the invention and that, for example, the application of pieces of material as defined in the introduction can also be carried out and also the removal of pieces of material, such as Soldering of an object.
  • this is a relative displacement, ie the drives 2, 3 and 4 can also be assigned to a cross table, not shown, on which the workpiece 6 is clamped.
  • the solder is fed to the workpiece and melted there in a known manner by a laser pulse.
  • the workpiece 6 here has two mutually perpendicular surfaces 7 and 8, the workpiece being clamped so that the cutting line of the two surfaces 7 and 8 lies exactly in one axis, here the y-axis.
  • the surfaces 7 and 8 are each at an angle of 45 ° to the x, y plane.
  • Tip 5 of the capillary is positioned at predetermined locations 9 of the workpiece 6 so that a solder ball is applied there and a "bumper" is soldered on.
  • two cameras 10 and 11 are provided, the images of which are evaluated by a control unit 12, from which
  • a camera here the camera 10, is essentially aligned in the y-axis.
  • the relative position between the tip 5 of the capillary 1 and the workpiece 6 with respect to the x, z plane is therefore detected with it.
  • the images from the cameras are processed via edge detection.
  • the camera 10 thus essentially captures an image of the two edges 13 and 14 of the surfaces 7 and 8 facing it and the tip 5 of the capillary 1.
  • the second camera 11 is positioned so that it is oriented perpendicular to a surface 8 of the workpiece. It is used to monitor the relative position between the capillary and the workpiece with respect to the y-axis and to control the drive 3 for this axis.
  • the image evaluation here can evaluate the edge 14 of the surface 8 or also the contour of the point 9 at which the solder is applied shall be .
  • the workpiece 6 is so long in the y direction that it would collide with the camera 10.
  • the camera 10 is therefore oriented at an angle ⁇ with respect to the y axis, the workpiece 6 and not the capillary 1 being moved in the y direction here.
  • the camera 10 detects the edges 13 'and 14' of the surfaces 7 and 8 and the position of the tip 5 with respect to the x, z plane.
  • the camera 11 is again aligned in the same way as in the embodiment of Fig. 1, i.e. perpendicular to the surface 8 of the workpiece 6.
  • a plurality of workpieces 6, 6 'etc. are lined up in succession along the y-axis, the workpieces also being moved at least along the y-axis when the capillary 1 is stationary. Since a camera positioned in the y-axis would also collide with the workpieces here, it is provided that a mirror 15 can be moved between the successive workpieces 6 and 6 ', this mirror here by 45 ° with respect to the x, y plane is tilted. The camera is then aligned parallel to the z-axis and transmits an image to the controller 12 that corresponds to the image that would be taken directly in the y-axis. The mirror 15 can be moved via an arm 16 and a drive 17 at least parallel to the z-axis so that individual workpieces can pass beneath it. As soon as the next workpiece is waiting for processing, the mirror 15 is then moved down again in the z direction.
  • the camera 11 is in turn positioned perpendicular to the plane 8 of the workpiece 6.
  • FIG. 4 schematically shows the image "seen” by the camera 10 with the tool 1, the workpiece 6 in the form of two Conductor plates 7 and 8 and the edges 13 and 14, on which the image evaluation and control are based.
  • So-called pads 16 and 17 can also be applied to the workpiece, which in turn have sharp edges on which the image evaluation can be oriented. These pads are arranged in a predefined position to the solder point.
  • the tool 1 can be positioned in the z and x directions.
  • FIG. 5 shows an image that is seen by the camera 11, which carries out the positioning on the basis of the edges or the pads in the y direction.

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Abstract

Die Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeuges (1) gegenüber einem Werkstück (6) steuert Antriebe (2, 3, 4) in Bezug auf drei Raumachsen (x, y, z) über zwei Kameras (10, 11), von denen die erste (10) ein Bild im wesentlichen längs einer Raumachse (y) aufnimmt und die andere (11) im wesentlichen senkrecht zu einer Fläche (8) des Werkstückes ausgerichtet ist.

Description

Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeuges gegenüber einem Werkstück
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeuges gegenüber einem Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der
EP 0 859 681 Bl bekannt. Zur relativen Positionierung zwischen dem Werkzeug, einer Kapillare und dem Werkstück sind Antriebe vorgesehen, die eine Relativbewegung längs der drei kartesischen Raumachsen ermöglichen. Über die Steuerung der Antriebe sagt diese Schrift nichts aus.
Bei Werkzeugmaschinen ist es üblich, die Antriebe für die einzelnen Raumachsen über Schrittmotoren zu steuern, wobei dann Inkremente der Schrittmotoren gezählt werden, was ein Maß für die Position ist. Für eine genaue Bearbeitung ist dann aber auch eine extrem genaue Aufspannung des Werkstückes erforderlich.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Applika- tion von Materialstücken auf ein Werkstück.
Materialstucke im Sinne der vorliegenden Erfindung können Stücke aus jeglichem Material sein, die in fester oder flüssiger Form vorliegen. Hierbei kann es sich um lötfähige Materialien, wie Gold, Kupfer, Zinn, Glas oder Kunststoff, handeln, die insbesondere als Mikromaterialstücke in Form von Lötkugeln, Glaskugeln oder Kunststoffkugeln vorliegen. Es kann sich auch um Keramikstücke handeln sowie um Bauteile, wie z.B. Miniaturschaltkreise, SMD-Bauteile oder ähnliches. Ganz allgemein kann jegliches Material mit der Erfindung appliziert werden.
Die Applikation von Materialstücken, wie z.B. von Lotkugeln, in Form sog. Bumper erfordert ebenfalls höchste Präzision der Positionierung des Werkzeuges, wie z.B. einer Kapillare, die die Lotkugel zuführt. Das Aufspannen der Werkstücke ist demgemäß sehr aufwendig, da es die Arbeitsgenauigkeit unmittelbar bestimmt. Auch bei sonstigen Arbeitsvorgängen, wie dem Bestücken von Leiterplatten mit Bauelementen, dem Entfernen von Lötstellen auf Platinen usw. , ist oftmals höchste Positioniergenauigkeit des Werkzeuges gefordert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß der Arbeitsaufwand für das Aufspannen der Werkstücke reduziert ist und trotzdem die erforderliche
Positioniergenauigkeit eingehalten wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch ,1 angegebenen
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, die relative Positionierung über Kameras zu steuern. Die Genauigkeit des Spannens der Werkstücke hat dann keinen Einfluß auf die Arbeitsgenauigkeit, da die Positionierung des Werkzeuges über Kameras gesteuert wird, die sich am Werkstück selbst orientieren, insbesondere an dessen Kanten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung nach der
Erfindung nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Prinzipskizze nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine Prinzipskizze eines dritten Ausführungsbei- spiels der Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Bild, das von der Kamera gesehen wird, die in y-Richtung montiert ist und nachdem das Werkzeug in x- und z-Richtung positioniert wird; und Fig. 5 ein Bild der zweiten Kamera, anhand der das Werkzeug in Y-Richtung positioniert wird.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche bzw. funktioneil einander entsprechende Teile.
Obwohl sich die Ausführungsbeispiele der Figuren 1-5 auf die Applikation von Lotkugeln beziehen, sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß jegliche Positionierung eines Werkzeuges gegenüber einem Werkstück mit der Erfindung möglich ist und auch beispielsweise die Applikation von Materialstücken, wie eingangs definiert, durchgeführt werden kann sowie auch das Entfernen von Materialstücken, wie z.B. Lötstellen von einem Gegenstand.
Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine Kapillare 1, durch die eine Lotkugel appliziert werden kann, ist mittels dreier Antriebe 2, 3, 4 relativ zu einem Werkstück 6 längs der drei kartesischen Raumachsen x, y und z verschieblich. Selbstverständlich handelt es sich hierbei um eine Relativverschiebung, d.h. die Antriebe 2, 3 und 4 können auch einem nicht dargestellten Kreuztisch zugeordnet sein, auf welchem das Werkstück 6 aufgespannt ist.
An der Spitze 5 der Kapillare 1 wird das Lotmittel dem Werkstück zugeführt und dort in bekannter Weise durch ein Laser-Impuls aufgeschmolzen. Das Werkstück 6 habe hier zwei senkrecht zueinander stehende Flächen 7 und 8, wobei das Werkstück so aufgespannt ist, daß die Schnittlinie der beiden Flächen 7 und 8 genau in einer Achse, hier der y-Achse, liegt. Damit stehen die Flächen 7 und 8 jeweils unter einem Winkel von 45° zur x,y-Ebene.
Die Antriebe 2, 3 und 4 sind nun so zu steuern, daß die
Spitze 5 der Kapillare an vorbestimmten Stellen 9 des Werkstückes 6 positioniert wird, damit dort eine Lötkugel appli- ziert und ein "Bumper" aufgelötet wird. Für diese Steuerung der Antriebe sind zwei Kameras 10 und 11 vorgesehen, deren Bilder von einer Steuereinheit 12 ausgewertet werden, woraus
Steuerbefehle für die Antriebe 2, 3 und 4 ausgegeben werden.
Eine Kamera, hier die Kamera 10, ist im wesentlichen in der y-Achse ausgerichtet. Mit ihr wird daher die relative Lage zwischen der Spitze 5 der Kapillare 1 und dem Werkstück 6 bezüglich der x,z-Ebene erfaßt. Die Verarbeitung der Bilder der Kameras erfolgt über eine Kantenerkennung. Die Kamera 10 erfaßt somit im wesentlichen ein Bild der beiden ihr zugewandten Kanten 13 und 14 der Flächen 7 bzw. 8 sowie die Spitze 5 der Kapillare 1.
Die zweite Kamera 11 ist so positioniert, daß sie senkrecht zu einer Fläche 8 des Werkstückes ausgerichtet ist. Mit ihr wird also die relative Lage zwischen Kapillare und Werkstück in Bezug auf die y-Achse überwacht und der Antrieb 3 für diese Achse gesteuert. Die Bildauswertung kann hier die Kante 14 der Fläche 8 auswerten oder auch die Kontur der Stelle 9, an denen das Lotmittel aufgebracht werden soll .
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das Werkstück 6 in y-Richtung so lang, daß es mit der Kamera 10 kollidieren würde. Die Kamera 10 ist daher unter einem Winkel α gegenüber der y-Achse ausgerichtet, wobei hier das Werkstück 6 und nicht die Kapillare 1 in y-Richtung bewegt wird. Die Kamera 10 erfaßt dabei die Kanten 13' und 14' der Flächen 7 und 8 sowie die Position der Spitze 5 in Bezug auf die x,z-Ebene.
Die Kamera 11 ist wieder in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ausgerichtet, d.h. senkrecht zur Fläche 8 des Werkstückes 6.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind mehrere Werkstük- ke 6, 6' etc. längs der y-Achse hintereinander aufgereiht, wobei hier ebenfalls bei stillstehender Kapillare 1 die Werkstücke zumindest längs der y-Achse bewegt werden. Da auch hier eine in der y-Achse positionierte Kamera mit den Werkstücken kollidieren würde, ist vorgesehen, daß ein Spiegel 15 zwischen die aufeinanderfolgenden Werkstücke 6 und 6' gefahren werden kann, wobei dieser Spiegel hier gegenüber der x,y-Ebene um 45° gekippt ist. Die Kamera ist dann parallel zur z-Achse ausgerichtet und überträgt ein Bild an die Steuerung 12, das dem Bild entspricht, das unmittelbar in der y-Achse aufgenommen würde. Der Spiegel 15 kann über einen Arm 16 und einen Antrieb 17 zumindest parallel zur z-Achse bewegt werden, damit einzelne Werkstücke unter ihm passieren können. Sobald das nächste Werkstück zur Bearbeitung ansteht, wird der Spiegel 15 dann wieder in z-Richtung nach unten verfahren.
Die Kamera 11 ist wiederum senkrecht zur Ebene 8 des Werk- Stückes 6 positioniert.
Fig. 4 zeigt schematisch das von der Kamera 10 "gesehene" Bild mit dem Werkzeug 1, dem Werkstück 6 in Form von zwei Leiterbahnplatten 7 und 8 sowie den Kanten 13 und 14, an denen sich die Bildauswertung und die Steuerung orientieren. Es können auch auf dem Werkstück sog. Pads 16 und 17 aufgebracht sein, die ihrerseits scharfe Kanten haben, an denen sich die Bildauswertung orientieren kann. Diese Pads sind in vordefinierter Lage zu der Lotstelle angeordnet. Mit dem in Fig. 4 dargestellten Bild läßt sich das Werkzeug 1 in z- und x-Richtung positionieren.
Fig. 5 zeigt ein Bild, daß von der Kamera 11 gesehen wird, die die Positionierung anhand der Kanten oder der Pads in y-Richtung vornimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Positionierung eines Werkzeuges (1) gegenüber einem Werkstück (6), mit einem Antrieb (2, 3, 4), der eine Positionierung des Werkzeuges (1) relativ zu dem Werkstück (6) in mindestens drei Raumachsen (x, y, z) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß zur relativen Positionierung zwischen dem Werkzeug (1) und Werkstück (6) zwei Kameras (10, 11) vorgesehen sind, von denen die erste (10) ein Bild im wesentlichen längs einer Raumachse (y) aufnimmt und die zweite (11) senkrecht zu einer Fläche (8) des
Werkstückes (6) ausgerichtet ist, und daß die Bilder beider Kameras (10, 11) einer Steuereinheit (12) , die die Antriebe (2, 3, 4) steuert, zugeführt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kamera (10) unter einem spitzen Winkel (α) gegenüber der Raumachse (y) geneigt ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kamera (10) senkrecht zu der Raumachse (y) ausgerichtet ist und über einen Spiegel (15) , der gegenüber einer Ebene (x,y) unter einem Winkel von 45° geneigt ist, ein Bild des Werkstückes (6) im wesentlichen längs der Raumachse (y) aufnimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (15) längs der Achse (z) , in der die erste Kamera (10) ausgerichtet ist, verschieblich angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , S daß die Steuereinheit (12) die von den Kameras (10, 11) aufgenommenen Bilder nur hinsichtlich der Kanten auswertet.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Werkzeug eine Kapillare (1) ist, die Materialstücke dem Werkstück (6) zuführt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstücke schmelzbares Material, wie Lötmaterial, insbesondere Gold, Kupfer, Zinn, Glas oder Kunststoff, sind, die in fester oder flüssiger Form vorliegen, oder Keramikstücke.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des schmelzbaren Materials durch eine Lasereinrichtung (12) erfolgt.
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