CN101138285B - 用于基板装配的模块化设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于为基板(155)装配物体(150)、特别用于为组件载体装配电子组件的模块化设备。装配设备(100)包括一底架(110)、一安装在底架(110)上的固定式第一直线引导装置(111)、一安装在固定式直线引导装置(111)上的可移动引导滑座(120)、一固定在引导滑座(120)上的定位臂(130)、一安装在定位臂(130)上的第二直线引导装置(131)与一安装在第二直线引导装置(131)上的可移动装配头(140)。根据本发明，定位臂(130)与装配头(140)一起建构为自主功能单元，可在底架(110)的外部对其进行校准。所述自主功能单元构成一自动装配装置，其可通过一明确的接点(S、S′)以可拆卸的方式与装配设备(100)的一基本模块耦合在一起。除装配设备(100)的其他部件外，所述基本模块至少包括底架(110)和固定式直线引导装置(111)。由于可进行外部校准，因而可快速更换自动装配装置，其中，只需短时中断装配工作。借此可为不同的装配用途提供不同的自动装配装置。

Description

用于基板装配的模块化设备

技术领域

本发明涉及一种用于为基板装配物体、特别用于为组件载体装配电子组件的设备。所述装配设备具有一模块化结构，因而可在需要时简单快速地更换装配设备的各个部件。

背景技术

DE 3630178A1中公开了一种具有一中央传送站的模块化装配设备，所述中央传送站具有一用于直线传送待装配工件载体或基板的传送装置。传送站上可耦合工作站和给料站，其均可通过明确的电气、气动和机械接点固定在一相对于传送站精确界定的位置上。工作站具有一用于拣取、传送电子组件以及将其放置在一基板上的装配头。可借助一定位系统沿两个移动方向对装配头进行定位。同样可固定在一相对于传送站精确界定的位置上的给料站具有多个给料装置，其可将单个组件循序输送至精确界定的组件拣取位置。但由于对装配精度的要求随着电子组件的日趋小型化而有了大幅提高，上述装配设备经过改装后需要对整个设备进行重新校准，从而致使装配工作不可避免地中断一段时间。

EP 1174014B1中公开了一种具有一自有数据存储器的装配头，所述数据存储器内可存储装配头的精确几何数据。将装配头装入一装配设备时，这些数据被读取出来并传输给装配头的一控制单元。在随后的装配过程中需要将有可能存在的与当前所用装配头的标称几何结构之间的几何偏差考虑在内，并进行相应校正。对可自行校准的装配头采取模块化实施方式的缺点在于，用一其他类型的装配头更换原用装配头时，必须对一支承装配头的定位系统进行改装或至少对其进行重新校准。因此，研制可快速更换的装配头时，必须在定位系统和装配头之间使用一准标准化机械接点。其结果是无法使各个装配头与用户所提出的用一模块化装配设备制备各种电子组件的要求达到最佳匹配。

EP 1284096B1中公开了一种模块化装配设备，所述装配设备的一建构为底架的无源支承体上安装有一支架。所述支架上固定有一定位系统的固定式部件，其用于使一装配头进行二维移动。所述支架与整个定位系统和装配头一起构成一自主功能单元，可通过附属控制单元进行独立测试和校准。因此，必要时可在到达装配设备的使用场所后再将整个功能单元装入底架。这种模块化装配设备的不足之处在于，上述可自行校准的自主功能单元并非为装配设备的紧凑型可更换部件。更确切地说，这种功能单元在整个装配设备中构成了一个庞大而不易操作的部分。因此，自主功能单元的更换非常复杂，只有受过培训的人员在使用特殊工具的情况下才能进行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于为基板装配物体的模块化设备，借助这一模块化设备可以简单而快速地对装配设备的自主功能单元进行更换。

这个目的通过一种用于为基板装配物体的设备而达成，所述设备特别用于为组件载体装配电子组件。本发明的模块化装配设备具有一底架、一安装在底架上的固定式第一直线引导装置、一安装在固定式直线引导装置上的可移动引导滑座、一固定在引导滑座上的定位臂、一安装在定位臂上的第二直线引导装置与一安装在第二直线引导装置上的可移动装配头。装配头用于临时拣取、传送物体以及将物体放置在一基板上的预定安装位置上。根据本发明，固定式第一直线引导装置附属于可被称为装配设备基本模块的底架。定位臂与装配头一起建构为自主功能单元，所述自主功能单元通过一连接以可拆卸的方式与装配设备的一基本模块耦合在一起，并可在底架外部对所述自主功能单元进行校准，因而可将其视为装配设备的一独立模块。

本发明的出发点是将自动装配装置建构为可独立校准、可快速更换的模块，其包括装配头和用于装配头的平面定位系统的重要部件。借此可对分别针对一定装配用途而进行优化的不同装配头连同与各装配头相匹配的定位装置一起快速更换，特别是在待装配组件发生变动的情况下。在此情况下可在更换部件前就在底架外部对功能单元进行为实现精确装配所需的校准，从而大幅缩短改装装配设备所需要的时间。此外还可通过这种方式使用针对特定装配用途而进行优化的功能单元，从而显著提高装配设备效率。

通过一位于定位装置的固定式直线引导装置和定位装置的活动定位臂之间的标准化接点可达到以简单方式更换自主功能单元的目的。

两个直线引导装置一般情况下为彼此垂直，其中，固定式直线引导装置例如沿一y方向延伸，安装在定位臂上的第二直线引导装置则沿一垂直于y方向的x方向延伸。

对自主功能单元进行校准时，优选借助一至少部分模拟一自动装配机的辅助装置。借助所述辅助装置可对自主功能单元进行完整的测试，因而即使在快速更换自主功能单元的情况下也能确保较高的过程稳定性。

本发明通过这种方法建构针对不同用户要求而进行优化的不同自动装配装置，其可用在一包括底架在内的机器基本模块上。借此可向用户提供一针对其具体要求而进行优化的装配设备，除机器基本模块外，所述装配设备仅包含满足具体用户要求所需的自动装配装置。

优选地，装配头具有至少一个升降驱动装置，其用于沿一与两个直线引导装置均成角度的移动方向提升和降低被拣取物体。借此，根据设置在装配头上的组件抓持装置的数量和所用升降驱动装置的数量，可使各抓持装置优选沿一垂直于两个直线引导装置的z轴方向进行共同或单独移动。

优选地，装配头具有至少一个旋转驱动装置，其用于改变被拣取物体的角位置。由于在从一取件位置上拣取物体时，被拣取物体的角位置通常彼此略微不同，因此，通过针对性地改变被拣取组件的角位置可实现组件的精确装配。

优选地，设置有一附属于自主功能单元的电子模块。所述电子模块可具有单个或多个功能，所述功能例如为控制引导滑座和装配头或为附属于引导滑座和/或装配头的驱动电动机供电。各功能当然也可包含在单个模块中。

目前可以小型化结构制备实现所述电子模块所需的部件，这些部件也包括为驱动电动机供电所需的电源。借此可使电子模块附属于自主功能单元，但又不会由于电子模块较大的惯性质量而减慢自动装配装置的速度。

优选地，设置有一附属于自主功能单元的摄像机，其优选用于对装配头所拣取的组件进行位置校准和类型检测。这一做法的优点在于不仅可在底架外部对自主功能单元的机械结构进行校准，而且还可在真正意义上的自动装配机的外部对一图像识别系统进行外部校准。通过这种方式可大幅缩短为更换整个自动装配装置而停下装配设备所延误的生产时间。

优选地，自主功能单元包括一连接在摄像机后面的图像分析单元。借此也可以有利方式针对一图像识别或图像处理系统对自动装配装置进行外部校准。在此情况下，即使在对一除机械部件外还包括整个图像处理和图像分析系统的自动装配装置进行更换时，也能确保较高的过程稳定性。图像分析系统可整合在电子模块中，也可以单独的图像分析模块的形式例如安装在引导滑座或定位臂上。

优选地，此外还有一用于组件识别的照明单元附属于自主功能单元。借此可在底架外部对所有用于图像识别和图像处理系统的电子和光学部件进行校准，从而在极大缩短更换自动装配装置时所产生的非生产时间的同时，确保更换自动装配装置后较高的过程稳定性。

优选地，固定式第一直线引导装置与引导滑座之间设置有一可拆卸连接，借助于所述连接可将引导滑座精确耦合在固定式第一直线引导装置上。在此情况下，只需使引导滑座与固定式第一直线引导装置分离就可对建构为自动装配装置的自主功能单元进行更换。也就是说，装配设备的基本模块和自主功能单元之间的接点位于固定式第一直线引导装置与引导滑座之间。

优选地，引导滑座与定位臂之间设置有一可拆卸连接。该可拆卸连接可将定位臂精确耦合在引导滑座上，并可通过将引导滑座和定位臂这两个部件啮合而简单地被实现。所述啮合可通过定心元件、带槽元件和弹性元件或通过其他类型的紧固件而实现。

也就是说，装配设备的包括底架在内的基本模块与建构为自动装配装置的自主功能单元之间的接点位于引导滑座与定位臂之间。引导滑座与定位臂之间的这种可快速拆卸、但又很精确的连接例如通过一平板形安装元件而实现，所述安装元件与定位臂固定在一起，可在一精确界定的空间位置上耦合到引导滑座上。

需要指出的是，在本发明的这个改进方案中，引导滑座并不附属于自主功能单元。在此情况下，合适的做法是同样也不要将用于控制和驱动引导滑座的控制和电源电子装置分配给自主功能单元，而是将所需电子部件安装在装配设备的固定式底架上。

附图说明

下面借助附图所示的就目前而言为优选的实施方式对本发明的优点和特征作出进一步说明，其中：

图1a为一根据本发明的一实施例建构的模块化装配设备的一俯视图；以及

图1b为图1所示的模块化装配设备的一横截面图。

参考符号表

100装配设备

110底架

111固定式直线引导装置

120引导滑座

121支承结构

122安装板

130定位臂

131直线引导装置

140装配头

141抓持装置

142升降驱动装置

143旋转驱动装置

145印制电路板摄像机

146照明单元

150组件

152组件摄像机

155印制电路板

160电子模块

161第一控制单元

162第二控制单元

163第一供电模块

164第二供电模块

165必要时带有摄像机和照明单元所需电子部件的图像分析单元

S接点

S′可选接点

具体实施方式

图1a和1b所示的模块化装配设备100包括一上面安装有一固定式直线引导装置111的底架110。一引导滑座通过一用滑轮表示的支承结构121固定在沿一y方向延伸的固定式直线引导装置111上，所述引导滑座可沿固定式直线引导装置111纵向延伸的方向移动。为清楚起见，附图未对引导滑座120进行针对性移动时所需要的驱动装置进行图示。

一定位臂130借助一安装板122固定在引导滑座120上，所述定位臂上建构有一其他直线引导装置131。定位臂130和直线引导装置131沿一x方向延伸。直线引导装置131上安装有一可移动的装配头140，其中，同样为清楚起见，附图未对装配头140实现移动所需的驱动电动机进行图示。

如图1b所示，装配头140包括一优选为吸管的抓持装置141。吸管将一真空发生单元(同样未显示)产生的负压传递到一组件150上，从而通过抓持装置141的吸力将组件150抓住。为能将组件150放置到一印制电路板155上的预定安装位置上，设置有一升降驱动装置142，其可使抓持装置141沿一z方向进行移动。此外，为能改变被拣取组件150的角位置，抓持装置141还与一可使抓持装置141进行旋转的机械旋转驱动装置143相耦合。

借助图1b所示的一组件摄像机152对抓持装置141所拣取的组件150的类型进行检验，并对组件150进行位置校准。组件摄像机152布置在一相对于底架110的固定空间位置上。组件摄像机152优选位于一未显示的组件供给装置(从此处拣取组件150)与一装配区(印制电路板155为装配目的而在此定位)之间。

需要指出的是，组件摄像机也可安装在装配头140上，其中，如果相关装配头为一具有多个采取平行布置方式的抓持装置的矩阵装配头，就可例如通过相应的镜面系统优选从底面对被拣取组件进行检测。如果所用装配头为一具有多个采取星形布置方式且可绕一旋转轴旋转的抓持装置的转轮式装配头，就可以一方式布置组件摄像机，使其可对一被抓持装置拣取且正好位于组件摄像机检测区内的组件进行检测。通过采取星形布置方式的抓持装置的循序定时旋转，可依序对装配头所拣取的全部组件进行测量。

如图1a所示，装配头140上设置有一所谓的视觉系统，其包括一印制电路板摄像机145和两个照明单元146。借助所述视觉系统可识别出建构在印制电路板155上的定位标记，从而可对印制电路板155在装配区内的定位轴进行精确校准。这种定位通过一同样未显示的印制电路板传送系统而实现。

此外，定位臂130上还安装有一电子模块160，其具有一用于控制引导滑座120的第一控制单元161、一用于控制装配头140的第二控制单元162、一第一供电模块163与一第二供电模块164，第一电子功率模块163用于一附属于引导滑座120、但未图示的第一驱动电动机，第二电子功率模块164用于一附属于装配头140、但同样未图示的第二驱动电动机。除此之外，电子模块160还包括一图像分析单元165，所述图像分析单元包含摄像机145和照明单元146所需的全部电子部件。图像分析单元165、两个控制单元161和162以及两个供电单元163和164可实施为小型电子电路形式，借此可减小电子模块160的惯性质量，从而对装配头140的灵活性(即装配头140的快速移动能力)造成的限制可忽略不计。

根据本发明，装配设备100的某些部件附属于一所谓的基本模块，所述基本模块除未图示的其他部件(例如印制电路板传送装置)外还包括底架110和固定式直线引导装置111。装配设备100的其他部件附属于一自主功能单元，所述自主功能单元至少包括装配头140和能使装配头140移动的定位系统的活动部件。据此可将所述自主功能单元视为包括定位臂130、直线引导装置131和装配头140(包括抓持装置141、升降驱动装置142、旋转驱动装置143和印制电路板摄像机145及其附属照明单元146)在内的独立自动装配装置。由于通常情况下不同用户需用装配设备100制备不同的电子组件，因此，上述自动装配装置可与用户所提出的要求达到最佳匹配。

由于所述装配设备具有一模块化结构，因而在其用途较特殊的情况(例如待装配组件涉及的是特别高的或尺寸极小的组件)下，可根据具体的装配计划为定位装置选择最佳的几何布置方式。举例而言，可选择有助于实现快速装配的最佳传送高度，选择这一传送高度时，装配头以平行于待装配基板的方向进行移动。

如图1a和1b所示，可选择不同的接点S和S′来将装配设备100的基本模块和建构为自主功能单元的自动装配装置耦合在一起，通过这些接点同时也能确保可快速地将这二者分开。

因此，可在固定式直线引导装置111与引导滑座120之间选择一接点S，从而使定位装置的全部活动部件均附属于建构为自主功能单元的自动装配装置。这种做法的优点在于，仅需借助简单的操作工具即可更换整个自动装配装置，这是因为无论是定位装置的活动机械部件，还是定位装置所需的驱动电动机以及驱动电动机所需的电子驱动装置，其均附属于自动装配装置。

装配设备100的基本模块和建构为自主功能单元的自动装配装置之间的接点也可位于引导滑座120与安装板122之间(接点S′)，从而使定位系统的一个活动部件(即引导滑座120)也成为装配设备100的附属部分。使用接点S′的优点在于耦合在引导滑座120上的安装板122可轻松地拆卸下来。为能达到将安装板122精确固定在引导滑座120上的目的，设置有未图示的紧固件和定心元件。借此可以特别简单的方式对在此情况下仅包括装配头140与一沿x轴延伸的直线定位装置的自动装配装置进行更换。也就是说，在此过程中无需拆卸支承结构121。

本发明可概括为：本发明提供一种用于为基板155装配物体150、特别用于为组件载体装配电子组件的模块化设备。装配设备100包括一底架110、一安装在底架110上的固定式第一直线引导装置111、一安装在固定式直线引导装置111上的可移动引导滑座120、一固定在引导滑座120上且上面安装有一第二直线引导装置131的定位臂130与一安装在第二直线引导装置131上的可移动装配头140。根据本发明，定位臂130与装配头140一起建构为自主功能单元，可在底架110的外部对其进行校准。所述自主功能单元构成一自动装配装置，其可通过一明确的接点S、S′以可拆卸的方式与装配设备100的一基本模块耦合在一起。除装配设备100的其他部件外，所述基本模块至少包括底架110和固定式直线引导装置111。由于可进行外部校准，因而可快速更换自动装配装置，其中，只需短时中断装配工作。借此可为不同的装配用途提供不同的自动装配装置。

Claims (10)

1.一种用于为基板(155)装配物体(150)的设备，所述设备具有

一底架(110)，

一安装在所述底架(110)上的固定式第一直线引导装置(111)，

一安装在所述固定式直线引导装置(111)上的可移动引导滑座(120)，

一固定在引导滑座(120)上的定位臂(130)，所述定位臂上安装有一第二直线引导装置(131)，以及

一安装在所述第二直线引导装置(131)上的可移动装配头(140)，所述装配头用于临时拣取、传送物体(150)以及将所述物体(150)放置在一基板(155)上的预定安装位置上，

其中，所述定位臂(130)与所述装配头(140)一起建构为自主功能单元，所述自主功能单元通过一连接(S、S′)以可拆卸的方式与装配设备(100)的一基本模块耦合在一起，并可在所述底架(110)的外部对所述自主功能单元进行校准。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述装配头(140)具有一升降驱动装置(142)，所述升降驱动装置用于沿一与两个所述直线引导装置(111，131)均成角度的移动方向提升和降低被拣取物体(150)。

3.根据权利要求1至2中任一项权利要求所述的设备，其中，所述装配头(140)具有一旋转驱动装置(143)，所述旋转驱动装置用于改变被拣取物体(150)的角位置。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，设置有一附属于所述自主功能单元的电子模块(160)，所述电子模块具有

一用于控制所述引导滑座(120)的第一控制单元(161)，

一用于控制所述装配头(140)的第二控制单元(162)，

一第一供电单元(163)，其用于一附属于所述引导滑座(120)的第一驱动电动机，和/或

一第二供电单元(164)，其用于一附属于所述装配头(140)的第二驱动电动机。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，设置有一附属于所述自主功能单元的摄像机(145)。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，设置有一附属于所述自主功能单元且连接在所述摄像机(145)后面的图像分析单元(165)。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，设置有一附属于所述自主功能单元的照明单元(146)。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，一可拆卸的所述连接(S)设置在所述固定式第一直线引导装置(111)与所述引导滑座(120)之间，借助于所述连接可将所述引导滑座(120)精确耦合在所述固定式第一直线引导装置上(111)。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，一可拆卸的所述连接(S′)设置在所述引导滑座(120)与所述定位臂(130)之间，借助于所述连接可将所述定位臂(130)精确耦合在所述引导滑座(120)上。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述的设备是用于为组件载体装配电子组件的设备。

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