专利名称：用于接收、输送和安放结构元件的装配头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装配头，其用于接收一个结构元件输送装置中的结构元件，将所接收的结构元件输送到一个装配工位并将结构元件安放在一个结构元件载体上。
一般说，对结构元件载体的装备是在所谓的自动装配机器上实现的。其中，结构元件被一个装配头从一个结构元件输送装置中接收，输送到这要被装备的结构元件载体上并在一个预先确定的装配工位上安放在结构元件载体上。为了实现一个高的装配效率，应用了装配头，它们具有多个支持装置，以便在提取过程中可以依次地将多个结构元件接收并可以将这些所接收的结构元件依次地安放到相应的预先规定的装配工位上。
作为装配头其中已公知了所谓的矩阵装配头，其中沿着一个Z-方向上被定位的支持装置是相互平行地安置的，并且每个支持装置是可以与另外的支持装置无关地相对该装配头沿着该Z-方向移动的。每个支持装置之这种各自的可移动性可以如此实现，即，对于每个支持装置设置一个自己的Z-驱动装置。
在一个矩阵装配头中，这些单个的支持装置诚然也可以借助一个共同的Z-驱动装置来驱动。这一点按照现有技术则如此实现，即这些单个的支持装置可以分别单独地连接到该Z-驱动装置上。
图1以示意图示出了一个上述类型的将支持装置101在一个同步元件106上的连接方案，该同步元件106可借助一个未示出的Z-驱动装置沿着Z-方向移动。这个将支持装置101在具有一种铁磁材料的同步元件106上的连接通过电磁体105a、105b实现。该支持装置101具有一个连接杆102、一个转动装置103以及一个吸移管握持结构104。该连接杆102应用于固定该电磁铁105a或105b。设置转动装置103则为了，使由支持装置101接收的结构元件可以围绕该支持装置的纵轴线转动，所述结构元件借助一个未示出的在该吸移管握持结构104上设置的吸移管所支持。一个未示出的弹簧结构致力于，使在一个原始位置上的支持装置101被挤压到一个上边的位置上，如在图1之左边部分中所示。
当该同步元件106同样处在一个上边的原始位置上(见图1左边)时，则该电磁铁105a或105b通过一个按目标要求的激活亦即通过一个相应的电流通过就可连接到同步元件106上。在该同步元件106之在图1的右侧所示的沿着Z-方向向下运动的情况下，这个其上被固定了已激活之电磁铁105b的支持装置101则因此也被向下地移动。这个使在同步元件106上连接的支持装置101的移动在图1的右侧通过箭头108示出。另外的支持装置由于其所属的电磁铁105a未被激活，则在同步元件106向下运动时停留在其原始位置上。以此方式可以使多个支持装置在一个按目标要求激活单个的与支持装置对应配置的电磁铁情况下借助一个共同的Z-驱动装置沿着Z-轴线移动。
但是对于多个支持装置而应用一个共同的Z-驱动装置具有缺点是，这个铁磁的同步元件特别是当多个电磁铁可以连接到这个同步元件上时要具有一个大的表面并因此在一个确定的最小厚度情况下也具有一个大(高)的质量。这样在同步元件运动时，特别是它在实现一个高的装备效率以大的加速力驱动时会导致该装配头强烈的振动。
本发明的目的是，提供一种用于接收、输送并安放结构元件的装配头，其中由于应用一个中央Z-驱动装置所产生的并传递到装配头上的振动得以减小。
这一任务通过一种具有独立权利要求1所述特征的用于接收、输送并安放结构元件的装配头所解决。
作为本发明基础的原理构思是，通过在装配头基体和具有一个定子及一个动子的直线电机之间至少部分地机械断联，可以使传递到装配头的定位装置上的机械振动明显地减小。按照本发明，所述定子借助一个弹簧结构被弹性地支承在基体上。直线电机被如此设计，使得动子可以相对定子沿着Z-轴线运动。另外本发明装配头具有至少一个支持装置，它例如包括一个所谓的抽吸移管，其借助一个在该抽吸移管上施加的负压可以接收(吸住)一个结构元件。该支持装置是相对基体沿着Z-轴线可移动地支承的并且可以被连接在直线电机的动子上，以便在动子沿着Z-轴线运动时该支持装置也沿着Z-轴线运动。
按照本发明，用于动子的加速所必需的作用力之反力被传入到定子中并且从这个定子没有被传递到定位装置上，因为该反力通过定子的偏移运动被吸收了。因为一般情况下定子的质量明显地大于动子的质量，直线电机的这两个构件的加速度变化特性是相互明显不同的。其中，所产生的加速度的比例是与两个构件的质量成反比的。两个构件移动的行程则成正比于构件相应的加速度。因此例如在定子质量为1500g和动子质量为300g情况下则在直线电机两个构件中产生一个5倍不同的加速度以及一个5倍不同的移动行程。在上述例子中，当动子沿着Z-轴线向下移动10mm时则产生定子沿着Z-轴线向上2mm的移动。
定子在装配头基体上的这种弹性支承具有的优点是，通过动子的运动只有微小的力被传递到装配头的基体上。因此在定位装置中被引发的振动幅度明显地减小了，从而该装配头相对要被装备的结构元件载体可以被很精确地定位。本发明装配头的另外的优点在于，那种在公知装配头中对定位装置很高的刚性要求也可以减小了并且因此可以应用具有较微小质量的定位装置，从而装配速度也可以提高同时装配精度不会变坏。
按照权利要求2，动子被支承在基体上。这个最好借助一个被固定在基体上的直线导引结构实现。
按照权利要求3，支持装置可以机械方式和/或磁性地连接在一个同步元件上。一个机械的连接例如可以通过将支持装置配合到同步元件的一个具有收缩结构的空槽中来实现。该磁性的连接优选借助一个电磁铁实现，电磁铁被安置在同步元件上和/或支持装置上。
按照权利要求4，借助一个气动式弹簧结构使定子在基体上的弹性支承具有优点是，在基础元件和直线电机之间实现一个特别好的机械振动的隔离。
在按照权利要求5的装配头中，定子和动子重心的运动矢量位于一条共同的轴线上。以此方式即便在动子以大的加速度运动时也不产生合成的扭矩，因此没有或只有很微小的扭矩被传入到定位装置中。以此方式就可以进一步提高可实现的装配精度。
按照权利要求6的装配头具有多个支持装置，它们可相互无关地连接在动子上并且它们被沿着一行安置或被安置在一个两维格阵的阵点上。其中，支持装置是相互平行地定向定位的并且垂直于Z-轴线被相互间隔安置。
按照权利要求7，另外设置一个用于检测动子相对基体移动的行程传感器。其中作为行程传感器一个所谓的增量式传感器是特别适宜的。动子相对基体的移动行程的这个测量具有优点是，一个在动子上连接的支持装置的对于装配过程所相关的移动距离也被获知。
另外，按照权利要求8的实施方案包括一个第二行程传感器用于检测该定子相对基体的移动。作为优选，该第二行程传感器是一个增量式传感器。
按照权利要求9之优选的实施方案，该装配头另外具有一个伺服驱动装置和一个控制装置，其与第一行程传感器、第二行程传感器和伺服驱动装置相连接。借助控制装置，位于基体和定子之间的伺服驱动装置可以被如此致动，使得在定子由于动子的运动引起的移动之后定子保持在它的位置上。该直线电机的重心的位置以此方式维持不变，因此直线电机至少近似显示了一个符合如此直线电机之运动特性的运动特性，该直线电机不承受重力并因此没有或只有很微小的振动传递到定位装置上。
另外该伺服驱动装置可以吸收这种力变化，这种力变化一般是小的并且不会减低装配精度，还可能进一步被传送到定位装置上。这种力变化则例如由于虎克定律在基体和定子之间存在的弹簧结构的弹缩或弹伸变形时发生。此外，小的力变化也会因为这个而产生，即在接收或安放结构元件时，支持装置以一个确定的力挤压到这个处在结构元件输送装置中或结构元件载体上的结构元件。
通过测量定子相对基体的移动就可以获得定子的实际位置并因此通过对伺服驱动装置之适宜的致动可以抵制定子一个缓慢的到它原始位置的返回漂移。依此，动子和定子的移动行程对于较长的时间来说也成反比于直线电机这两个构件的质量。
还要指出，该控制装置根据第二行程传感器的反馈借助伺服驱动装置实施一个对定子位置的调节，以便确保，直线电机的重心的位置尽管前面所述的力变化仍维持不变。
按照权利要求10的实施方案，伺服驱动装置被集成在弹簧结构中。其中在应用一个气动式弹簧结构情况下，这在基础构件和定子之间存在的空气量如此调节，使上面所述的力变化通过该气动式弹簧结构的与空气量相关的弹性力得以补偿并且不会导致在基础构件和定子之间的距离改变。
本发明另外的优点和特征可示范性的由下面这些优选实施例来进行说明。
在附图中示意地示出图1是按照现有技术有选择地将一个支持装置耦连至一个共同的同步元件的运动中，
图2是按照本发明一个实施例之装配头机械系统的一个方框图，图3是按照本发明一个实施例的装配头之结构视图和图4是按照本发明一个实施例用于调节该伺服驱动装置的控制装置之一个方框图。
在此应该看出，相互对应的构件之附图标记仅仅区别在其第一位数字上。
如由图2所示的方框图看出的，一个直线电机的定子220通过一个弹簧结构215与该装配头的一个基体210机械式连接。该直线电机除了定子220外还包括一个动子230。在定子220和动子230之间的这个机械连接是通过一个直线驱动装置240示意地表明的。
下面解释一下在直线电机运动时产生的力和反力使动子230向下方运动的情况。在这种情况下，该直线驱动装置240引起一个力241，其作用在动子230上并将动子往下牵拉。其中根据牛顿定律之作用力与反作用力大小相等的原理产生一个反作用力242，其作用在定子220上并将其往上方牵拉。随后由于这两个力241和242的力作用效果，该动子230就沿着移动方向231向下运动而该定子220则沿着移动方向221向上运动。
因为动子230的质量一般是小于定子220的质量的，因此所导致的移动行程也是不同长度的。这个移动行程的不同长度是通过移动箭头231及221的长度来表示的。
为了确保，在直线电机运动以后该定子220精确地保持在这个位置上，其中它由于动子惯性运动而移动，则在基体210和定子220之间亦即平行于该弹簧结构215地附加设置一个伺服驱动装置250。该伺服驱动装置250的任务是，在定子220由于动子230的惯性运动所引起的偏离运动以后，该定子保留在它的位置上。
只要该弹簧结构215的弹性常数以及在定子220初始位置上该弹簧结构215的预应力刚好被如此选定，使得该弹簧结构215的弹簧力刚好补偿了整个直线电机重力的话，则该动子230和定子220在理想情况下的运动特性就符合于一个在无重力影响的空间中自由飘浮的直线电机。换句话说这就意味着，该直线电机重心的位置保持不变。
为了使这点高精度地实现，伺服驱动装置250必须吸收一系列较小的在该装配头实际运行中出现的作用力。下面借助并非最终的列举将几个这样的作用力解释如下(1)在定子220从它原始位置出来的一个移动之后，该弹簧结构215具有的趋势是，将定子220带回到它的原始位置上。为了防止这一点，该伺服驱动装置250则吸收这个由于定子220从它原始位置的偏移而产生的作用力。在定子220的一个向上移动之后，该伺服驱动装置250就必须由此在定子220上施加一个向上的力251并在基体210上施加一个向下的反作用力252。在机械的弹簧结构215中，这个作用力则相当于通过弹簧偏移产生的力变化，这个力变化通过所谓的虎克定律描述。在一个气动的弹簧结构情况下，则产生类似的作用力，其同样可以通过一个伺服驱动装置或也可以通过该气动式弹簧结构的一个气动再调节被补偿。这种再调节当然对于很短的时间是难以实现的，因此该伺服驱动装置250特别在一个气动式调节的气动弹簧结构215情况下吸收这个相应短时的力变化。
(2)在接收结构元件时该支持装置被安放在要被接收的结构元件上。依此在短时间里产生一个安放力，它同样被伺服驱动装置250所补偿。
(3)在将结构元件安放在一个结构元件载体上时以类似方式产生一个安放力，它同样由伺服驱动装置250所吸收。
(4)另外该伺服驱动装置250必须接受每个在动子230上连接的支持装置的作用力，这个力由支持装置的重力和支持装置的弹簧力所构成，该支持装置借助所述弹簧力被挤压在它的原始位置上。
(5)另外该伺服驱动装置250还必须补偿这种例如在该定子220、动子230和支持装置运动时在相应的支承结构中所产生的摩擦力。
图3以示意图示出了按照本发明一个实施例的装配头的一个弹性支承的直线电机。该装配头具有一个基体310，其借助一个未示出的定位装置可以被定位在一个用于结构元件的提取区域和一个结构元件载体上用于结构元件的安放区域之间。该直线电机的定子320是相对基体310沿着一个Z-轴线可移动支承的。定子320的支承借助一个直线导引结构322实现。另外该基体310借助一个气动式弹簧结构315与定子320连接。在基体310和定子320之间另外设置一个行程传感器323，其检测该定子320相对基体310的移动。
该直线电机的动子330是相对定子320沿着Z-轴线可移动支承的。为了该动子330的支承同样设置一个直线导引结构332，其将动子330要么相对于定子320地或者相对于基体310如此支承，使得该动子330仅仅沿着Z-轴线是可运动的。为了检测该动子330的移动行程设置一个行程传感器333，其要么检测该动子330相对定子320的移动或者检测该动子330相对基体310的移动。其中这个相对基体310的移动的检测具有的优点是，该动子330与结构元件装配所相关的运动被直接地获知。
这个被安置在基体310和定子320之间的伺服驱动装置350已在前面借助图2被解释过了。
作为优选，该定子320和动子330的质量分配如此选择，使得在直线电机运动时，定子320和动子330的重心总是位于一个共同的轴线上。以此方式在直线电机运动时就不产生扭矩，因此在直线电机以大的加速度运动时也不会有扭矩被传递到这个连接于装配头之基体310上的定位装置上。
按照本发明的一个实施例，定子320位置的调节借助一个调节装置400实现，如图4所示。调节装置400具有两个输入端，它们分别通过一个信号线与动子的行程传感器433以及与定子的行程传感器423相连接。调节装置400的一个输出端与伺服驱动装置450连接。因为一个通过伺服驱动装置450引起的定子移动可以直接地被行程传感器423获得，在定子的行程传感器423和调节装置400之间的连接就产生一个反馈，由此定子的位置被调节。
下面描述调节装置400的功能动子的行程传感器433将一个信号434发送到一个信号处理单元435上，信号处理单元435分别制备一个与动子之实际位置对应的信号435a以及一个与动子之实际速度对应的信号435b作为输出参数。这两个信号435a及435b被传送到一个计算单元436上，其根据已知的定子和动子之间的质量比例求出一个信号436a及一个信号436b。信号436a代表定子的理论位置。信号436b代表定子的理论速度。
用于定子的行程传感器423以类似的方式将一个信号424发送到一个信号处理单元425上，其分别制备一个与定子之实际位置对应的信号425a以及一个与定子之实际-速度对应的信号425b作为输出参数。
代表定子的实际位置和实际速度的信号425a及425b以及代表定子的理论位置和理论速度的信号436a及436b被传送到一个调节单元437上，其发送一个用于伺服驱动装置450的信号438。以此方式定子的位置借助伺服驱动装置450被如此调节，使定子总是保留在这个因动子的惯性运动使定子所接受的位置上。
概括地，本发明提供了一种用于接收、输送并安放结构元件的装配头，其具有一个基体310，一个直线电机以及至少一个支持装置。直线电机包括一个定子320和一个动子330。定子320是弹性地支承在基体310上的。动子330是相对定子320可沿着一个Z-轴线移动的。支持装置是同样可沿着Z-轴线移动地被支承的并且可连接在动子330上。通过定子320弹性支承在基体310上，在直线电机脉动式运动时所产生的振动只以微小的程度传递到基体310上。通过借助一个伺服驱动装置350对定子320之位置的有效调节可确保，直线电机重心的位置维持不变。伺服驱动装置的调节借助行程传感器323及333实现，它们可检测定子320及动子330相对基体310的移动。
附图标记101—支持装置，102—连接杆，103—转动装置，104—吸移管握持结构，105a—电磁铁(未被激活的)105b—电磁铁(激活的)106—同步元件，107—同步元件的移动，108—该被连接上的支持装置的移动，210—基体，215—弹簧结构，220—定子，221—定子的移动，230—动子，231—动子的移动，240—直线驱动装置，241—作用力，242—反作用力，250—伺服驱动装置，251—作用力，252—反作用力，310—基体，315—气动式弹簧结构，320—定子，322—定子的直线导引结构，323—定子的行程传感器，330—动子，332—动子的直线导引结构，333—动子的行程传感器，350—伺服驱动装置，400—调节装置，423—定子的行程传感器，424—定子之行程传感器的信号，425—信号处理单元，425a—定子之实际位置的信号，425b—定子之实际速度的信号，433—动子的行程传感器，434—动子之行程传感器的信号，435—信号处理单元，435a—动子之实际位置的信号，435b—动子之实际速度的信号，436—计算单元，436a—动子之理论位置的信号，436b—动子之理论速度的信号，437—用于定子之位置/速度的调节单元，438—用于伺服驱动装置的信号，450—伺服驱动装置。
权利要求
1.用于接收、输送并安放结构元件的装配头具有●一个基体(310)，●一个直线电机，其具有一个定子(320)和一个动子(330)，其中-定子(320)借助一个弹簧结构(315)被弹性地支承在基体(310)上和-动子(330)可以相对定子(320)沿着一个Z-轴线移动，以及●至少一个支持装置-其可相对基体(310)沿着Z-轴线可移动地支承和-其可连接在动子(330)上，使得在动子(330)运动时支持装置也沿着Z-轴线运动。
2.按权利要求1的装配头，其特征在于所述动子(330)相对基体(310)支承。
3.按权利要求1或2的装配头，其特征在于所述动子(330)另外具有一个同步元件，同步元件的设计使得支持装置可以机械方式和/或磁性方式连接在同步元件上。
4.按权利要求1-3之一的装配头，其特征在于所述弹簧结构(315)是一个气动式弹簧结构。
5.按权利要求1-4之一的装配头，其特征在于所述定子(320)的构造使得定子(320)的重心和动子(330)的重心位于一条至少近似平行于Z-轴线的轴线上。
6.按权利要求1-5之一的装配头，其特征在于设有多个支持装置，●它们被沿着一行安置或者被安置在一个两维格阵的阵点上和●它们可以相互无关地连接在动子(330)上。
7.按权利要求1-6之一的装配头，其特征在于另外设有一个用于检测动子(330)相对基体(310)移动的第一行程传感器(333)。
8.按权利要求7的装配头，其特征在于另外设有一个用于检测定子(320)相对基体(310)移动的第二行程传感器(323)。
9.按权利要求8的装配头，其特征在于另外设有，●一个伺服驱动装置(350)，安置在基体(310)和定子(320)之间，和●一个控制装置，其与第一行程传感器(333)、第二行程传感器(323)和伺服驱动装置(350)相连接，其中伺服驱动装置(350)可被控制装置致动，使得在定子(320)由于动子(330)运动引起的移动之后保持在它的位置上。
10.按权利要求9的装配头，其特征在于所述伺服驱动装置被集成在弹簧结构(315)中。
全文摘要
本发明创建一种用于接收、输送并安放结构元件的装配头，其具有一个基体(310)，一个直线电机以及至少一个支持装置。直线电机包括一个定子(320)和一个动子(330)。定子(320)是弹性地支承在基体(310)上的。动子(330)是相对定子(320)可沿着一个Z－轴线移动的。支持装置是同样可沿着Z－轴线移动地被支承的并且可连接在动子(330)上。通过定子(320)在基体(310)上的弹性支承，在直线电机之脉动式运动时所产生的振动只以微小的程度传递到基体(310)上。通过借助一个伺服驱动装置(350)对定子(320)位置的有效调节可确保，直线电机重心的位置维持不变。伺服驱动装置的调节借助行程传感器(323、333)实现，它们可检测定子(320)及动子(330)相对基体(310)的移动。
文档编号H05K13/04GK1765165SQ200380110243
公开日2006年4月26日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年4月9日
发明者S·布格尔 申请人:西门子公司