Sonderforschungsbereich 516
Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme

Teilprojekt B4 - Sensorführung von 

Mikromontageprozessen

Sachbearbeiter:

Dr.-Ing Annika Raatz

Dipl.-Ing. John Ellwood

Dipl.-Ing. Christian Keck

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Erarbeitung von Grundlagen für automatisierte Montageprozesse am Beispiel aktiver Mikrosysteme. Nachdem im ersten und zweiten Förderzeitraum der Fokus auf der Untersuchung von hochgenauen, kurzzyklischen Montageprozessen lag, soll dieser Ansatz im dritten Förderungszeitraum unter Nutzung der in diesem Teilprojekt exemplarisch aufgebauten Montageanlage weiter verfolgt werden. Die Hauptziele sind dabei die Senkung der Zykluszeit für die betrachteten Mikromontageprozesse in den Bereich weniger Sekunden und die Verbesserung der Wiederholgenauigkeit auf weniger als 1 µm bei der relativen Positionierung. Durch eine Erweiterung der bestehenden Montageanlage soll der Übergang von der 2,5D- zur 3D-Montage mit 6 Freiheitsgraden erfolgen. Für weiterführenden Untersuchungen ist die Integration einer Qualitätskontrolle und von Funktionstests in der Montageanlage geplant.

Roboter für die Mikromontage

Struktur des Roboters

Grundlage für das Montagesystem ist ein Parallelroboter, dessen allgemeine Struktur in Bild 1 gezeigt ist. Die Kinematik wurde für die vorliegende Aufgabe ausgewählt, um eine möglichst gute Wiederholgenauigkeit in der Ebene zu erhalten. Dafür wurden die geometrischen Hauptabmessungen der Struktur (Längen lF1, lF2, l1 - l4) so gewählt, dass sich ein untersetzendes Übertragungsverhalten einstellt. Dadurch werden durch Positionierfehler in den Hauptantriebsachsen verursachte Abweichungen am Endeffektor minimiert.

Abb. 1: Strukturskizze

Realisierung des Roboters

Der realisierte Roboter (micaboF2) verfügt über vier Freiheitsgrade für die Bauteilhandhabung sowie einen Freiheitsgrad für einen mitgeführten 3D-Bildsensor. Zwei parallele Linearachsen (Hauptantriebe) realisieren die Bewegung in der xy-Ebene und bilden die Grundstruktur des Roboters. Diese besteht aus zwei gekoppelten Armen mit einer drehbaren Hohlachse, in die ein als Patrone ausgeführter Roboterkopf integriert ist. Darin befinden sich zwei hochgenaue Spindelantriebe von denen einer den Greifer bewegt und ein zweiter die Nachführung des im Kopf integrierten 3D-Bildsensors ermöglicht.

Abb. 2: Montagesystem mit micaboF2

Abb. 3: Zoom auf Greifer und 3D-Bildsensor

Um die Wiederholgenauigkeit des Roboters in x-, y- und z-Richtung in Anlehnung an DIN 9283 zu ermitteln, wurde dieser in einem temperaturstabilisierten Reinraum aufgestellt. Die Messungen erfolgten bei einer konstanten Temperatur von 20 ±0.2°C und einer relativen Feuchte von 45 ±3%. Die Testbahn war ein Rechteck in der xy-Ebene mit einer Seitenlänge von 128 mm x 316 mm. Dies entspricht 80% des möglichen Arbeitsraumes von 160 mm x 400 mm x 15 mm. Für die Positionsbestimmung wurden absolut messende kapazitive Sensoren verwendet. Die Wiederholgenauigkeit des Roboters beträgt 0,6 µm bei 3 σ.

Prinzip des 3D-Bildsensors

Die Anordnung von vier Spiegelflächen ermöglicht die gleichzeitige Abbildung von zwei Perspektiven und ergibt somit ein stereophotogrammetrisches System mit nur einer Kamera. Die resultierende kompakte Bauform gestattet die Anwendung des photogrammetrischen Messprinzips in der Mikromontage. Bei einer geringen zusätzlichen Masse von etwa 270 g (inkl. Kamera) lässt sich der 3D-Bildsensor in den Kopf des Roboters mitführen und das Montageszenario kann unmittelbar beobachtet werden.

Abb. 4: Simulation des optischen Systems am Beispiel Würfel

Realisierung

Als Lösungsansatz wird mit der Mikrophotogrammetrie ein optoelektronisches Messprinzip gewählt, das berührungslos und vollflächig arbeitet. Mit diesem Prinzip kann aus jeweils einem einzigen Bildeinzug eine 3D-Szene ausgewertet werden. Der prinzipielle Aufbau erlaubt sehr kompakte und leichte Realisierungsmöglichkeiten. Der hier gewählte Ansatz geht von einer einzelnen Miniaturkamera aus, deren Bildfeld in zwei Teilfelder geteilt wird, die über eine geeignete Optik jeweils denselben Bildausschnitt aus unterschiedlichen Richtungen aufnehmen (Abbildung 4). Die Markenidentifikation und die räumliche Zuordnung erfolgen innerhalb dem durch die Bildwiederholfrequenz der Kamera (768 x 568 Pixel) gegebenen Abstand zwischen zwei Vollbildern. Bei dem abgebildeten Szenario (7,5 mm x 11 mm ) entspricht 1 Pixel ca. 19 µm. Im Rahmen des Projekts soll die Auswertezeit für die Bilddaten dadurch verkürzt werden, dass Vorinformationen über die 3D-Szene genutzt werden.

Abb. 5: 3D-Bildsensor

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