專利名稱：在支板上固定小型化部件的方法
技術領域：
本發明涉及一種方法和一種裝置，用于將小型化的特別是安裝有或包含有至少一個光學元件的部件高精確度地固定在一個支板上，所述的固定連接是采用焊接連接、熔焊連接或者粘接方式實現的。
背景技術：
在自動化的機器人安裝工位采用微型安裝技術，能夠將部件以高精確度定位安裝到一個支板上，也就是說，例如采用手爪式機械手通過定位識別，完成在一個支板上的定位固定操作，所述的機械手可以操作小于1微米的部件。盡管在連接過程之前可將部件高精確度地定位在所述的支板上，但是只能實現相應精確度的有限的邊緣固定準確性，因為在采用焊接、粘接或熔焊方式將所述部件與支板固定期間，定位準確性經常產生偏移。一般來說，在焊接時焊料冷卻時、或熔焊時出現焊縫時、或粘接時粘接材料變硬時，在部件和所述的支板之間所出現的垂直于該支板的接合縫產生收縮。
如果采用熱接縫技術，受操作地局部限制而產生的發熱導致膨脹伸長現象，在該接縫區周圍的冷材料強制受壓，在接著發生的冷卻過程中，所述的接合縫在室溫下收縮，那些事先受壓的部分通過冷的周圍溫度再次受到阻礙，由此不可避免的產生收縮張力或內應力以及發生變形或壓縮。所述的變形和內應力主要取決于熱輸入、熱傳導和抗收縮率或者預應力程度。本領域的技術人員都知道，一個適宜的收縮可能性會導致較小的預應力和內應力，相反，一個小的可收縮性可導致大的預應力、即大的內應力。尤其是當采用熱接縫工藝時，焊接和熔焊操作使機械手要耐受熱，在下一步的冷卻過程中，除了所述的接合縫產生收縮，還要考慮機械手也產生一個收縮。所述要固定的部件是由機械手也產生一個收縮。所述要固定的部件是由機械手或手爪固定夾持著，因此既要考慮所述接合縫的收縮現象，又要整體考慮部件、手爪和其他組件冷卻后將產生收縮張力或在部件和所述支板之間產生的牽引力，一旦機械手或手爪釋放所夾持的部件時，其局部是自由釋放的，由此導致所述的部件產生了不希望出現的移位，使部件固定的邊緣準確性發生一事實上的偏差。而未釋放的壓力產生了內應力，使連接的牢固性變劣。這種問題主要出現在熱接縫方法中，即焊接、熔焊和熔合或塑料溶膠粘合工藝中，類似的問題也發生在冷粘合工藝中，一旦粘接材料硬化會引起收縮和/或加熱。
WO 00/28376介紹了這樣一種設備及一種方法，特別是一種焊接方法，涉及小型化部件的熱穩定定位。這種焊接方法采用一個帶有手爪的機器人工位進行操作。手爪抓住所述的部件，參考外界的參考點將該部件以一個小間隔定位到一個支板的上方，然后用激光射束向期照射，然后釋放，獲得所需的固定。其中手爪的結構必須按照WO 00/28376的基本選擇獲得，即其手爪要么制成幾手無窮剛性的，從而使其自身具有抗金屬收縮性，要么具有縱向——垂直于支板方向的確定的彈性可縮性。在后一種情況下，收縮沒有阻礙，而是沿著一個確定的空間方向，尤其是垂直于支板的方向允許收縮。根據WO 00/28376的教導，第二個帶有可縮性的手爪的方案比第一個采用剛性手爪的方案更值得推薦。因為在力的作用下能保持不發生變形的結構，當錫料產生收縮時，會變牢固，這種特性非常適合機器人工位所要求的高精確性。金屬收縮產生一個機械負載，它可以大于焊接材料的極限強度，由此可能會導致所述接縫的失效。以一個虛構的例子來說明，假設部件的規格是2×2×3毫米，則在一個1毫米厚的錫層上產生4μm的熱收縮和288N/mm2的壓力，在這種情況下，在錫層上所作用的負載會大大高于其斷裂強度極限值，這將導致發生接縫故障，可使整個固定連接失效。此外，WO 00/28376還提到，采用彈性結構制成的可縮性手爪不會使最終完成的固定連接的精度劣化，人們假設手爪結構足夠剛性，從而在熱源照射期間，夾持件保持在一個固定的位置上。如果所述的錫層改變了其相位，并且重新返回固定的狀態，則產生所述的機械壓力。從這個時間點起，所述手爪的形變開始。在WO 00/28376中因此介紹了一種手爪，它的高位接合縫冷卻或硬化期間受彈簧的力的作用被動地產生彈性受壓。在這種被動的方法中，凝固后所形成的高度位置取決于接合縫的內應力或在手爪上的牽引力，冷卻或硬化過程中，它又取決于焊接、熔焊或粘接層的厚度。所述層的厚度在容差范圍內可變，而部件的末端位置主要取決于意外事件(zufall)。盡管從理論上講是可行的，將所有過程參數準確給出，并考慮所述收縮因素，可以實現部件的預定位。另外考慮固定容差和溫度常數，可以預先限定所述的收縮，因此末端位置的偏差是難免的。于是高精確度在這里只是一種理想，只有正確的已知的方法條件滿足時才能實現。另外一個現有技術問題是，一方面要保證高度位置的彈性移動性，另一方面在已知的高度位置處要保證部件能精確實現預定位，否則所述收縮會受到過高的彈力恒久性的阻礙。
德國專利文獻DE 35 31 715 A中公開了一種將表面安裝部件焊接到具有導體圖型的電路板上，所述焊接在恢復液化的具有焊料層的焊接位置區內進行。采用該方法，將要焊接的部件移到所述的電路支板上并定位，用于熔化焊料的熱能通過一個可在焊接調節區域內移動的加熱的焊接刀具輸入，這里所指的焊接刀具靠近所述的焊接位置這樣放置在電路支板的導電條上，使用于熔化焊料所需的熱能經由位于所述電路支板的導電條上方的熱傳導到達焊接位置。所述的部件是這樣定位的，使部件沿平行于電路支板平面的方向不能移動，但使部件可沿垂直于電路支板的方向移動，以便通過特定的壓緊工具所施加的表面壓力，使部件能下降到所述的電路支板上，此時在連接接觸層上的焊料呈液態。這里所述的單獨的壓緊工具是指一種沖頭，其上帶有在一個確定的斷裂數量級的1N的預應力，DE3531715A所描述的方法中，當安裝焊接刀具到所述的導電條上時，所述的要固定的部件在維持平行于支板的定位的同時，至少受壓并相對于所述的支板具有預定的貼合表面壓力。這種方法適用于安裝表面安裝式電力電路組件，它們必須沿平行于支板的方向相當地精確定位，從而產生一個與支板上的導電板確定的接觸，并且不存在電接觸中斷，也沒有短路。與支板垂直的電力電路組件的末端位置在此公開的方法中在固定過程中僅起一個輔助定位的作用，當焊接材料液化時，在所述支板上僅有一個部件的已知表面壓力是必須設置的。在DE3531715A中沒有給出解決問題的說明，一個精確定位的尤其是垂直的一個部件的末端定位準確性相對于支板將在凝固后生成所述的焊縫。而且DE3531715A中沒有給出部件的精確定位的末端位置和一個無壓力接合縫如何保證安全的措施。由于在上述的已有技術方法中，熱能的輸入是從一側完成的，當收縮時，在微型光學區域中被迫產生了不能接受的不對稱現象。因此，在DE3531715A中介紹的方法不適宜用于高精度固定微型光學部件的微安裝技術，尤其是當部件包含微型光學部件的情況，更不適宜采用這種已有方法。
于是，在微型技術領域，存在一種改善小型化部件的精確定位的需要。因為利用收縮而產生的系統中的壓力僅通過如上所述的被動的高位調節，由部件所產生的所述連接縫、支板和整個夾持件不太平衡，并且在同時無故障的接合縫上的一個高的末端定位精度不能得到可靠保證。
發明內容
因此，本發明的任務是改善接合縫固定之后在一個支板上安裝的小型化部件的末端定位精度，避免在系統中產生應力，特別是避免在所述的焊縫處的殘余應力，以及避免固定接縫故障，特別是避免形成裂紋、連接失靈和其它不規則的連接固定。
本發明的任務是通過獨立權利要求的特征實現的。其余的本發明的可替換的或優選的補充結構方案體現在從屬的權利要求的特征中。
根據本發明，采用一個機器人工位的一個手爪抓持一個小型化部件，并相對于外部的參考點將該部件定位到所述支板上方，或定位到所述的支板上，然后，利用焊接、粘接或熔焊在所述的部件和所述的支板之間產生一個連接。焊劑或粘料或熔焊縫凝固產生收縮，或者有可能在塑料粘合料外殼上產生膨脹，使在部件和支板之間的接合縫也同時產生收縮或者膨脹，手爪沿著與所述的支板垂直的方向受控制或受調節地移動，或者沿著遠離支板的方向移動，直到移動到一個確定的標定位置，由此，主動地、連續地進行，，并基本上服從于所述的收縮或膨脹。在手爪上的抓握作用力將得到補償和完全的平衡，由此這種結構的高的內應力得到進一步抑制，使焊接時由手爪作用到部件上的剩余應力得到更大程度釋放，并且不會發生位置改變。原因在于，一般來說，固定過程中所述的接合縫會產生收縮，但不產生膨脹，在下面的描述中將經常使用“收縮”的概念。顯然，本發明的教導當然也涉及一種膨脹性的凝固，這從理論上講是指采用一種合成的接縫材料的情況。另外，一個牽引力不僅只限于正向的牽引力，有時也會產生一個負向的牽引力。在膨脹的情況下，膨脹取代收縮，當沿垂直方向朝支板移動時，會產生一個沿著起始于支板的垂直方向的移動路徑，此外，不僅一個由焊接充填的焊縫或一個焊接縫帶有所述的對接縫或接合縫，而且一個熔焊縫，一個由粘合材料充填的粘合縫或一個粘接縫或其它的對接縫或接合縫也同樣屬于一個概念。
本發明的解決方案的基本原理在于，使由于收縮在部件和所述的支板之間產生的應力或者牽引力基本上實現平衡，手爪能夠受控制地或受調節地移動至一個確定的標定位置，從而避免了收縮過程中和/或手爪釋放操作期間部件產生不希望的下沉。
所述手爪的移動是可以控制和/或可以調節的。所述的控制特別是可以采用由一種算法自動執行的序列來完成，其主要基于材料特性和由其產生的收縮比來選擇，也可以考慮通過對環境溫度或冷卻收縮的接合縫溫度進行測量來確定實際影響。手爪的移動例如是可調節的，可以測量出凝固收縮所產生的應力或在手爪上的力，求出施加在接合縫上的力，以及測出收縮過程中手爪的確定的或垂直的彈性位移。
上述技術措施的一個優點是，通過平衡收縮時產生的應力或牽引力，可以顯著提高部件安裝的邊緣精確度，并且在保證接合縫的質量的同時，僅保留有不高的減小的內應力。
此外，本發明涉及手爪裝置和機器人工位的機械手，其上安裝有力和/或位置傳感器。通過這些傳感器，不僅能夠獲知收縮過程中作用在接合縫上的內應力或作用力和/或手爪的位置，而且據此可以調整收縮期間手爪的移動。
本發明的方法和本發明的手爪裝置適用于安裝小型化部件，也稱為微型組件，包含有光學元件，例如透鏡、光學纖維、二極管等。
本發明的方法可以通過一個控制調節裝置來實現，它控制和調節手爪抓住和夾持住部件，控制和調節機器人工位的手爪的位移活動，并且通過一個生成連接的設備來控制和調節所述連接形成的操作，所述的生成連接的設備例如是一個激光焊接設備。
下面將結合各種實施例進一步詳細說明本發明的方法和本發明的手爪裝置，也進一步描述本發明的優點。
本發明的方法主要在自動化的機器人安裝工位上使用，這是因為本發明的所有任務都能由機器人來完成。即每個部件在室內由機器人在六個自由度內定位和固定。一個例子是，將一個已夾持的模塊或小型部件固定到一個支板上，所采用的焊接方法例如前面在WO99/26754中介紹的方法。可選用的其他連接方法如熔焊，例如激光點焊或者電阻點焊，或者粘合。
在不可避免的收縮時，邊緣定位精度直接與收縮的重復性有關。在焊接和熔焊或粘合時出現冷卻晶格的改變或者硬化，在所述的部件和支板之間的接合縫上的收縮現象是不可避免的，使部件沿著垂直軸調節。如果部件是傾斜的或對接平面不整齊，則在平行于部件上表面的部件水平方向上也會產生收縮。不過這種水平的位移一方面可以通過一個相應的已由現有技術公開的對接表面的構形在凝固期間得到抑制，另一方面也可以有目的地限制自由度使其得到制動。所述的水平位移與朝著支板方向的垂直偏移相比要小些，因為因抑制水平位移所產生的對接縫中的剩余應力較小，而且非臨界值。從過程參量的角度看，所述的收縮展示了一個很好的可再現性，因此可以作為支板和部件基底之間的中間空間的函數。如果在定位時能事先將收縮性標入在內(在焊接、粘合或熔焊方法開始之前)，則可以實現一個良好的固定精確度。舉例來說，在將部件垂直對準并放在支板上方時的收縮量已經預先加以考慮。所述部件的底面具有球面或圓柱形對稱的構形，因此其側面的精確度和角精確度不會因收縮而改變。
當固定由機器人安裝工位的一個手爪夾持著的部件期間，所述的手爪沿垂直的方向、即朝支板焊接的方向受機器人工位驅動移動，為此，手爪固定在所述的機器人工位上的支架或支臂上，可至少沿垂直于支板的方向下降，必要時可以在所有6個自由度上活動，如果發生收縮現象，手爪垂直于支板在收縮的范圍內進行可控制的和/或可調節的移動，目的是手爪對高的結構在部件和支板之間產生一個由垂直方向的收縮引起的一個垂直牽引力，并且抑制住在接合縫內出現的內應力，必要時可達到其標定位置。用一個負向的牽引力，例如一種壓力，取代一個正向的牽引力是有可能的，并且壓力也可以調節。在這種情況下，手爪施加一個合適的壓力到所述的接合縫上，這個力受收縮的影響而減小，但通過手爪的調節可使所述力維持。建議使收縮持續得到垂直方向的調節，主要是，可以精細控制和/或調節手爪朝支板方向的垂直位移的大小，以補償收縮的影響，盡量避免在由部件、接合縫、支板、手爪和支架等構成的系統中出現應力、牽引力和/或曳力，使手爪達到其標定位置。
在一個實施例中，所述的調節在垂直方向上是受限的，即手爪在到達一個事先確定的垂直標定位置——垂直于支板——之后，手爪在朝向支板的方向上被鎖定。由此在所述的接合縫和整個系統內會產生較大的內應力，這可以提高邊緣定位精確度。但是需要注意的是，在標定位置和對收縮無阻礙的位置，只允許很小的差別，否則會出現高壓、甚至是內應力，導致固定連接質量和邊緣定位精度變劣。最好的效果是當精確掌握收縮程度和正確進行收縮仿形運動時獲得。
利用收縮的再現性，所選用材料的收縮比可以預先試驗或模擬確定，由此所測出的數據確定出一個算法，從而機器人安裝工位執行一個自動的操作序列，使手爪的活動在收縮期間得到控制。由于所述的凝固速度主要與周圍的溫度有關，因此所確定的算法應當與周圍的溫度想適配，在整個固定過程中周圍的溫度不可能保持為一個常數。
在本發明的又一個實施例中，在所述手爪中裝有一個力傳感器。一旦在所述部件和所述支板之間產生一個接合縫，并且由手爪夾持著的部件的底面浸濕在液態的焊接、粘合或熔焊介質中，液態的接合縫在收縮前產生壓力，通過一個力傳感器測量出在手爪上的垂直方向的實際牽引力，測出的數值用作一個調整電路中的額定值，將手爪的活動用一個調節差來調整，這個調節差是指額定值和收縮時測出的實際值之間的差值。所述的收縮在部件上僅引起一個支板方向上的牽引力，使手爪垂直于支板移動直到所述牽引力大部分得到均衡，也就是說達到所述的額定值。
以上所述的調整電路的工作原理是已知的，所述的指令參數直接或間接地根據上述方法中的所述接合縫上的一個機械額定電壓預先設定，所述的調整電路的調節參數直接或間接地根據在所述接合縫上的一個機械實際應力確定。所述的額定應力和實際應力并非明確確定的，因為預先給定的一個額定牽引力和測量出的一個實際牽引力有可能是負值，它可以在手爪上很容易地確定。所述手爪朝著支板方向的主動運動，將使實際應力實現與額定應力的平衡。
在本發明的又一個實施例中，所述的手爪相對于機器人工位做垂直于支板的小的自由移動，這種自由活動可以例如通過一個彈簧來實現，它允許手爪做小的垂直移動，并且手爪通過彈簧與機器人工位相連接，在這種情況下，所述的手爪帶有一個測量其與所述機器人工位的相對移動的位置檢測器。如果在由手爪夾持的部件的底面和所述的支板之間產生一個接合縫時，在發生收縮之前測出手爪的相應垂直位置。將所確定的測量值、即所述的相應垂直位置用作一個調整電路的額定值，通過將該標準值與收縮時所測出的實際位置值相比較得出的反饋耦合信號，調整所述的手爪的垂直方向位移量。再根據由于收縮所釋放的牽引力，使手爪的垂直位置朝向支板的方向產生偏移，于是這個強行位移直接促使一個手爪的相應主動的、垂直的位置事后調整再次通過機器人工位達到平衡。所述的小的自由移動是測量的主要對象。
顯然，所帶有的調整電路可接入力檢測器或位置檢測器，通過自動序列控制所述移動量，實現附加的精細微調。
實際的收縮程度在冷卻期間取決于所述的接合縫的實際溫度，有可能代替它或附加地通過力或行程測量獲知壓力，測出所述接合縫的實際溫度，例如采用無接觸表面溫度計，確定所述的應力和控制手爪的垂直方向的調整。
由于在支板上固定部件是用一個機器人組合工位實現的，所述的固定精底也受到手爪的夾持可靠性的影響，因為手爪就安裝在機器人支臂上。所述手爪必須抓牢部件，相對于外面的參考點定位，在焊接、熔焊或粘合到位期間固定部件，當實現固定后釋放。所述的部件具有小尺寸，例如2×2×3毫米，但其重量重，手爪的抓持要求均勻保持。
所述的抓持力可以按不同方式設定，由于所述部件尺寸小重量重，需要施加一個具有足夠安全的力。這個抓持力必須較大，使部件與處于夾持狀態的手爪之間沒有小的相對運動，另一方面，又要求這個力要小，以使部件不受損壞。由于對固定精度要求的不斷提高，要求所述部件必須從手爪釋放，而且其位置不會受到釋放操作的影響，這有許多解決辦法，一般不觀察通過一個機械作用產生的抓持力，因為在釋放期間可能會影響固定安裝精確度。合適的解決辦法可使手爪的夾持力采用一個磁鐵、特別是電磁鐵來產生。采用電磁失引入的原理是公知的，例如可參見WO 00/28367的內容。
下面根據兩個概括性實例進一步說明本發明。
在第一個實例中，按一個自動程序序列控制所述手爪的活動，通過手爪實現將小型化部件焊接固定到一個帶有金屬涂層的支板上的操作。
WO 99/26754中談到了部分焊接方法的原理。所述的部件在其待連接的底面上帶有焊接材料層，它被機器人工位的手爪夾持住，并且移到支板上方要固定的位置上，在部件底面的支板之間保留一個用于焊接連接的小縫，并附加一個用于平衡收縮的余量。由于可在探索性試驗中確定收縮的大小。這個試驗例如得出的收縮的幅值為-4.5μm±0.5，于是機器人工位所定位的部件可求出它的垂直邊緣位置+4.5μm，也就是說，計算出所期待的收縮在連接前的垂直高度。接著，采用激光束使部件底面上的焊接材料熔化，液態的焊料在部件的底面和支板之間變為點滴狀焊料，充填上述接縫，并且產生在兩個部分之間的連接。
作為本發明方法的改進，在停止激光照射之后，直接激勵所述的基于一種算法的自動化序列，因此在發生收縮期間，控制手爪朝支板方向向下垂直移動。
溫度T在冷卻時構成一個漸近線，它在對接溫度Tf處開始，接近周圍溫度。垂直的收縮X與冷卻成正比，因此可以確定所述的自動程序序列為Δx≈α(Tf-T)，其中α是指系統的近似的熱膨脹系數。
根據所采用的焊接材料，冷卻期間持續大約2-10秒，然后所述部件從手爪上又得到釋放。
由溫度曲線可得出手爪的垂直位置的函數，這些函數可以自動適配周圍條件，特別是周圍溫度，由于所述垂直位移得到了控制，手爪在相同的垂直位置處釋放所述部件，使位置精確度基本上保持不變。
在一個第二實例中，說明了將部件焊接固定到一個支板上的過程，手爪的均衡位移利用力和/或位置檢測器來實現調節，手爪上帶有的調整電路控制所述調節。
與WO 99/26754中所描述的方法相反，在這個第二實例中，焊料直接覆蓋在所述支板上，之后，所述的部件由機器人工位無接觸地放在該支板之上，采用激光照射n秒，使焊料熔化，其中n＜tmax，而和tmax＝激光脈沖持續時間所述的焊接材料或者可直接由一個位于支板之上的激光傾斜照射，或者可使激光從其下面可穿透的照射，以及包括一個放在支板上的金屬涂層，于是在后一種情況下，激光穿透支板，所述支板上具有金屬涂層，所述金屬涂層加熱，使焊接材料溶化。所述手爪上帶有一個力或位置檢測器，測出部件朝支板的下降，溶化的焊料浸濕了部件的底面。手爪夾持部件在一個對著支板的垂直懸垂位置上，使已固定的邊緣安裝位置與所期待的收縮正向對應。所述手爪必須在tmax前達到邊緣位置，之后激光照射，獲得測量值，根據測量值可推導出內應力或牽引力，檢測器斷開的時間點被存儲，由此啟動所述的跟蹤調節程序，此時焊接材料冷卻。所存儲的檢測器測量值用作手爪的垂直移動調節用反饋回路的額定值。當焊接材料凝固之后，將部件從手爪上脫開。
在這第二個實例中的手爪的垂直位置曲線在焊料凝固期間不受時間控制，而是通過壓力和/或力調節，這樣就基本避免了壓力和牽引力的合成。如果在發生凝固期間，測量值是可以顯示的，并且記錄以保證質量。此外，可將所顯示的測量值用作模糊邏輯的基礎，這樣可以實現，測量到達邊緣位置的無壓力情況，將已到達的實際位置值與標定位置相比較，計算出差值，并相應修正下一個部件的預定位，從而相應改善了后續固定過程的定位精度。
下面將根據附圖所示的各個具體實施例，結合不同的圖例詳細說明本發明的機器人手爪裝置和本發明的部分方法。附圖為圖1是帶有力傳感器的機器人手爪的示意圖；圖2是帶有力檢測器的機器人手爪的示意圖；圖3是圖2所示的機器人手爪的一個具體實施例的視圖。
具體實施例方式
圖1表示的一個機器人手爪1a連接在一個機器人工位2a上，圖中僅表示出該機器人手爪一個臂部分的一小部分。機器人手爪2a的所述臂具有一定的自由度，它至少沿著垂直方向VGr是可移動的。手爪1a的結構例如可以選用現有技術的手爪，這種手爪是由電磁鐵驅動產生夾持力的，并且如圖1所示的，以可釋放的方式抓持一個帶有球形底面的小型化部件3a，在圖1所示的狀態，由于在連接縫6a中的焊接材料的冷卻，于是產生收縮，該部件依靠與一個支板4a所形成的連接縫6a中的已經凝固收縮的焊接材料，精確地定位連接到所述的支板上。這時一個垂直牽引力施加到所述的基本沒有可縮性的手爪1a上，在已經熔化的焊接材料凝固期間和之后，手爪1a所提供這個垂直的牽引力Fv，可以通過安裝在手爪1a和機器人工位2a之間的一個垂直的力傳感器5a精確測量出，小型化部件3a通過在所述的連接縫6a中的焊接材料固定連接到支板4a上。力傳感器5a可以采用一個公知的力傳感器，例如一個壓電傳感器。根據所測量出的牽引力Fv和視情況條件考慮時間和/或焊接材料的溫度，調整機器人工位的手爪1a沿著垂直于支板4a的垂直方向作用的力VGr的大小，并且視情況調整直到達到一個確定的垂直標定位置。
圖2表示一個手爪1b，固定夾持了一個小型化部件3b，該部件具有一個球形的底面，在圖2所示的狀態，該部件依靠與一個支板4a所形成的連接縫6b中的已經凝固收縮的焊接材料，精確地定位連接到所述的支板上。所述的手爪1b是通過彈簧8b安裝在一個機器人工位2b上，它至少僅沿著垂直方向VR具有可移動的臂部分。所述的彈簧8b使手爪1b相對于機器人工位2b的臂部分沿著垂直方向可以產生一個相對較小的位移Vrel，根據霍克定理，這個垂直位移Vrel的大小與在手爪1b上夾持的力Fv的垂直分量和彈簧8b的彈性常數有關。為了能夠測量出所述的這個垂直的位移Vrel，并且由此推導出所述的垂直的力Fv，在手爪1b上安裝一個垂直的位置檢測裝置7b，它相對于機器人工位2b的臂部分的位置VR測量出手爪1b的相對垂直位置Vrel，這個垂直相對位移Vrel主要用于通過位移測量進行力的測量，而且這個位移非常小，手爪1b的彈性可縮性遠小于所述力產生時引起所述連接縫6b的垂直收縮程度，通過調整機器人工位2b的臂沿著垂直方向的位移VR，可以避免產生過高的垂直作用力Fv，從而得到張力的補償。隨著焊接材料6b的冷卻和收縮，在手爪1b上產生朝向支板4b方向的垂直的作用力Fv，所述的小型化部件3b受手爪1b驅動壓向所述的收縮方向、也就是說垂直于支板4b的方向，并通過彈簧8b產生較小的移動，于是手爪1b相對于機器人工位2b的臂產生一個垂直的相對的位移Vrel，這個垂直相對位移Vrel的動作由所述的位置檢測裝置7b檢測出來，該裝置于是向所述的機器人工位2b發送一個回授信號，根據這個信號，對機器人工位2b的臂的垂直位置VR和手爪1b的位置VGr進行相應調整，再次比較通過焊接材料收縮所引起的手爪1b相對于機器人工位2b的臂的垂直的相對的位移Vrel，減小所述的垂直的牽引力Fv，由此可以推導出，手爪1b的垂直的位置VGr是機器人工位2b的臂沿著垂直方向的位移VR和它垂直產生的相對的位移Vrel之和。
圖3表示如圖2所示的手爪1b的一個具體的實施例。圖中所示的手爪1c具有兩個抓指1c’，它們通過一個鉸鏈9相互連接在一起，所述的抓指1c’受一個電磁牽引的夾持力的驅動動作，它通過彈簧8c的作用，具有一個至少垂直地圍繞VR可調整的連接，并且與機器人工位2c的可調整的臂相連接。所述的抓指沿著垂直方向圍繞著所述的垂直的相對的位移Vrel動作，這種動作由一個位置檢測裝置7c測量出，根據彈簧8c的彈性常數和所述的垂直的相對的位移Vrel，可以推導出施加在手爪1c上的小型化部件3c上的牽引力Fv的大小。
權利要求
1.一種固定方法，用于將小型化的特別是安裝有或包含有至少一個光學元件的部件(3a、3b、3c)固定在一個支板(4a、4b)上，所述的固定是采用焊接連接、熔焊連接或者粘接方式實現，具有如下步驟所述的部件(3a、3b、3c)被一個機器人工位(2a、2b、2c)的機器人手爪(1a、1b、1c)夾住和抓持；所述的部件(3a、3b、3c)是通過一個機器人工位(2a、2b、2c)的機器人手爪(1a、1b、1c)相對于外部的參考點對準定位在所述的支板(4a，4b)的上方或上面；采用焊接連接、熔焊連接或者粘接方式實現在所述的部件(3a、3b、3c)和所述的支板(4a，4b)之間的固定連接，其中在所述的部件(3a、3b、3c)和支板(4a，4b)之間形成的接合縫(6a，6b)產生收縮凝固，于是在夾持著所述部件(3a、3b、3c)的機器人手爪(1a、1b、1c)上施加一個垂直于支板(4a，4b)的牽引力，和所述的機器人手爪(1a、1b、1c)通過一個垂直于支板(4a，4b)的運動，屈服于(nachgibt)所述的牽引力；和所述的機器人手爪(1a、1b、1c)釋放所述的部件(3a、3b、3c)，此后，所述的接合縫(6a，6b)基本上凝固，其特征在于，在形成在所述的部件(3a、3b、3c)和支板(4a，4b)之間的連接的步驟中，通過一個由機器人手爪(1a、1b、1c)沿著朝向支板(4a，4b)的方向的、受控制的或受調節的、形成所述屈服的(das Nachgebdnbildende)、主動的運動，所述的牽引力得到補償，至少部分地得到補償。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的補償基本上是連續的，尤其是在所述的焊接接合縫(6a，6b)的整個凝固過程中實現補償。
3.根據權利要求1至2中任何一個所述的方法，其特征在于，通過機器人手爪(1a、1b、1c)沿著朝向支板(4a，4b)的方向的受控制或受調節的，直到移動至一個確定的垂直的標定位置處的主動移動，所述的牽引力得到補償，移動到達所述的確定的垂直的標定位置處之后，機器人手爪(1a、1b、1c)停止或者減小所述的主動移動。
4.根據權利要求1至3中任何一個所述的方法，其特征在于，所述的機器人手爪(1a、1b、1c)的受控制的移動是通過一個按照一種算法執行的自動序列實現的，其所述的算法基于所述的接合縫(6a，6b)的材料性能。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在補償所述的牽引力之前的一個步驟中，測量出其周圍的溫度，并且所述的算法與所述的測量出的周圍溫度是相適配的。
6.根據權利要求1至3中任何一個所述的方法，其特征在于，所述的機器人手爪(1a、1b、1c)的受調節的移動是通過一個調整電路實現的。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述的調整電路的指令變量直接或者間接地由在所述的接合縫(6a，6b)上的一個機械額定應力所構成，所述的調整電路的可控變量直接或者間接地由在所述的接合縫(6a，6b)上的一個機械實際應力所構成，所述的機械實際應力值是與所述的牽引力邏輯上相關聯，通過所述的機器人手爪(1a、1b、1c)沿著朝向支板(4a，4b)的方向的主動移動，使所述的實際應力值與額定應力值的相適應。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在收縮產生所述的接合縫(6a，6b)的凝固之前，確定出在所述的接合縫(6a，6b)上直接或者間接地產生的機械應力，特別是確定出實現的牽引力值，和將所確定出的應力值作為額定應力值。
9.根據權利要求7或8的方法，其特征在于，所述的額定應力值通過一個垂直的額定牽引力值預先給定，和所述的實際應力值由一個測量出的垂直的實際牽引力值構成。
10.根據權利要求6至9中任一個所述的方法，其特征在于，確定出一個在機器人手爪(1a、1b、1c)上作用的垂直的實際牽引力值(Fv)。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述的垂直的實際牽引力值(Fv)是通過安裝在所述的機器人手爪(1a)上的力傳感器(5a)確定出的。
12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述的垂直的實際牽引力值(Fv)是這樣確定出的所述的機器人手爪(1b、1c)相對于機器人工位(2b，2c)并且垂直于支板(4b，4c)可彈性移動，和測量出所述的機器人手爪(1b、1c)相對于機器人工位(2b，2c)的相對的垂直位置(Vrel)。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述的機器人手爪(1b、1c)相對于機器人工位(2b，2c)的相對的垂直位置(Vrel)是通過一個位置檢測裝置(7b，7c)測量出的。
14.根據權利要求1-13中任何一個所述的對部件(3a，3b，3c)進行固定的方法的應用，所述的部件用于容納所安裝的光學元件，所述的部件固定在一個支板(4a，4b)上。
15.一種機器人工位(2a)上帶有的手爪(1a)，用于根據權利要求1-11中任何一個所述的方法，將小型化部件(3a)相對于外部的參考點對準定位、夾持、固定在所述的適用于一種組裝方法的支板(4a)的上方或上面，其中部件(3a)是通過焊接、熔焊或者粘接固定在所述的支板(4a)上的，從而在所述的部件(3a)和所述的支板(4a)之間通過焊接、熔焊或者粘接產生的接合縫(6a)發生收縮凝固，其特征在于，在所述的機器人手爪(1a)上安裝有一個力傳感器(5a)，用于測量作用在所述手爪(1a)上的在垂直于支板(4a)的方向上的力(Fv)。
16.一種機器人工位(2b，2c)上帶有的手爪(1b，1c)，用于根據權利要求1-10、12或13中任何一個所述的方法，將小型化部件(3b，3c)相對于外部的參考點對準定位、夾持、固定在所述的適用于一種組裝方法的支板(4b)的上方，其中部件(3b，3c)是通過焊接、熔焊或者粘接固定在所述的支板(4b)上的，從而在所述的部件(3b，3c)和所述的支板(4b)之間通過焊接、熔焊或者粘接產生的接合縫(6b)發生收縮凝固，其特征在于，所述手爪(1b，1c)可相對于機器人工位(2b，2c)和垂直于所述的支板(4b)彈性地移動，和在所述的所述手爪(1b，1c)上安裝有一個位置檢測裝置(7b，7c)，用于測量所述的機器人手爪(1b、1c)相對于機器人工位(2b，2c)的相對的垂直位置(Vrel)。
17.根據權利要求16所述的手爪(1b)，其特征在于，所述的能夠產生彈性移動的手爪(1b，1c)通過至少一個彈簧(8b，8c)與所述的機器人工位(2b，2c)直接地或者間接地連接。
18.根據權利要求15至17中任何一個所述的手爪，其特征在于，所述的機器人手爪(1a，1b、1c)上安裝有一個電磁部件，用于抓住和夾持住小型化部件(3a，3b，3c)。
19.一種根據權利要求15至18中任何一個所述的機器人手爪(1a，1b、1c)的應用，用于固定小型化部件(3a，3b，3c)，所述的部件上安裝有光學元件。
20.一種系統，用于將小型化的，特別是安裝有或包含有至少一個光學元件的部件(3a、3b、3c)固定在一個支板(4a、4b)上，所述的固定連接是采用焊接連接、熔焊連接或者粘接方式實現，所述的系統采用如權利要求1-13中任何一個所述的方法，并包括一個機器人工位(2a、2b、2c)使機器人手爪(1a、1b、1c)至少相對于垂直于所述的支板(4a，4b)的方向移動和定位，所述的機器人手爪(1a、1b、1c)是如權利要求15-18所述的手爪，一個裝置，用于生成在所述的部件(3a、3b、3c)和所述的支板(4a、4b)之間的連接，例如一個激光焊接設備，和一個控制-調整電路，至少用于控制和/或調節采用機器人手爪(1a、1b、1c)抓住和夾持住小型化部件(3a，3b，3c)，機器人手爪(1a、1b、1c)與所述的機器人工位(2a、2b、2c)的移動，利用所述用于生產所述連接的設備來生成所述的連接。
全文摘要
本發明涉及一種方法、一種裝置和一個系統，將小型化的特別是安裝有或包含有至少一個光學元件的部件(3a)高精確度地固定在一個支板(4a)上，所述的固定連接是采用焊接連接、熔焊連接或者粘接方式實現。所述的部件(3a)是通過一個機器人工位(2a)的機器人手爪(1a)相對于外部的參考點對準定位在所述的支板(4a)的上方，然后，在所述的部件(3a)和支板(4a)之間形成一種連接關系，使在所述的部件(3a)和支板(4a)之間的一個接合縫(6a)產生收縮凝固，于是夾持著所述部件(3a)的機器人手爪(1a)向該部件施加一個垂直的牽引力，并且在接合縫收縮的同時，機器人手爪(1a)沿著朝向支板(4a)的方向產生一個可以控制或可以調節的垂直方向的位移，可選擇地達到一個確定的標定位置處，由此可以進一步抑制由于收縮所影響和產生的高張力結構。并且，當機器人手爪(1a)釋放所述的部件(3a)時，不會產生位置的改變。此外，本發明還涉及一種用于上述方法的機器人手爪(1a)。
文檔編號H05K13/04GK1717971SQ200380104532
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月28日 優先權日2002年11月29日
發明者阿蘭·維希, 斯特凡尼·羅索波洛斯, 伊雷妮·韋勒塔斯, 雷蒙德·克拉維爾 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司