Planungsmethodik zur Bestimmung der
Handhabungsmittel in der Mikromontage

Diplomarbeit

vorgelegt von: Maximilian Kalbfleisch

wbk
Institut für Produktionstechnik
Universität Karlsruhe (TH)

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

1.1 Motivation ... 1
1.2 Zielsetzung ... 2
1.3 Aufbau der Arbeit ... 2

2 Grundlagen ... 4

2.1 Feature-Technologie ... 4
2.1.1 Definition ... 4
2.1.2 Feature-Erzeugung ... 5
2.1.3 Microfeatures ... 7

2.2 Unterscheidung von Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut ... 8

2.3 Mikrosystemtechnische Probleme ... 11
2.3.1 Störkräfte in der Mikromontage ... 11
2.3.2 Auswirkungen der Beschleunigung in der Mikromontage ... 24
2.3.3 Luftwiderstand während des Transports ... 24
2.3.4 Bildverarbeitung in der Mikromontage ... 24

3 Stand der Technik ... 26

3.1 Greifer in der Mikrosystemtechnik ... 26
3.1.1 Greifer zum Handhaben von Objekten ... 26
3.1.2 Greifen in der Mikrosystemtechnik ... 27

3.2 Bauteile in der Mikrosystemtechnik ... 32

3.3 Arbeitsräume in der Mikrosystemtechnik ... 34

3.4 Montage in der Mikrosystemtechnik ... 35

3.5 Werkstückträger in der Mikrosystemtechnik ... 37

4 Eigener Ansatz ... 38

4.1 Modellgreifer in der Mikromontage ... 38
4.1.1 Greifer – Kontaktfläche – Bauteil ... 38
4.1.2 Unterschiedliche Greifertypen ... 40

4.2 Features der fünf Teilbereiche ... 46
4.2.1 Bauteilfeatures durch DIN-Adaption ... 46
4.2.2 Ablagefeatures ... 49
4.2.3 Arbeitsraumfeatures ... 49
4.2.4 Werkstückträgerfeatures ... 50
4.2.5 Greiferfeatures ... 51

4.3 Schnittstellen von Bauteil, Ablage, Werkstückträger, Arbeitsraum und Greifer ... 61
4.3.1 2er-Schnittstellenanalyse ... 62
4.3.2 3er-Schnittstellen ... 66

4.4 Die greiferbestimmenden Schnittstellen ... 70
4.4.1 Bauteil (1) ... 70
4.4.2 Bauteil – Ablage (2) ... 72
4.4.3 Bauteil – Werkstückträger (3) ... 73
4.4.4 Arbeitsraum (4) ... 73

4.5 Den richtigen Greifer finden – ein Beispiel ... 75

4.6 Mathematischer Hintergrund der Feature-Zusammenhänge ... 84
4.6.1 Kräfte und Momente zwischen Greifer und Bauteil ... 84
4.6.2 Haltekräfte des Vakuumgreifers ... 88

4.7 Versuche zur Greifkraft beim Sauggreifer ... 92
4.7.1 Versuchsaufbau und Greifertypen ... 92
4.7.2 Die Saugkraftversuche ... 94

4.8 Ergebnisse ... 99

5 Zusammenfassung und Ausblick ... 100

5.1 Zusammenfassung ... 100
5.2 Ausblick ... 101
5.3 Quellenverzeichnis ... 102
5.4 Abbildungsverzeichnis ... 105
5.5 Tabellenverzeichnis ... 109

A Anhang (Abkürzungen) ... 110

1 Einleitung

1.1 Motivation

Die Mikrosystemtechnik verzeichnet in den letzten Jahren sehr starke Zuwachsraten. Immer mehr Bauteile in den Bereichen Elektronik, Automobil, Medizintechnik, Feinmechanik usw. sind mittlerweile so klein geworden, dass eine herkömmliche industrielle Fertigung und Montage nicht mehr ohne weiteres möglich ist.

Ein Mikrosystem ist ein mittels Mikrotechnik hergestelltes, miniaturisiertes, technisches, offenes und triviales System, welches wandelnde, regelnde, steuernde sowie informationstechnische Funktionen erfüllt. Mindestens eine der 3 Dimensionen muss die Größenordnung von Mikrometern aufweisen [HTA06].

Die folgende Grafik soll verdeutlichen, welche Bereiche in der Mikrosystemtechnik integriert sind:

(Abbildung 1.1: Bereiche der Mikrosystemtechnik [HTA06] - in der Downloadversion enthalten)

Die Montage und Fertigung in der Mikrosystemtechnik stellt stark erweiterte Anforderungen an ihre Umgebung. So sind Reinräume, in denen unter Schutzatmosphäre Computerchips gefertigt und montiert werden, heute keine Ausnahme mehr. Teilweise wird sogar dazu übergegangen, Bauteile unter dem Mikroskop miteinander zu verbinden, da der Mensch mit seinen begrenzten Sinneswahrnehmungen solche Teile nur noch als Staubkörnchen wahrnehmen würde.

In der Montage von Bauteilen setzen die Unternehmen der Mikrosystemtechnik neben der manuellen Montage auf die unterschiedlichsten Arten von Greifern, um Bauteile handhaben zu können. Dabei treffen sie auf Probleme, die ihnen so von der „Fertigung im Großen“ nicht bekannt waren. Bauteile bleiben bspw. aufgrund der Adhäsion nach dem Öffnen eines Backengreifers an diesem haften und können nicht, wie vorgesehen, an der vorher bestimmten Ablageposition abgesetzt werden. Auch sind manche Greifer nicht in allen Arbeitsräumen (Gas, Flüssigkeit, Vakuum) einsetzbar. Weiterhin kann bei der Untersuchung einer Einbausituation eines Bauteils möglicherweise ein Magnetgreifer nicht eingesetzt werden, weil dieser durch sein elektromagnetisches Feld benachbarte, schon eingebaute Bauteile, wie z.B. Chips, beschädigen oder gar zerstören könnte. D.h., bis heute wählt jeder Konstrukteur und Anwender der Mikrosystemtechnik nach dem „Trialnand-Error-Prinzip“ einen geeigneten Greifer für eine Montageaufgabe aus. Es gibt bis jetzt noch kein System, nach dem ein Greifer über ein vernünftiges Auswahlverfahren bestimmt wird, der eine bestimmte Aufgabe am besten lösen würde. Im Folgenden sollen diese Probleme angegangen werden.

1.2 Zielsetzung

In der Mikrosystemtechnik kommt es zu Effekten, die in der klassischen Montage aufgrund der größeren Massen nicht auftreten. So ziehen sich Objekte aufgrund parasitärer Kräfte untereinander an bzw. stoßen sich bei gleicher Ladung voneinander ab. Dadurch wird insbesondere eine genaue Platzierung von Bauteilen durch Greifer erschwert, weil die Bauteile beim Anheben mit dem Werkstückträger und beim Absetzen mit der Ablage interagieren.

Da hierzu nur Sonderlösungen aus der Makromontage herangezogen werden können, ist es vonnöten, eine neue Methodik, bzw. ein Verfahren zu entwickeln, welches genau dieses Problem angeht und eine Planung der Handhabungsmittel in der Mikromontage ermöglicht.

Zum Verständnis der Problematik der Mikrohandhabung sollen im ersten Teil der Arbeit ausführlich die Grundlagen und der Stand der Technik ermittelt werden. Darauf aufbauend soll dann mit Hilfe der Feature-Technologie eine Datenbank entwickelt werden, mit der ein geeigneter Greifer für eine bestimmte Montageaufgabe gefunden werden soll. Über eine Aufteilung des Lösungsweges in Bauteil, Ablage, Werkstückträger und Arbeitsraum und deren Schnittstellen soll der Greifer am Ende des Verfahrens konstruierbar sein. Dies geschieht unter Beachtung der Störeffekte in der Mikrosystemtechnik.
Im zweiten Teil der Arbeit soll der Vakuumgreifer, nachdem er theoretisch betrachtet worden sein wird, einiger Versuche unterzogen werden. So sollen von verschiedenen Bauarten von Sauggreifern, die sich in Außendurchmesser bzw. Anzahl der Saugbohrungen unterscheiden, deren Verhalten im Zusammenwirken mit mannigfachen Oberflächen untersucht werden, um so Rückschlüsse auf Saugkraft und Haftungsverhalten mit Objekten ziehen zu können.

1.3 Aufbau der Arbeit

In Kapitel 2 werden die Grundlagen der Arbeit abgehandelt; hierzu zählen die Feature-Technologie, anhand derer die einzelnen Komponenten der Greifplanung beschrieben werden, die Unterscheidung von Merkmal, Eigenschaft, Feature und Attribut. Weiters werden die mikrosystemtechnischen Probleme wie Adhäsion, Bildverarbeitung in Mikromontage und auch die hohen Beschleunigungen betrachtet.

Im Kapitel Stand der Technik (Kapitel 3) werden die unterschiedlichen Greiferarten näher erläutert und wie Bauteile in der Mikromontage aussehen. Ferner werden noch der Arbeitsraum, die Montagesituation und der Werkstückträger erläutert.

Kapitel 4 beginnt mit einer Erklärung zum Modellgreifprozess als Wirkung des Greifers auf das Bauteil über eine Kontaktfläche. Dieser folgend werden die am weitesten verbreiteten Greifer der Mikrosystemtechnik erläutert. Daraufhin werden die Features der fünf Teilbereiche (Greifer, Bauteil, Ablage, Werkstückträger und Arbeitsraum) dargelegt und deren Bereiche vertieft. Hier werden die zu beachtenden Parameter soweit wie möglich geprüft bzw., es wird erklärt, wie die einzelnen Parameter entstanden sind respektive erzeugt wurden.

Anschließend werden aus den greiferbestimmenden Teilbereichen Schnittstellen erstellt, die einander beeinflussen. Daraus folgen 3er-Schnittstellen aus Bauteil-Ablage-Arbeitsraum bzw. Bauteil-Werkstückträger-Arbeitsraum, die genauer zum richtigen Greifer hindeuten.

Diese Schnittstellen leiten dann einen Ansatz ein, der nur noch ein paar Schnittmengen untersucht, die die Unmengen von Parametern einigermaßen einschränken und so die „reinen“ Daten daraus ableiten. Daraufhin wird exemplarisch eine Greifplanung durchgespielt, in der alle Attribute und deren Werte abgearbeitet werden, so dass sich am Ende ein Greifer darbietet, der die an ihn gestellte Aufgabe erfüllt.
Um die Versuche einzuleiten, werden mathematische und (strömungs-)mechanische Betrachtungen zu Greifern und explizit zum Sauggreifer angeführt; dieser wird dort noch einmal ausführlich erklärt und untersucht, weil seine Wirkung in Bezug auf poröse Bauteile von großem Interesse ist.

Diesen theoretischen Untersuchungen schließen sich dann die Versuche zum wichtigsten Greifer der Mikrosystemtechnik dem Sauggreifer an, um dessen Verhalten mit unterschiedlichen Oberflächen bzw. Bohrungen in Musterbauteilen beurteilen und daraufhin Aussagen treffen zu können, welche Art von Sauggreifer, wann und wie am besten einsetzbar ist.
Kapitel 5 schließt dann die Arbeit mit der Zusammenfassung und den Schlussbemerkungen ab.

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