Planungsmethodik zur Bestimmung der Handhabungsmittel in der Mikromontage


Diplomarbeit, 2006

114 Seiten, Note: 1,0


Leseprobe

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Feature-Technologie
2.1.1 Definition
2.1.2 Feature-Erzeugung
2.1.3 Microfeatures
2.2 Unterscheidung von Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut
2.3 Mikrosystemtechnisc he Probleme
2.3.1 Störkräfte in der Mikromontage
2.3.2 Auswirkungen der Beschleunigung in der Mikromontage
2.3.3 Luftwiderstand während des Transports
2.3.4 Bildverarbeitung in der Mikromontage

3 Stand der Technik
3.1 Greifer in der Mikrosystemtechnik
3.1.1 Greifer zum Handhaben von Objekten
3.1.2 Greifen in der Mikrosystemtechnik
3.2 Bauteile in der Mikrosystemtechnik
3.3 Arbeitsräume in der Mikrosystemtechnik
3.4 Montage in der Mikrosystemtechnik
3.5 Werkstückträger in der Mikrosystemtechnik

4 Eigener Ansatz
4.1 Modellgreifer in der Mikromontage
4.1.1 Greifer – Kontaktfläche – Bauteil
4.1.2 Unterschiedliche Greifertypen
4.2 Features der fünf Teilbereiche
4.2.1 Bauteilfeatures durch DIN-Adaption
4.2.2 Ablagefeatures
4.2.3 Arbeitsraumfeatures
4.2.4 Werkstückträgerfeatures
4.2.5 Greiferfeatures
4.3 Schnittstellen von Bauteil, Ablage, Werkstückträger, Arbeitsraum und Greifer
4.3.1 2er-Schnittstellenanalyse
4.3.2 3er-Schnittstellen
4.4 Die greiferbestimmenden Schnittstellen
4.4.1 Bauteil (1)
4.4.2 Bauteil – Ablage (2)
4.4.3 Bauteil – Werkstückträger (3)
4.4.4 Arbeitsraum (4)
4.5 Den richtigen Greifer finden – ein Beispiel
4.6 Mathematischer Hintergrund der Feature-Zusammenhänge
4.6.1 Kräfte und Momente zwischen Greifer und Bauteil
4.6.2 Haltekräfte des Vakuumgreifers
4.7 Versuche zur Greifkraft beim Sauggreifer
4.7.1 Versuchsaufbau und Greifertypen
4.7.2 Die Saugkraftversuche
4.8 Ergebnisse

5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick
5.3 Quellenverzeichnis
5.4 Abbildungsverzeichnis
5.5 Tabellenverzeichnis

A Anhang (Abkürzungen)

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Bereiche der Mikrosystemtechnik [HTA06]

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 „Trial-and-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.

2 Grundlagen

In diesem Abschnitt werden die für diese Arbeit relevanten Grundlagen wie Feature-Technologie, Unterscheidung von Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut und die Probleme in der Mikromontage erläutert.

2.1 Feature-Technologie

2.1.1 Definition

Features stellen ein Hilfsmittel zur Konstruktion dar. Sie sollen den Konstrukteur bei seiner Arbeit unterstützen und ihm dabei helfen, das gewünschte Ergebnis zielgerichtet zu erreichen. Mit der Zeit hat sich die Feature-Technologie aber vom reinen Konstruktionsmittel hin zu einer Beschreibungsmethode des ganzen Produktlebenszyklus entwickelt. Anhand der Features werden im Produktlebenszyklus genau die Phasen näher beschrieben und mit Wissen gefüllt, die für die jeweilige Anwendung im Moment von Relevanz sind. In anderen Phasen können andere Features wieder wichtig sein, die zuvor noch keine Rolle gespielt haben.

Um einen kurzen Überblick über den Nutzen von Features zu geben, werden folgende Stichpunkte angegeben werden:

- Aggregation von Elementen (Flächen- oder Volumenverbänden) mit der Möglichkeit des Hinzufügens einer Semantik
- Abbildung und Wiederverwendung von Expertenwissen (Bindeglied zur Wissensverarbeitung)
- Integration rechnerunterstützter Prozessketten

Features stellen also nicht nur die Geometrie eines Objektes dar, sondern zeigen auch Schnittstellen zu anderen Bauteilen oder Objekten auf. Hinzu kommt noch Information, die weit über die geometrischen Eigenschaften hinausgeht. So kann bspw. der Werkstoff oder die Farbe als Merkmal eines Produktes zum Feature für die jeweilige Produktlebensphase werden. Die [VDI2218] gibt folgende Definition zum Begriff des Features an:

Features sind informationstechnische Elemente, die Bereiche von besonderem (technischen) Interesse von einzelnen oder mehreren Produkten darstellen.

Zudem gibt es nach VDI-Richtlinie 2218 mehrere Arten von Features:

Form-Feature

Form-Features sind Struktur-orientierte Gruppierungen geometrischer Elemente, also eine formalisierte Aggregation von Gestalteigenschaften innerhalb eines Produktmodells (häufig reduziert auf geometrische Eigenschaften), die unter einem gemeinsamen Namen erzeugt, gespeichert, geändert und gelöscht werden können.

Form-Features eignen sich insbesondere dazu, häufig wiederkehrende Geometrien einfach zu generieren. Weitere Möglichkeiten ergeben sich durch die Verbindung von Form-Features mit weiteren Eigenschaften aus einer anderen Eigenschaftsklasse (Hinterlegung einer Semantik).

Semantische Features

Unter einem Semantischen Feature wird in der Regel die Verbindung eines Form-Features mit weiteren Eigenschaften aus einer anderen Eigenschaftsklasse verstanden. Die Semantik ist dabei die in der jeweiligen Phase des Produktlebenszyklus interpretierbare Bedeutung.

Anwendungsfeatures für die Konstruktion, Fertigung und Arbeitsplanung

Ein Anwendungs-Feature ist innerhalb einer speziellen Sichtweise definiert. Da eine Sichtweise gewöhnlich aus einer oder mehreren Phasen des Produktlebenszyklus abgeleitet wird, versteht man unter einem Anwendungs-Feature eine Informationseinheit, die eine funktionale Einheit innerhalb dieses Bereichs darstellt. Daher sind nur Eigenschaften, die in diesen Phasen von Interesse sind, Bestandteil des Anwendungs-Features. Dementsprechend sind die Eigenschaften und Strukturen verschiedener Anwendungs-Features nicht kongruent.

Compound-Feature

Neben dem Aufbau von Form-Features aus Geometrieelementen ist auch die Generierung von komplexeren Features aus einem oder mehreren Features und weiteren Geometrieelementen möglich. Eine solche Kombination bezeichnet man vielfach als Compound Feature. Damit ist der Aufbau von Feature-Hierarchien möglich [VDI2218].

Relations-Features

Beziehungen zwischen Features stellt man am besten über spezielle Relations-Features dar, die nur die Beziehungen selbst aber keine geometrischen Informationen enthalten. Man erhält dadurch mehr Flexibilität, da man die Relationen beliebig verändern kann, ohne weitere Daten anpassen zu müssen. Nachdem nun die Definitionen der verschiedenen Features bekannt sind, ist es einfacher, den eigentlichen Sinn und Verwendungszweck der Feature-Technologie zu verstehen. Features sollen helfen, den am Prozess Beteiligten eine bessere Vorstellung von der Gestalt und den Abhängigkeiten der einzelnen Strukturen eines Produkts zu geben. Es soll auf einen Blick ersichtlich sein, welche Prozessschritte nötig sind und unter welchen Bedingungen diese ablaufen müssen, um ein Produkt mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Das Erkennen der nötigen Prozessschritte kann einerseits durch Menschen erfolgen, in einer weiterentwickelten Umgebung kann dies aber auch durch das System selbst erfolgen, wenn nämlich ein Feature nicht nur passives Wissen enthält (erklärende Information, zusätzlich zu den geometrischen Daten), sondern ein wissensbasiertes System eingesetzt wird, das aktiv Wissen verarbeitet. Hier sind sich die Features sozusagen ihres Informationsgehaltes ‚selbst bewusst’ und können somit auf den Prozess aktiv einwirken. Ein Beispiel: Bei der Kombination zweier Elemente wird eines der beiden automatisch modifiziert, da es erkennt, dass es in Zusammenhang mit dem anderen Element nicht seine ursprüngliche Form beibehalten kann. Jetzt wird auch ersichtlich was für einen Nutzen Features für das Unternehmen bringen. Durch ein schnelles, möglichst automatisiertes Erkennen von Eigenschaften und Bedingungen, die ein Produkt oder ein Produktteil hat, kann sowohl die Produktentwicklung als auch die Herstellung beschleunigt werden. Dies geschieht immer unter der Prämisse, dass die Qualität nicht darunter leiden darf. Bei einer komplexer werdenden Produktstruktur fällt es dem Menschen immer schwerer alle Details zu beachten. Nur unter Zuhilfenahme der Informationstechnik kann die time to market für moderne Produkte weiter verkürzt werden. Die Feature-Technologie ist eine geeignete Basis dafür.

2.1.2 Feature-Erzeugung

Für diese Arbeit sind nur benutzerspezifische Features wichtig, deswegen wird auch nur deren Erzeugung im Folgenden dargestellt.

Für nicht in einer Bibliothek erfasste Features sollte es die Möglichkeit geben, neue Features zu erstellen. Somit kann der Benutzer für jede Ausprägung des Modells ein geeignetes Feature erstellen und ist nicht nur auf Standard-Features angewiesen, die das System zur Verfügung stellt. Die Erstellung hat folgenden Verlauf [Non06]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Erstellung von benutzerspezifischen Features [VDI2218]

Aus der Darstellung der verschiedenen Möglichkeiten zur Feature-Erzeugung mag deutlich werden, welcher Aufwand durch die Feature-Technologie entsteht. Wenn ein Unternehmen mit einem breiten Produktspektrum diese Technologie einführen möchte, so sind zunächst einmal sehr große Probleme zu lösen. Die Erstellung einer Feature-Bibliothek benötigt neben dem großen Zeitaufwand nämlich auch dementsprechendes Fachwissen und kann deshalb nur von qualifizierten Mitarbeitern und unter Einbeziehung aller Beteiligten geschehen. Die großen Datenmengen, meist inkompatible Datenverarbeitungssysteme in den verschiedenen Abteilungen und oft vorhandene Trägheiten in eingefahrenen Prozessen stellen eine große Hürde für die Einführung der Feature-Technologie dar. Wenn diese aber erst einmal überwunden ist, kann sich die Verwendung von Features als ein Wettbewerbsvorteil zeigen. Es wird betont, dass nur eine Einführung von Features entlang möglichst der ganzen Prozesskette diesen Vorteil voll zur Geltung bringt. Wenn man sich Features als Hilfsmittel zur Fehlervermeidung vorstellt, so wird einem schnell klar, warum eine möglichst breite Einführung der Feature-Technologie nötig ist. Beispielsweise sind in einem Feature Angaben zum Messverfahren enthalten. Dadurch ist diese Information dem Konstrukteur schon bekannt und er kann die anderen Gestaltungsmerkmale so auslegen, dass sie möglichst auch mit diesem Verfahren geprüft werden können. Mögliche Probleme werden so schon antizipiert und Erfahrungswissen aus den, der aktuellen Phase nachgelagerten, Phasen weitergegeben. Bei einer Verwendung der Features als reinem Konstruktionshilfsmittel, ist diese Antizipation nicht möglich. Dies ist umso wichtiger, als bei immer kürzeren Entwicklungszyklen Probleme so früh wie möglich erkannt werden müssen, um möglichst wenige Nachbesserungen in den schon getroffenen Entscheidungen machen zu müssen (Schleifen im Prozess). Des Weiteren besteht ein Vorteil der Feature-Technologie in einer besseren Dezentralisierbarkeit des Entwicklungsprozesses. Die Datenbank (Bibliothek) kann in einem Netzwerk verfügbar gemacht werden und somit können einerseits Beteiligte an verschiedenen Orten an einem Projekt arbeiten, andererseits haben alle immer die aktuellen Informationen zur Verfügung, da Ergebnisse etwa aus der Qualitätssicherung dem Konstrukteur sofort zur Verfügung stehen [Non06].

Sind dann die benötigten Features erzeugt worden, können diese in eine Datenbank aufgenommen werden, aus der der Benutzer später entsprechend auswählen kann, um sein spezifisches System darzustellen.

2.1.3 Microfeatures

Da Bauteile in der Mikrosystemtechnik einer höheren Komplexität unterliegen, müssen für diesen Bereich spezielle Features, also Microfeatures definiert werden. Elsner [Els03] überwindet in ihrer Arbeit die strikte Trennung der semantischen Aspekte in Eigenschaftsklassen und Produktlebenszyklus, wie sie für Features in der VDI-Richtlinie 2218 definiert sind und bietet einen, den Besonderheiten der Mikrobauteile entsprechenden, holistischen Ansatz.

Definition Microfeature:

Geometrisches Funktionselement

1. Funktionelle Anforderungen aus der Konstruktion: Oberflächenrauhigkeiten, Form-, Maß- und Lagetoleranzen, Festigkeiten
2. Mikrofertigungsspezifische Prozess- und Produktdaten
3. Mikrofertigungs-Constraints (Maschinen-, Werkzeug-, Messgerätedaten)
4. Definierte Messdatenregelung für geometrische Merkmale

Microfeatures stellen als integrierende, prozessdurchgängige Informationsobjekte die Wissensträger entlang der Prozesskette dar. Von entscheidender Bedeutung ist der ganzheitliche Ansatz der Microfeatures. Erst mit dem durchgängigen und prozessübergreifenden Einsatz entlang der Prozesskette des Produktentstehungsprozesses kann sich das gesamte Nutzenpotenzial dieser mikrospezifischen Featuretechnologie entfalten. In diesem Zusammenhang realisieren Microfeatures die Speicherung und Zuordnung von Prozesswissen und gewonnener Prozesserfahrung. Darüber hinaus ermöglichen sie die gezielte Unterstützung der Entwicklung und Konstruktion von Mikrobauteilen durch Hinweise auf problematische Microfeatures aus herstellungstechnischer Sicht unter gleichzeitiger Abbildung in ihrem zeitabhängigen, mirkospezifischen Kontext [Els03].

Aus dieser Idee heraus soll im weiteren Verlauf das Zusammenwirken der Features mehrerer Bereiche der für die vorgegebene Montageaufgabe passende Greifer in der Mikrosystemtechnik gefunden werden. Im Folgenden werden nun die Eigenschaft, das Merkmal, das Feature und das Attribut erklärt. Anhand dieser Begriffe wird dann in Kapitel 4 eine Greifplanung aufgebaut. Dies ist nötig, um später insbesondere mit den Features und Attributen, Werte zu erhalten, mit denen ein Greifer entwickelt werden kann. Die Begriffe Eigenschaft und Merkmal schließen dagegen einen größeren Bereich der Beschreibung von Objekten ein, der im Allgemeinen die hier verlangte Aufgabenlösung zu ausgedehnt und ungenau beschreiben würde und so die Anforderungen nicht genau erfüllt. Denn nur Feature und Attribut, wie im Folgenden erläutert wird, beschreiben die gewünschten Objekte hinreichend genau.

2.2 Unterscheidung von Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut

In dieser Arbeit werden die vier Begriffe Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut verwendet. Für eine genauere Unterscheidung werden im Folgenden die Begriffe und deren Bedeutung genauer erläutert. Auch der Begriff Feature wird noch einmal aufgegriffen, um im Gesamtzusammenhang der vier Begriffe zu stehen.

Begonnen wird mit dem allgemeinsten der vier Begriffe:

Eigenschaft

Die Eigenschaft bezeichnet allgemein ein realisiertes Merkmal, eine Funktion, ein Attribut oder eine Qualität, die einer Klasse von Objekten, Prozessen, Relationen, Ereignissen, einer Handlung, einer Person oder Personengruppe gemeinsam ist und sie von anderen unterscheidet. In der Informatik bezeichnet die Eigenschaft bei vielen objektorientierten Sprachen ein Attribut einer Klasse. In Bezug auf Stoffe beschreibt sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften näher.

Um Objekte mit bestimmten Eigenschaften zu klassifizieren, muss Folgendes beachtet werden:

Die festgestellte Gleichheit zweier oder mehrerer Objekte bezüglich einer Eigenschaft besagt noch nichts im Hinblick auf die Gleichheit oder Ungleichheit dieser Objekte hinsichtlich anderer Eigenschaften aus. Objekte mit einer oder mehreren gleichen Eigenschaften (das heißt wesentlichen Eigenschaften, die eine Bestimmtheit beziehungsweise Unterscheidung zulassen) lassen sich zu entsprechenden Objektklassen vereinigen. Dabei sind theoretisch drei Fälle zu unterscheiden:

1. Die Objekte verfügen über einen endlichen Katalog von Eigenschaften. Die zu konstituierende Objektklasse soll alle Eigenschaften berücksichtigen. Dies führt zwangsläufig zur Ununterscheidbarkeit aller merkmalsgleichen Objekte einer Klasse.

Als Beispiel sei hier die Eigenschaft genannt, dass die Objektklasse rot sei. Dies als einzige Eigenschaft, lässt die Objekte nicht weiter unterscheiden, wenn alle Objekte rot sind. Es kann z.B. nichts über die Art der Oberflächenbeschaffenheit gesagt werden, ob diese evtl. matt oder glänzend ist. Auch eine Differenzierung nach der Geometrie ist nicht mehr möglich.

2. Die Objekte verfügen über einen endlichen Katalog von Eigenschaften, aber die zu konstituierende Objektklasse soll lediglich einen Teil dieser Eigenschaften berücksichtigen. Dies gestattet die Unterscheidung merkmalsgleicher Objekte einer Klasse auf Grund der in der Klassifizierung nicht berücksichtigten Eigenschaften.

Die Objektklasse bezeichnet die Farbe rot, alle Objekte sind rot. Aber es kann noch weiter unterschieden werden. Hier sei als Beispiel die geometrische Form als Eigenschaft genannt, die sich bspw. in Kugeln, Würfel, Ringe usw. darstellt. Die Objekte sind zwar merkmalsgleich in der Objektklasse Farbe, lassen sich aber doch auf Grund ihrer Geometrie weiter unterscheiden.

3. Die Objekte verfügen über einen mindestens potentiell unendlichen Katalog von Eigenschaften. Jede zu konstituierende Objektklasse kann aber bei der Realisierung lediglich einen endlichen Teil dieser Eigenschaften berücksichtigen. Bei zusätzlich angenommener Nichtwiederholbarkeit eines in allen Merkmalen gleichen Objekts (das heißt solch ein Objekt mit den gleichen Eigenschaften existiert in jeder Objektklasse genau einmal) ist die Individualisierbarkeit der Objekte gesichert [Wik06/3].

Ein Objekt lässt sich durch die Eigenschaften wie geometrische Form, Radius, Farbe, Oberflächenbeschaffenheit, Werkstoff, Herkunft des Werkstoffes, Herstellungsart, Alter usw. näher beschreiben. Um weitere Eigenschaften zu finden, kann durchaus auch die atomare Struktur untersucht werden. Es lassen sich also potentiell unendlich viele Eigenschaften finden. So ist jedes Objekt gegenüber anderen individualisiert.

Da vielen Definitionen zufolge jedes Ding unendlich viele Eigenschaften hat, kommt praktisch nur der dritte, schwierige Fall in Frage.

Merkmal

Nun soll der Begriff Merkmal näher erläutert werden, der einer Betrachtung, wie sie in dieser Arbeit angestrebt wird, schon näher kommt. Ein Merkmal oder Charakteristikum im philosophisch-logischen Sinn ist Bestandteil eines Begriffs; Begriffe zerfallen in ihre Merkmale. Merkmale werden in wesentliche bzw. unwesentliche Merkmale eingeteilt, wobei der Einteilungsgrund in der Regel außerlogischer Natur, d.h. durch spezielle Begriffsanalysen gerechtfertigt ist. Ein wesentliches Merkmal nennt man mitunter auch ein notwendiges Merkmal, ein unwesentliches Merkmal dann ein akzidentielles oder zufälliges. Ein Merkmal heißt kennzeichnend oder charakteristisch, wenn es seinen Begriff notwendig bestimmt (z.B. "Nässe" für "Wasser"). Ein unterscheidendes Merkmal (Differentia specifica) grenzt einen Begriff gegen andere ab. Gegenstände fallen unter einen Begriff, indem sie dessen Merkmal/e zu Eigenschaften haben. Diese allgemeine Bedeutung wird in verschiedenen Fachbereichen weiter differenziert [Wik06/4].

So ist bspw. das Merkmal Farbe für die Frage, ob ein Teil mit einem Magnetgreifer anhebbar ist, unwesentlich. Anders verhält es sich da schon mit dem Merkmal Werkstoff. Wichtig ist zu wissen ob dieser ferromagnetischer oder anderer Art ist. Denn der Werkstoff entscheidet letztlich, ob ein Teil mit solch einem Greifer manipulierbar ist.

Feature

Nun muss als vorletzter und wichtigster Begriff, der des Features erläutert werden. Bauen doch auf seiner Verwendung einige hier verwendete Theorien und Praktiken auf. Die VDI 2218 schreibt hierzu:

Features sind informationstechnische Elemente, die Bereiche von besonderem (technischen Interesse von einzelnen oder mehreren Produkten darstellen. Ein Feature wird durch eine Aggregation von Eigenschaften eines Produkts beschrieben. Die Beschreibung beinhaltet die relevanten Eigenschaften selbst, deren Werte sowie deren Relationen und Zwangsbedingungen (Constraints). Ein Feature repräsentiert eine spezifische Sichtweise auf die Produktbeschreibung, die mit bestimmten Phasen des Produktlebenszyklus im Zusammenhang steht. Das bedeutet, dass in einem Feature gewissermaßen nur die in einem bestimmten Kontext relevanten Eigenschaften des Produkts herausgefiltert werden. Eine Unterteilung in Eigenschaftsklassen und in die Phasen des Produktlebenszyklus ist notwendig für eine exakte Definition und Klassifikation der verschiedenen Feature-Arten.

Feature ist eine Aggregation von Geometrieelementen und/oder Semantik.

Ein Feature ist damit eine rein technische Betrachtung eines Objektes. Zusätzlich zu deren eigenen Eigenschaften werden noch Relationen von Objekten untereinander betrachtet. Da immer nur bestimmte Phasen des Produktlebenszyklus betrachtet werden, ändern sich Features eines Objektes über diese Phasen hinweg. Neben der reinen Geometrie spielt die Semantik des Objekts noch eine wichtige, weiter beschreibende Rolle. Hier wird Information eines Objektes weitergegeben, die nicht aus der Geometrie ersichtlich ist. Durch die Verwendung von Relationen und Constraints kann der Benutzer Bedingungen zwischen Objekten formulieren. Diese Bedingungen ermöglichen es z.B. Abhängigkeiten von Bohrungen und Wellen zu definieren. Wird die Welle in ihrem Durchmesser geändert, ändert sich auch in gleicher Weise die Bohrungsgröße. Durch diese Verbindung wird es für den Benutzer einfacher, Veränderungen in der Konstruktion vorzunehmen, ohne danach eine zeit- und arbeitsaufwändige Kontrolle seiner Anpassungen durchzuführen, die durch diesen Aufwand durchaus zu Fehlern neigen würde [VDI2218].

Attribut

Um nun in den informationstechnischen Sektor einzusteigen, ist es von Nöten, das Attribut genauer unter die Lupe zu nehmen:

Ein Attribut (v. lat: attribuere = zuteilen, zuordnen) wird gemeinhin als die Zuordnung eines Merkmals zu einem konkreten Objekt verstanden. Ein Attribut definiert und beschreibt ein konkretes Objekt. Zu einem Attribut gehört weiter ein ihm zugeordneter Wert, der Attributwert.

Merkmal "Farbe" ist das Attribut, das beschrieben werden soll, "Grün" wäre ein dazugehörender Wert, der die Farbe noch genauer definiert.

Die zuordenbaren Werte werden häufig eingegrenzt, der Wertbereich also vordefiniert, d.h. nur einige vorher festgelegte Möglichkeiten der Zuordnung sind erlaubt. Dies hat den Vorteil einer eindeutigen Zuordnung und einer einheitlicheren Sprache. Außerdem erspart es viel Arbeit beim Zuordnen.

Attribut "Farbe", Attributwertebereich "Rot, Blau, Grün, Gelb"

Ein vordefinierter Wertebereich wird als "Vokabular" eines Attributs bezeichnet. Es gibt bereits verschiedene Modelle für solche Vokabulare, die auf verschiedene Weise versuchen, ein Themengebiet präzise zu beschreiben und zu repräsentieren. Beispiele sind Ontologie, Thesaurus oder Taxonomie. In dieser Arbeit wird später das Attribut „Geometrische Form“ eines Bauteils vorkommen. Als Attributwertebereich werden die folgenden neun Werte angegeben: Kugel, Scheibe, Ring, Quader, Prisma, Zylinder, Hohlzylinder, Platte und Membran. Das Merkmal „Geometrischen Form“ wird also durch diesen Wertebereich in seiner Beschreibungsvielfalt eingeschränkt, wodurch sich das Merkmal zum Attribut wandelt [Wik06/5].

Zur Verdeutlichung der Abhängigkeit soll folgende Abbildung beitragen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Zusammenhang von Eigenschaft, Merkmal, Feature und Attribut

So lässt sich nach genauer Betrachtung sagen, dass der Begriff der Eigenschaft durch den Begriff des Merkmals eingeschränkt wurde. In der weiteren technischen Anwendung wird nun das Feature, welches selbst Merkmale darstellt, für die nach ihm benannte Technologie verwendet. Hier ist darauf zu achten, dass sich diese Merkmale allerdings über die Phasen des Produktlebenszyklus ändern und nicht ständig erhalten bleiben. Das Attribut dagegen kann durchaus das Feature für eine bestimmte Phase beibehalten. Durch den Begriff des Attributs wird dem Feature ein Attributwertebereich zugewiesen. Es gibt also nur eine gewisse Anzahl von Möglichkeiten, aus denen ausgewählt werden kann. Gerade für eine informationstechnische Verarbeitung wird dies im Folgenden von großer Relevanz sein.

2.3 Mikrosystemtechnische Probleme

In der Mikrosystemtechnik treten einige Effekte auf, die in der Makromontage keine bzw. nur eine untergeordnete Rolle spielen, da durch die Größe und Masse der dort verwendeten Bauteile und Baugruppen diese Effekte nicht zu Tage treten können. Im folgenden Abschnitt werden diese Effekte genauer betrachtet.

2.3.1 Störkräfte in der Mikromontage

In der Mikromontage zeigen sich, im Gegensatz zur Makromontage, Effekte und Interaktionen zwischen Objekten, die für die genaue Montage und Verbindung von Bauteilen und auch dem Lösen des Bauteils vom Greifer sehr hinderlich sein können. Diese Effekte werden größer, je kleiner ein zu handhabendes Objekt wird. Aufgrund dieser Effekte ist eine Anpassung von Manipulationskonzepten aus dem Makrobereich in den Bereich der Mikrosystemtechnik nur teilweise möglich. Diese Störkräfte werden allgemein unter dem Begriff der Adhäsion zusammengefasst. Hierbei kommt es zum nicht gewollten Anhaften von Objekten untereinander oder auch an Greifern. Teilweise sind diese Kräfte größer als die Gewichtskraft eines zu montierenden Bauteils. So stellt sich also das Problem, dass die Kraft zwischen einem Greifer und einem Bauteil in Folge der Adhäsion so groß ist, dass dieser das Bauteil nicht ablegen und damit nicht genau montieren kann. Beim Abrücken kann es so zu einer Verschiebung des Objektes kommen, da dieses noch am eigentlich geöffneten Greifer haftet. Das Bauteil ist somit nicht mehr an dem ihm vorherbestimmten Ort, was dazu führt, dass eine weitere Montage, anderer Bauteile, schwierig oder gar unmöglich wird. Es sind also entsprechende Vorkehrungen zu treffen, die solche Effekte ausschließen oder wenigstens dahingehend minimieren, dass eine ausreichend sichere Montage möglich ist [Fat00].

- Elektrostatische Kraft
- Van-der-Waals-Kraft
- Kapillarkraft

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Am Greifer haftende Bauteile [Oh98]

Ein bekanntes Internetlexikon schreibt zum Begriff der Adhäsion:

Die Adhäsion (auch Anhangskraft) bezeichnet die Zusammenhangskräfte zwischen den Molekülen zweier verschiedener Stoffe bzw. das Haften zweier Stoffe oder Körper aneinander [Wik06/1].

In den folgenden Abschnitten werden die drei dafür verantwortlichen physikalischen Effekte genauer beschrieben:

2.3.1.1 Elektrostatische Kraft

Diese Kräfte entstehen durch unterschiedliche Elektronenaustrittsenergien.

Ein Überschuss an Elektronen kennzeichnet die negative Ladung und bildet den Minuspol; entsprechend kennzeichnet ein Mangel an Elektronen die positive Ladung und bildet den Pluspol. Bei hinreichend hoher Temperatur ist ein Elektronenaustritt möglich, z.B. aus einer Metalloberfläche in das Vakuum. Diese Elektronenaustrittsenergie ist für die einzelnen Stoffe unterschiedlich groß, bei solchen mit freien Leitungselektronen (z.B. Metallen) ist sie geringer als bei Isolierstoffen. Werden nun zwei Körper aus verschiedenen Werkstoffen von gleicher Temperatur in mechanischen Kontakt zueinander gebracht (Abstand in der Größenordnung von Nanometern), so erfolgt – nach Maßgabe der diesen Stoffen als Eigenschaft zugeschriebenen Elektronenaustrittsenergien – innerhalb einer gemeinsamen Grenzschicht ein Elektronenübertritt, durch den das thermodynamische Gleichgewicht wiederhergestellt wird [Lüt93].

Im kommenden Absatz wird die Helmholtz-Doppelschicht erwähnt. Zur Erklärung derselben, sei folgendes erwähnt:

In der Regel versteht man darunter die Grenze zwischen einem Elektronenleiter (der Elektrode) und einem Ionenleiter (dem Elektrolyten). Heute wird dafür statt „Doppelschicht“ oft die längere, aber allgemein gültige Bezeichnung „Phasengrenze Elektrode-Elektrolyt“ verwendet, da sie unabhängig von der tatsächlichen Ladungsverteilung und damit unabhängig von dem zur Beschreibung verwendeten Modell stets korrekt ist. Auch an der flüssig-flüssig-Phasengrenze nicht mischbarer Elektrolyten tritt eine „Doppelschicht“ auf.

In der gemeinsamen Grenzschicht wird eine Helmhotz-Doppelschicht ausgebildet. In dieser vereinfachten Darstellung wandern die Elektronen von dem Stoff mit der kleineren Elektronenaustrittsenergie (Donator) zu dem Stoff mit der größeren Elektronenaustrittsenergie (Akzeptor) und laden ihn negativ auf. Ein Gleichgewichtszustand tritt ein, wenn die auf den unterschiedlichen Austrittsenergien beruhende Potentialdifferenz gleich der Potentialdiffernz aus der übergetretenen Ladung ist [Oh98].

Die elektrische Kraft zwischen zwei Ladungsträgern bestimmt sich über das Coulomb-Gesetz:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei ist Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltendie Influenzkonstante (oder auch Dielektrizitätskonstante) mit dem Wert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenund Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltender Abstand der beiden Ladungsträger Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, welche durch zwei Kugeln approximiert werden müssen. Sind die beiden Ladungsträger unterschiedlicher Ladungsart, d.h. positiv bzw. negativ, ziehen sie sich an. Bei gleicher Ladungsart, also beide bspw. positiv, stoßen sie sich ab [Mes02].

Es seien noch die Formeln für unterschiedliche Körper und Paarungen angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Papierschnipsel werden von einer elektrostatisch aufgeladenen CD angezogen

2.3.1.2 Van-der-Waals-Kraft

Die Van-der-Waals-Kraft, benannt nach dem Physiker Johannes Diderik van der Waals, ist eine im Vergleich zur Atombindung und Ionenbindung schwache Kraft. Sie tritt grundsätzlich immer auf, macht sich allerdings nur bei Abwesenheit der letztgenannten Kräfte bemerkbar. Die Bindungsenergie kann durch das Lennard-Jones-Potenzial näherungsweise berechnet werden [Wik06/2].

Das Lennard-Jones-Potenzial (nach John Lennard-Jones) ist ein Begriff aus der physikalischen Chemie. Das Lennard-Jones-Potenzial beschreibt die Wechselwirkung sowohl zwischen ungeladenen Teilchen in der Gas- und Flüssigphase als auch in einem Edelgaskristall (ein Kristall bestehend aus Edelgasen). Geht man in einem idealen Gas noch von keinerlei Interaktion zwischen Teilchen (Molekülen oder Atomen) aus, ist dies für reale Gase nicht mehr der Fall. Hier müssen sowohl anziehende als auch abstoßende (repulsive) Effekte berücksichtigt werden.

So überwiegen in großer Entfernung die anziehenden Kräfte, ab einer bestimmten Entfernung zweier Teilchen zueinander beginnt der repulsive Anteil zu überwiegen und steigt extrem schnell an. Es handelt sich bei den anziehenden Kräften vor allem um van-der-Waals-Kräfte, aber auch um permanente Dipol-Dipol-Wechselwir-kungen. Die repulsiven Kräfte kommen durch Pauli-Repulsion zustande, sind also da-durch bedingt, dass sich Elektronen mit gleichem Spin abstoßen, wenn die gleichen Orbitale übereinander geschoben werden [Wik06/6].

Diese Kraft tritt im Allgemeinen zwischen apolaren Molekülen auf und führt zu einer schwachen Kopplung dieser Moleküle. Die freien Elektronen in einem Molekül können sich frei bewegen, was zu einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung im Molekül führt (temporärer Dipol). Grob beziehungsweise in erster Näherung kann ein Molekül mit Ladungsverschiebung als ein elektrischer Dipol (Zweipol) betrachtet werden. Diese Dipole richten sich aus und gehen eine elektrostatische Wechselwirkung miteinander ein, das heißt der Pluspol eines Dipols induziert beim Nachbarmolekül einen Minuspol. So entsteht dort ein induzierter Dipol [Wik06/2].

[Oh98] gibt in seiner Abhandlung über die Van-der-Waals-Kräfte an, dass es zwei Möglichkeiten der Berechnung dieser Kräfte gibt. Zum einen gibt es eine mikroskopische und zum anderen eine makroskopische Berechnung.

In der mikroskopischen Berechnung wird vom Prinzip der Additivität der Wechselwirkungen von Atom- bzw. Molekülpaaren ausgegangen, so dass die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Körpern durch Integration über alle Atompaare und Moleküle berechnet werden. Diese Vorgehensweise ist auch bekannt als London-Hamaker-Theorie.

Sie geht davon aus, dass sich die Van-der-Waals-Kraft zwischen zwei Partikeln aus der Summe der Wechselwirkungskräfte zwischen den Atompaaren ergibt.

Die makroskopische Berechnung geht von den optischen Eigenschaften der Wechselwirkungen von Körper aus (LIFSCHITZ). Hierbei werden die Van-der-Waals-Kräfte aus dem imaginären Teil der komplexen frequenzabhängigen Dielektrizitätskonstante bestimmt. Lifschitz betrachtet die Dipolwirkung als elektromagnetische Feldeigenschaft. Das System minimalisiert durch Phasenkorrelation seine Energie. Die Phasenkorrelation führt zu Van-der-Waals-Kraft.

Die Berechnungsformeln für ideal glatte Modellkörper sind in folgender Tabelle zusammengestellt, Dabei sind diese weiterhin als starr vorausgesetzt, d.h., es tritt keine Verformung der Haftpartner im Kontaktbereich auf. Die Beziehungen gelten für Abstände a < 50 nm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser induzierte Dipol, der hier bei einem Molekül beschrieben wird, lässt sich natürlich auch auf eine größere Anzahl von Molekülen übertragen. In diesem Fall kommt es dann zu Wechselwirkungen zwischen zwei Körpern. Es kann dann so weit gehen, dass die zwischen diesen beiden Körpern, z.B. ein Greifer und ein Bauteil, wirkende Kraft größer ist, als die Gewichtskraft des Bauteils. In diesem Fall ist ein geordnetes Lösen des Bauteils ohne eine Hilfskraft, die das Bauteil in seiner Ablageposition hält, nicht möglich.

Da in den Formeln nur ideal glatte Flächen also solche, in denen die Kontaktfläche der molekularen Berührungsfläche entspricht, wird in der folgenden Darstellung der Zusammenhang der Haftung mit der Oberflächenrauheit dem Leser näher gebracht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Van-der-Waals-Kraft zwischen einer Kugel mit dem Durchmesser Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenund mit einer halbkugelförmigen Rauhigkeitserhebung (Durchmesser Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten) und einer glatten Platte [Oh98]

Der Spinnenfuß ist ein Paradebeispiel der Natur. Nur durch die feinen Härchen die im nächsten Bild zu sehen sind, kann sich die Spinne an einer Zimmerdecke halten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Spinnenfuß [Why06]

Werden die Härchen in einer weiteren Vergrößerung gezeigt, sind kleine Dreiecke an den Enden der Haare zu erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Vergrößerung der Spinnenfußhaare [Why06]

Da in Chitin (aus diesem Material bestehen die feinen Haare an den Füßen der Spinne) Ladungsverschiebungen, wie sie oben beschrieben wurden, entstehen können und sich die Chitinhaare ideal der Oberfläche anpassen, ist es der Spinne möglich, sich mit einer sehr, sehr hohen Anzahl dieser feinen Haare auch an Decken zu halten. Dies ist nur möglich, weil es immer und überall Ungleichgewichte der Ladungsverteilung gibt. So ist es der Spinne möglich das 173-fache ihres Körpergewichts zu tragen. Damit kann sie auch nur mit einem Bein an der Decke hängen [Why06].

2.3.1.3 Kapillarkraft

Die zwischen den Molekülen einer Flüssigkeit wirkenden Kohäsionskräfte heben sich im Inneren einer Flüssigkeit auf, da jedes Molekül allseitig von gleichartigen Molekülen umgeben ist. An der Oberfläche fehlen die nach außen gerichteten Kräfte.

Da ein System immer den Zustand geringster potentieller Energie einzunehmen versucht, sind Flüssigkeitsoberflächen stets Minimalflächen, z.B. in Form einer Kugel mit der kleinsten Oberfläche unter allen Körpern gleichen Volumens.

Durch das Fehlen nach außen gerichteter Kräfte bei einem Molekül an der Oberfläche entsteht eine resultierende Kraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenins Innere der Flüssigkeit. Um Moleküle gegen diese Kraft an die Oberfläche zu bringen, muss die Arbeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenverrichtet werden. Die Arbeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist proportional zur Oberfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Proportionalitätskonstante Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist definiert als die Oberflächenenergie mit der Dimension Kraft pro Länge, welche bei Flüssigkeiten mit der Oberflächenspannung identisch ist. Um eine Oberfläche beliebiger Form um Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenzu dehnen,

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Haftung zweier benetzter Körper aneinander ist auf das Vorhandensein kapillaren Unterdrucks und der Randkraft längs des Dreiphasenkontakts zurückzuführen. Wie auf dem folgenden Bild zu erkennen ist, stellt sich das ganze als Flüssigkeitsbrücke zwischen (hier vereinfacht angenommen: Kugeln) zwei Körpern dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Geometrie der Flüssigkeitsbrücke [Oh98]

Für die Randkraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenlängs des Dreiphasenkontakts gilt dann

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenund Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenals Benetzungs- bzw. halben Füllwinkel.

Im vorliegenden Fall haben die Hauptkrümmungsradien unterschiedliche Vorzeichen. Ein Unterdruck und damit die Haltekraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltensind dann gegeben, solange

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Das Ergebnis der Funktion Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist in Form eines Diagramms im folgenden Bild dargestellt. Die Haftkraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist hier in Abhängigkeit vom Abstandsverhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalteneiner Flüssigkeitsbrücke zwischen zwei gleich großen Kugeln für vollständige Benetzung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenmit dem feststoffbezogenen Flüssigkeitsanteil Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenals Parameter angegebenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten: Volumen der Flüssigkeit,Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten: Volumen des Festkörpers). Für Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten= 0 und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenergibt sich der MaximalwertAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Relative Haftkraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten in Abhängigkeit vom Verhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalteneiner Flüssigkeitsbrücke bei vollständiger Benetzung [Oh98]

Diese maximale Haftkraft kann z.B. bei Kapillarkondensation sehr kleiner Flüssigkeitsbrücken auftreten. In Abbildung 2.10 ist deutlich zu erkennen, dass bei kleinen Flüssigkeitsanteilen und damit auch kleinen Benetzungswinkeln die relative Haftkraft mit wachsenden bezogenem Abstand steil abnimmt, während die Kurven bei höheren Flüssigkeitsanteilen wesentlich flacher verlaufen.

Wie die Oberflächenrauheit die Kapillarkraft beeinflusst, wird in den folgenden zwei Bildern sehr anschaulich erklärt. Es ist deutlich zu erkennen, dass nicht alle Stellen von einem Tropfen benetzt werden können. So kommt es nur an wenigen Stellen zu Flüssigkeitsbrücken. Die Bindungskraft ist damit nicht so groß [Oh98].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.11: Kapillarwirkung von Wasser [DfP06]

In der Abbildung 2.11 ist deutlich die Kapillarwirkung von Wasser zu erkennen. Je dünner das Röhrchen, also auch je enger zwei Körper zueinander stehen, desto größer ist die Kapillarwirkung. Erkennbar ist damit auch, dass die Kapillarwirkung, wie erwähnt, mit wachsender Entfernung kleiner wird.

Der in der Flüssigkeit mit gekrümmten Oberflächen wirkende Kapillardruck Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenist bei konkaver Krümmung ein Unterdruck und im Fall konvexer Krümmung ein Überdruck.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.12: Benetzungswinkel an zwei Tropfen bei rauer Oberfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten: Benetzungswinkel, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten: gemessener Kontaktwinkel [Oh98]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.13: Kondensationsbrücken zwischen rauen Oberflächen [Oh98]

Mit den nun folgenden Graphiken soll der Leser über die Ähnlichkeiten und Unterschiede der hier beschriebenen Kräfte aufgeklärt werden. Dies geschieht anhand des exemplarischen Modells von glatter Kugel an glatter Platte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.14: Haftkräfte (glatte Kugel / glatte Platte) [Oh98]

Es ist zu erkennen, dass ein 100 µm großer Partikel mit einer Van-der-Waals-Kraft von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenN an einer Platte mit einem Abstand von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltennm haftet. Im Vergleich zu seiner Gewichtskraft ist dieser Wert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenmal größer. Es zeigt sich also, dass die Gewichtskraft in diesem Fall vernachlässigt werden kann. Ist an dieser Haftung auch noch Flüssigkeit zugegen, kann es zu einer fünfmal größeren Kraft kommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.15: Haftkräfte verschiedener Haftmechanismen am Modell Kugel / Platte (bei Kontakt) als Funktion des Kugeldurchmessers; Flüssigkeitsbrücke (1), elektrostatische Kräfte für Leiter (2) und Isolatoren (3) und Van-der-Waals-Kräfte (4) [Oh98]

Im obigen Bild lässt sich wiederum erkennen, dass die Kapillarkraft die „schlimmste“ Kraft im Reigen der auftretenden Kräfte ist. Es muss also bei der Montage dafür gesorgt werden, dass diese Kraft keine oder nur geringe Wirkung zeigt [Oh98].

Dies kann durch eine Reduzierung der Luftfeuchtigkeit auf einen Wert unter 9% erreicht werden [Fat00].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.16: Haftkräfte am Modell Kugel / Platte als Funktion des Oberflächenabstandes Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenfür verschiedene Haftmechanismen: Flüssigkeitsbrücke (1), elektrostatische Kräfte für Leiter (2), Isolatoren (3) und Van-der-Waals-Kräfte (4) [Oh98]

Das Bild zeigt deutlich, ab welchem Abstand welche Kräfte ihre Wirkung zeigen. Die Flüssigkeitsbrücke ist bei einem Abstand größer als ein Mikrometer nicht mehr existent. Die Van-der-Waals-Kraft nimmt sehr stark mit steigender Entfernung ab. Als einzig wirklich relevante Kraft setzt sich die elektrostatische Ladung auch über einen größeren Abstand durch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.17: Haftkräfte an den Modellen (raue Kugel / glatte Platte für den Kontaktabstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltennm): Flüssigkeitsbrücke (1), elektrostatische Kräfte für Leiter (2), Isolatoren (3) und Van-der-Waals-Kräfte (4) [Oh98]

Im letzten Bild werden noch einmal die Oberflächenrauhigkeit und deren Einfluss auf die Wirkung der verschiedenen Kräfte dargestellt. Partikel mittlerer Größe wirken hier wie die Rauhigkeit selbst und verschlechtern die Wirkung der Anziehungskräfte. Deswegen kommt es zum gezeigten Minimum. Allein die Flüssigkeitsbrücke vermag es, diesen Tiefpunkt auszugleichen. Dies gelingt ihr aber nur bei einem Winkel von 20°.

2.3.2 Auswirkungen der Beschleunigung in der Mikromontage

Da aufgrund der geringen Größe der Bauteile in der Mikrosystemtechnik die Trägheit nur geringe Bedeutung hat, ist es möglich, die Bauteile mit hohen Geschwindigkeiten vom Werkstückträger zum Ablage- bzw. Montageort zu fördern. Um diese hohen Geschwindigkeiten auf diesen kurzen Distanzen zu erreichen, ist es notwendig, mit sehr hohen Beschleunigungen zu arbeiten. Diese haben dann Werte von zwei- bis dreifacher Erdbeschleunigung. Solche Beschleunigungen legen es dann nahe, dass die Bauteile in der Nähe ihres Schwerpunktes vom Greifer aufgenommen werden. Hiermit wird sichergestellt, dass auftretende Momente eher gering bleiben und es so nicht zu einer Verdrehung oder Verrückung des Bauteils am Greifer kommen kann. Ist es dagegen aufgrund des vorgegebenen Ablageortes, schwierig oder gar unmöglich, in der Nähe des Schwerpunktes anzugreifen, muss der Greifer nicht nur die hohe Beschleunigung ausgleichen. Sie erhöht die Kraft auf das Bauteil im einfachsten Fall nur um das zwei- bis dreifache. Ein Griff außerhalb des Schwerpunktes muss dann zusätzlich noch die auftretenden Momente durch den nicht zentral gelegten Schwerpunkt kompensieren. So wird schnell eine Überbelastung des Bauteils erreicht, welche das Bauteil dann zerstören und unbrauchbar machen kann.

2.3.3 Luftwiderstand während des Transports

Zusätzlich zu den großen Beschleunigungen in der Mikrosystemtechnik treten während des Transports bei hohen Geschwindigkeiten Luftwiderstandskräfte auf, die das Bauteil am Greifer bewegen oder im schlimmsten Fall von diesem trennen können. Die Luftwiderstandskraft wächst mit der Geschwindigkeit im Quadrat und ist daher besonders bei großflächigen Bauteilen von immenser Wichtigkeit.

2.3.4 Bildverarbeitung in der Mikromontage

Das Thema der Bildverarbeitung spielt in der Mikrosystemtechnik eine erhebliche Rolle. Denn nur durch das Erkennen optischer Merkmale an den Bauteilen ist es möglich, die geforderten Genauigkeiten zu erreichen, die notwendig sind, um Fügeoperationen ausführen zu können. Die kleinen Toleranzen in der Mikrosystemtechnik sind nicht nur gefordert, weil sich diese Anwendungen im Mikro- und Nanometerbereich bewegen. Auch das Nichtvorhandensein von Fügehilfen wie bspw. Fasen fordert in diesem Bereich erhöhte Genauigkeiten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.18: Marken zur Bildverarbeitung bei Penny-Motor-Platine

Reichen die natürlichen Merkmale eines Bauteils, wie sie durch Ecken, Kanten oder Flächen gegeben sind, nicht aus, müssen am Bauteil zusätzlich Marken angebracht werden, die es den Kameras während der Mikromontage ermöglichen, die Ausrichtung am Greifer bestimmen zu können. Dies können auch Flächen besonderer Reflexion sein, so dass es zu Spiegelungen in der Kamera kommt, wenn das Bauteil die richtige Lage erreicht hat. In Abbildung 2.18 ist eine solche Marke zu erkennen. Sie zeigt sich hier als Rechteck, welches wiederum in schwarze und weiße Rechtecke aufgeteilt ist, um es so leichter zu erkennen und damit den Greifer, an dem das Bauteil hängt auszurichten.

3 Stand der Technik

Im Stand der Technik werden Greifer, Bauteile, Ablagesituationen, Werkstückträger und Arbeitsräume der Mikrosystemtechnik erklärt.

3.1 Greifer in der Mikrosystemtechnik

Um die Möglichkeiten in der Mikromontage zu begreifen, ist es unabdingbar, sich mit den verschiedensten Greifern und ihrem Aufbau bzw. ihrer Wirkungsweise auseinanderzusetzen. Es sollen hier nun die wichtigsten Greifer der Mikromontage vorgestellt und analysiert werden. Die Klassifikation dieser Greifer in einer Graphik folgt in einem späteren Teil der Arbeit.

3.1.1 Greifer zum Handhaben von Objekten

Der Greifer kann zunächst wie die Hand eines Menschen betrachtet werden. Aus persönlicher Erfahrung weiß ein jeder, wie mit einer Hand Dinge und Objekte gehandhabt werden. [DIN2860] schreibt hierzu:

„Handhaben ist das Schaffen, definierte Verändern oder vorübergehende Aufrechterhalten einer vorgegebenen räumlichen Anordnung von geometrisch bestimmten Körpern in einem Bezugssystem.“

Es können weitere Bedingungen – wie z.B. Zeit, Menge und Bewegungsbahn – vorgegeben sein.

Die räumliche Anordnung eines geometrisch bestimmten Körpers im Bezugskoordinatensystem ist definiert durch seine Orientierung und Position. Die Orientierung eines Körpers ist die Winkelbeziehung zwischen den Achsen des körpereigenen Koordinatensystems und denen des Bezugskoordinatensystems. Sie beschreibt die Anordnung des Körpers in Bezug auf seine drei rotatorischen Freiheitsgrade und wird in Winkelgraden angegeben.

Die Position eines Körpers ist der Ort, den ein bestimmter körpereigener Punkt im Bezugskoordinatensystem einnimmt. Sie beschreibt die Anordnung des Körpers in Bezug auf seine drei translatorischen Freiheitsgrade und wird bei kartesischen Koordinaten in Weglängen angegeben. Der körpereigene Punkt ist Ursprung des körpereigenen Koordinatensystems und liegt immer innerhalb der den Körper umgebenden minimalen Hüllfläche.

Dadurch ist auch das Handhaben von den anderen beiden Arten des „Materialflussbewirkens“ (Fördern, Lagern) abgegrenzt. Denn nur beim Handhaben ist die rotatorische Translation ein zusätzlicher Einflussfaktor. D.h. die Drehung und deren Orientierung sind für den Prozess der Montage wichtig. Beim Fördern mittels eines Förderbandes ist die Ausrichtung eines Objektes größtenteils irrelevant.

Das Handhaben lässt sich noch weiter unterteilen und beschreibt damit die Aufgaben des Greifers noch genauer. Für den Greifer ist hier besonders das „Mengen verändern“, das „Bewegen“ und das „Sichern“ wichtig. In der folgenden Graphik wird dies bildlich nach VDI 2860 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Teilfunktionen des Handhabens und deren Gliederung [VDI2860]

Der Greifer soll also Kontakt zu einem Objekt aufnehmen und dieses handhaben. Was dies bedeutet, wurde am Anfang dieses Abschnitts näher erläutert. Der Greifprozess lässt sich in drei Schritte gliedern. Als erstes muss der Greifer mit dem zu greifenden Objekt eine Verbindung eingehen. Nachdem dies geschehen ist, muss diese Bindung so lange aufrechterhalten werden, bis das Objekt abgesetzt worden ist, was bedeutet, dass das Objekt und der Greifer während des Transportvorgangs sicher miteinander verbunden sind, ohne dass sich das Objekt im oder am Greifer bewegt. Ist der Greifer samt Objekt dann am Ort der Ablage angekommen, muss sich das Objekt vom Greifer sicher lösen können. Hier ist darauf zu achten, dass es nicht zu Verrückungen des Objektes durch den abrückenden Greifer kommt.

[...]

Ende der Leseprobe aus 114 Seiten

Details

Titel
Planungsmethodik zur Bestimmung der Handhabungsmittel in der Mikromontage
Hochschule
Universität Karlsruhe (TH)  (WBK - Institut für Produktionstechnik)
Note
1,0
Autor
Jahr
2006
Seiten
114
Katalognummer
V81372
ISBN (eBook)
9783638826082
ISBN (Buch)
9783638827478
Dateigröße
5221 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Planungsmethodik, Bestimmung, Handhabungsmittel, Mikromontage
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Maximilian Kalbfleisch (Autor), 2006, Planungsmethodik zur Bestimmung der Handhabungsmittel in der Mikromontage, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/81372

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