專利名稱：裝配電子電路的設備和方法
本申請涉及一種用于自動裝配電子電路的設備和方法。
一般地，為了這個目的使用程序控制的放置設備從儲存器中取出電路元件，并將其插在電路板的給定位置。當放置過程結束時，將電路板和布置在其上的元件一起加熱以融化焊料，并使電路元件與電路板的導體接觸。
對于完全自動操作，可以使用不同的設備進行放置和加熱的處理步驟，這些設備必須包括內部輸送裝置，該輸送裝置在設備的輸入處接收要進行處理的電路板，并將其輸送到處理位置，在這里分別將元件裝在電路板上或者焊接元件，然后輸送到設備的輸出。這些內部輸送裝置常常具有輸送帶。在從一個設備移動到另一個設備時，通常這些輸送帶會對接，使得由放置設備的輸送帶輸送的電路板滑過接頭到焊接設備的輸送帶上，并由該輸送帶進一步輸送。多個橫向導軌確保電路板正好以正確的方位到達焊接設備的輸送帶上。
當裝配工作頻率在MHz范圍中的電路時，這種設備裝配可提供令人滿意的結果。對于裝配工作頻率在GHz范圍中的射頻電路，已經證明這種設備是不能令人滿意的。其原因是在射頻電路中，對于單個的電路元件要求更高的定位精度。可以得到一些能夠以需要的精度將單個元件放置在電路板上的放置設備；然而，在焊接之后常常發現電路元件不能以需要的精度處于預期的位置。這可能導致在電路的技術性能中不期望的分散或者甚至可以導致電路故障。
本發明的一個目的是提供一種用于裝配電子電路的設備，其適合于制造具有良好可再現技術性能的電子電路，尤其是用于將電路元件以定位精度在±50mm范圍內的方式裝配在板上，如射頻電路所需要的。
通過具有權利要求1的特征的設備可以實現這個目的。
本發明人已經發現目前的裝配設備中，使焊好的電路元件偏移其預期位置的一個根本原因是電路板從放置設備的輸送裝置向焊接設備的輸送裝置的移交。如果這兩個設備的輸送裝置沒有完全平行，就會在電路板的移交過程中突然地改變方向，從而導致電路元件滑動。如果輸送裝置支撐電路板的平面的高度略微不同或者沒有完全平行也會發生同樣的情況。此外，在移交過程中輸送速度的微小差異會導致電路板的突然移動。
與自主地工作和從輸入輸送到輸出的自動設備的常規方案相反，權利要求1的設備利用連續輸送帶，該連續輸送帶通過在固定設備中直接從放置位置延伸到接收位置跨接放置設備的輸出，其中輸送帶上輸送的電路板由操縱器接收以將其放置在焊接設備的可加熱區域，從而可以避免所有這些問題。
為了提供一種電路板和放置在電路板上的元件的無震動輸送，期望的是每個電路板停止在輸送帶的可完全重復出現的位置。為此，優選地，在輸送帶上設置一個用于檢測電路板通過的第一傳感器，以及一個與該傳感器連接的控制設備，在檢測到電路板通過之后該控制設備將輸送帶以預定的速度曲線制動，從而使電路板靜止在預定位置。
有利地在電路板應該停止在輸送帶上的位置設置一個第二傳感器；這允許對速度曲線進行后校正從而補償速度控制的誤差。
根據本發明第一實施方案，通過焊接將電路元件固定在電路板上。為此而使用的焊爐優選地應該是可抽空的，以防止在焊料層中形成空腔，該形成的空腔會削弱射頻元件的性能。
為了使高質量的焊接可重復再現，重要的是在每個焊接過程焊爐中的溫度分布盡可能精確地再現。如果在一個焊接處理中要焊接的電路板的數量發生改變，這就十分困難。為了在這些情況下實現可重復再現的焊接處理，此外，優選地在操縱器的移動范圍中設置一個用于模擬件電路板的暫放區域，使得如果出現在該范圍中的所有位置不是都被電路板占據，那么操縱器會用模擬件填充焊爐。
另一種將電路元件固定在電路板上的可能性是使用設置在電路板和電路元件之間的熱封薄膜。為了使用這種薄膜將電路元件固定在電路板上，只需要一塊可加熱板，在可加熱板上的包括電路元件的電路板可由操縱器放置。
為了防止高精度和易受影響的放置工位受熱和可能的來自于焊爐的蒸汽的影響，優選地將放置工位包圍在一個具有開口的殼體中，輸送帶通過該開口伸出。
如果連續輸送帶從在放置工位的輸入處的裝載位置延伸到其輸出或者，如上所述，延伸到接收位置，在該接收位置通過固定工位的操縱器接收電路板，那么就存在一個問題，即只要其上放置有元件的電路板還在輸送帶上，沒有元件的新電路板就不能直接放到裝載位置處的輸送帶上。在裝載過程中的任何振動都可能導致電路板上的元件移動。由于電路板必須在放置位置和接收位置之間非常緩慢和謹慎地輸送，或者至少非常緩慢地加速和制動，這種輸送要花費相當的時間，并增加了設備的循環時間。為了使該循環時間盡可能地縮短，有人提出將輸送裝置分開成兩個輸送帶，第一個輸送帶在用于未裝備的電路板的裝載位置和放置位置的上游處的移交位置之間延伸，第二個輸送帶從移交位置經過放置位置延伸到接收位置。由于這種分開，能夠將一個新的、未裝備的電路板輸送到移交位置----這應該適當地非常靠近放置位置-----在完全裝備好的電路板到達接收位置之前，在該接收位置電路板由操縱器接收。只要接收了電路板，就只有新的電路板在第二輸送帶上輸送最短的距離到達放置位置。
為了能夠以高的精度放置電路元件，期望的是在放置過程中不使用輸送器裝置支撐電路板，這也許是可以的。為此，優選地在放置位置提供一個提升臺用于將電路板升高離開輸送器裝置。
為了提供提升臺的反復上下移動，通過導軌使其直線地導向。而提供這些導軌和致動裝置的移動之間的絕對平行很難，該致動裝置用于驅動提升臺的上下移動。為了防止由于偏離平行而導致的突然移動，當提升臺到達該接合點時，在致動裝置的連接中提供一個間隙給提升臺。
優選地用于升高和降低提升臺的致動裝置由壓力流體驅動，例如以液壓方式或氣動方式。當降低提升臺時將壓力流體從致動裝置排出的排出管線的自由橫截面小于當升高提升臺時將壓力流體供給到致動裝置的供給管線的自由橫截面。這種方法允許致動裝置的下降速度減小且不需要復雜的控制，從而當具有電路元件的電路板下降到輸送帶上時，絕對不會產生任何振動。
優選地，僅局部地由節流閥減小排出管線的橫截面。該節流閥的自由橫截面應該是可調節的，使得通過調節橫截面向下移動的速度能夠適合于目前的要求。
參考附圖通過下面對實施方案的描述本發明的其它特征和優點變得明顯。
圖1是根據本發明用于裝配電子電路的設備的示意性頂視圖；圖2是圖1中設備接收位置的詳細視圖；圖3是接收位置的透視圖；圖4是圖1中設備放置位置的示意性截面；圖5示意性地表示了放置位置的氣動布置。
圖1的裝配設備將要裝備的電路板1從左向右輸送。該設備的第一裝置是一個自動儲存送料裝置，由于這種裝置是公知的，故在圖中沒有詳細示出。這種自動儲存送料裝置包括一個接收許多電路載體的導軌，并且可以調節該導軌的高度，使得電路板1可以連續地放置在滑動件2的前面，該滑動件將電路板推送到第一帶輸送器3上。
這里的電路載體1包括具有可選擇寬度的金屬載體板4，使得電路載體與帶輸送器3之間幾乎沒有間隙地配合，且在電路載體的前端略有錐度，以便確保電路板能夠安全地推送到第一帶輸送器3上而沒有傾斜的危險。利用幾個擰上的襯墊5將一個在其中放置有多個電路元件的金屬殼體6固定在電路載體4上。或者，電路載體可以只由這樣一個殼體行程，如果其具有適當的尺寸可以可靠地輸送到帶輸送器3上。
第一帶輸送器3是一個計算機控制的放置裝置7的一部分。該放置裝置7包括一個工作臺面8，在該工作臺面上設置有第一帶輸送器3、隨后的第二帶輸送器9和用于在電路載體1的殼體6中要放置的電路元件的儲存容器10。在工作臺面8的上面，一個夾持臂13安裝在花崗巖板(未示出)上，通過在兩個水平方向的導軌11、12該夾持部可在垂直方向移動。這兩個帶輸送器3、9結構上基本相似。它們兩個都包括一個基板14，兩個輸送帶15纏繞在基板上并由電動機驅動。該基板由多個側板16在其縱向側面限定，這些側板限定了電路載體1的輸送路徑，并且在其上游端部稍微發散以便提供電路載體1的可靠輸送。
第二帶輸送器9與第一帶輸送器3不同，基本上在于在其上游部分在基板14中設置一個提升臺17，并且第二帶輸送器的長度比第一帶輸送器3的長度更長，使得其延伸出放置設備的殼體18并伸入到隨后的焊接設備19中。延伸到焊接設備中的第二帶輸送器的部分將參考圖2和3在后面進一步描述。
焊接設備19包括一個安裝在工作臺面20上由高精度且無振動的機械手21構成的操縱器，一個可抽空的焊爐22，一個用于電路載體模擬件的支撐23和一個由金屬板構成的冷卻板24，在該金屬板中布置有冷卻水管，以及一個將在冷卻板24上已冷卻的電路載體推動離開焊接設備19到另一個帶輸送器26的滑動件。
所示設備的操作如下。在裝載位置27，第一帶輸送器3的開端，利用滑動件2將電路載體1推送到第一帶輸送器3上。該第一帶輸送器3將電路載體1輸送到移交位置28移交給第二帶輸送器9。在該移交位置28，兩個帶輸送器3、9對接，并且在電路載體1的移交過程中不能完全避免振動的發生，但是由于在電路載體上沒有放置電路元件，因此這是沒有害處的。
第二帶輸送器9具有輸送帶15，同時該輸送帶以和第一帶輸送器3的輸送帶15基本相同的速度循環。它們將電路載體1進一步輸送，并停止在放置位置29，在該位置電路載體直接在提升臺17的上方。通過升高提升臺17，電路板1脫離與輸送帶15的接觸，取而代之的是，使其平坦的底部穩定地停止在提升臺17上。通過這種方式，可以確保在放置過程中，電路載體1不會由于夾持臂13施加的壓力而發生移動，從而可以高精度完成整個放置過程。
在放置過程中，在第二帶輸送器9上沒有其它的電路載體1；然而，來自自動儲存送料裝置的其它電路載體可能已經到達第一帶輸送器3上。
當完成了放置過程時，提升臺17再次下降，使得位于其上的電路載體1再次小心地且沒有振動地降落在第二帶輸送器9的輸送帶15上。
從該位置，具有多個電路元件的電路載體1由第二帶輸送器9進一步輸送，電路載體的加速度選擇得足夠低以防止放置的電路元件振動和滑動。
在到達第二帶輸送器9端部的接收位置29之前，開始對電路載體1緩慢地減速。為此，可以從圖2的頂視圖中看出，將一個第一傳感器30例如光電檢測器插入到第二帶輸送器9的基板14中，以便檢測電路載體1的前邊緣在距離其在接收位置29上的期望停止位置的一段距離處的通過，該距離足以使電路載體停止而不會引起振動。只要在第一傳感器30處檢測到電路載體通過，就開始例如以一恒定的負加速度使帶輸送器9制動，該負加速度選擇成使得，如果這種控制沒有容差和誤差，電路載體將正好停止在接收位置，如圖2中電路載體的前邊緣的虛線輪廓所表示的。
為了使電路載體1正好停止在該預定位置29，第二帶輸送器9優選地還包括一個第二傳感器31，該第二傳感器在輸送方向延伸超過大約1-2毫米，并提供一個與電路載體的覆蓋程度成比例的輸出信號。根據該輸出信號，帶輸送器9的操縱器(未示出)能夠檢測電路載體在預期的時刻之前或之后是否到達第二傳感器31，以及由此來縮短或延長制動過程，從而到達期望的目標位置29。
圖3表示第二帶輸送器9的透視圖，該第二帶輸送器具有設置在接收位置的電路載體1，以及在上方的機械手21的末端執行器32。該末端執行器32包括兩個沿箭頭P的方向可移動橫越過輸送方向的卡爪33，每個卡爪具有兩個向下伸出的指狀元件34，該指狀元件在端部具有向內指向的尖端35。在第二帶輸送器9的側板16中，形成有兩個適合于指狀元件34的大小和距離的開口部分36，這允許尖端35與在電路載體1的載體板4的底部上的凹槽嚙合，以便可靠地使其升高。
然后機械手21將電路載體放置在焊爐22中。示出的焊爐具有兩個用于電路載體的位置，但是也可以更多或更少。圖1示出了具有敞開的蓋38的焊爐22，一個電路載體1放置在爐22的內部，一個模擬件電路載體39緊靠著電路載體放置。如果要在單個的電路載體1上進行焊接過程，該模擬件放置在焊爐22中。其熱性質實際上與裝備的電路載體相同，使得在焊爐22中的溫度分布在每個焊接過程中都相同，不論有多少個焊爐的位置由電路載體或模擬件占據。
裝載到焊爐22之后，關閉蓋38；在真空下以常規方式進行焊接過程。
當完成焊接過程時，打開蓋38，機械手21將焊好的電路載體或載體取出并將其放置在水冷卻的冷卻板24的上面。冷卻之后，操作滑動件25，將焊好的已冷卻電路載體1推送到帶載體26上。
圖4表示穿過放置位置和提升臺17的示意性縱向截面。該提升臺17是一個具有兩個通孔的實心金屬板，在通孔中固定插入兩個柱狀件41。該柱狀件41正好彼此平行，并以最小的間隙延伸穿過工作臺面8的孔42。通過包括雙向作用活塞和活塞桿45的氣動致動裝置43垂直地移動該提升臺17。多個切換閥44設置成在工作臺面8上距離致動裝置43最短距離，并用于控制流入或流出致動裝置43的兩個空腔的空氣入口和出口，以便使在空腔中的壓力振動最小化，這種壓力振動會引起提升臺17的不均勻移動。
由于柱狀件41必須在孔42中以最小的間隙導向，因此在向上和向下的移動過程中如果活塞桿45正好沒有與柱狀件41平行，致動裝置43的水平元件的作用力就會導致提升臺17卡住。這必須避免。為此，活塞桿45的頭部以一間隙容納在板17的凹槽中。圖中所示的頭部是與一個類似球形凹槽相嚙合的球體；還可以通過活塞桿45的螺紋頭部簡單地實現期望的間隙，該螺紋頭部與提升臺17的螺紋孔嚙合而不用固定在上面。
提升臺17的移動范圍在向上的方向由在柱狀件41的下端部的突出部分(這里由環46構成)限制，在提升臺17完全提升的位置該突出部分緊靠著工作臺面8的底側。這種結構允許在如圖所示的提升位置固定提升臺17而不必擠壓任何部件，只需要在致動裝置43的一個空腔中提供壓力。該壓力選擇成使得當放置電路元件不足以超過活塞桿45的支撐力時，由夾持臂13從上方施加壓力。
圖5示意性地表示了根據優選實施方案的放置位置的氣動布置。這里多個切換閥組合到一個單個閥44’中，該單個閥包括兩個輸入、兩個輸出和三個切換位置。在第一切換位置，閥44’通過供給管線49將壓力流體源如壓縮機與雙向作用致動裝置43的氣缸的下部空腔51連接。在供給管線49中的單向閥53確保壓縮空氣只能夠通過供給管線49沿著從閥44’向下部空腔51的方向流動。
進入到下部空腔51的空氣促使氣缸的活塞向上，使得安裝在活塞桿45上的提升臺17升高。來自上部空腔52的空氣經由通過閥44’的管線45排出。
當提升臺17到達期望水平時，將閥44’切換到第二位置，在該位置閥的輸入和輸出之間的連接全部被斷開。這樣密封在致動裝置43的空腔51、52中的空氣就阻止提升臺17的任何垂直移動。在這種提升狀態，提升臺17上的電路載體可以讓電路元件放置在其上。
當放置電路元件之后再次降低提升臺17時，使閥44’切換到第三位置，在該位置輸入和輸出相對于第一切換位置交叉耦合。這樣，現在上部空腔52就具有通過管線54來自壓縮機47的壓縮空氣，并且來自下部空腔51的空氣通過旁路供給管線49由排出管線50排出。該排出管線50具有與單向閥53相反設置的單向閥55，和具有可控制自由橫截面的節流閥48。和供給管線49和53相比該節流閥48大大地減小了排出管線50的橫截面。因此該節流閥使在活塞的向下移動過程中空氣從下部空腔51中排出比在向上移動時緩慢得多。通過這種簡單的方式，當電路載體放置在帶輸送器9上時，這種布置允許電路載體快速地向上移動和緩慢地向下移動，從縮短循環時間來考慮快速地向上移動是期望的，以及為了避免振動緩慢地向下移動是期望的。向下移動的速度可以通過控制節流閥48的橫截面來設置。
作為如圖5所示的設計的一種替換還可以將單向供給和輸出管線用于上部空腔52。在這種情況下，用于對向下的移動制動的節流閥必須設置在供給管線中。
權利要求
1.一種用于裝配電子電路的設備，其包括一個放置工位(7)，用于將電路元件放置于保持在放置位置(17)的電路載體(1)上，一個固定工位(19)，用于在加熱的作用下將電路元件固定在電路載體(1)上，以及一個帶輸送器裝置(9)用于從放置位置(17)向固定工位(19)的接收位置(29)輸送電路載體，其中固定工位(19)包括一個可加熱區域(22)和用于使電路載體(1)升高離開接收位置(29)并將其放置在可加熱區域(22)中的操縱器(21)，其特征在于該帶輸送器裝置的連續帶輸送器(9)從放置位置(17)延伸到移交位置(29)。
2.如權利要求1所述的用于裝配電子電路的設備，其特征在于在帶輸送器(9)上設置一個用于檢測電路載體(1)的通過的第一傳感器(30)，以及一個與該第一傳感器(30)連接的控制裝置，用于在由第一傳感器(30)檢測到電路載體(1)通過之后使帶輸送器制動。
3.如權利要求1所述的用于裝配電子電路的設備，其特征在于在帶輸送器(9)上第一傳感器(30)的下游設置一個用于檢測電路載體(1)的第二傳感器(31)，以及當第二傳感器(31)檢測到電路載體(1)時，該控制裝置用于使帶輸送器(9)停止。
4.如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于在該可加熱區域是一個焊爐(22)，特別地是一個可抽空的焊爐。
5.如權利要求4所述的設備，其特征在于該焊爐(22)具有的尺寸為可容納許多電路載體(1)，在操縱器(21)的移動范圍中，至少有一個放置位置(23)用于電路載體的模擬件(39)。
6.如權利要求1至3中的一個所述的設備，其特征在于該可加熱區域是一個加熱板。
7.如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于放置工位(7)被包圍在一個殼體(18)中，并且帶輸送器(9)通過殼體(18)的開口向外延伸。
8.一種尤其是如前面任何一個權利要求所述的用于裝配電子電路的設備，其包括一個放置工位(7)，用于將電路元件放置于保持在放置位置(17)的電路載體(1)上；一個固定工位(19)，用于在加熱的作用下將電路元件固定在電路載體(1)上；以及一個帶輸送器裝置(3、9)用于從放置位置(17)向固定工位(19)的接收位置(29)輸送電路載體，該固定工位(19)包括一個可加熱區域(22)和用于使電路載體(1)升高離開接收位置(29)并將其放置在可加熱區域(22)中的操縱器(21)，其特征在于該帶輸送器裝置包括一個在拾取位置(23)和位于放置位置(17)上游的移交位置(28)之間延伸的第一帶輸送器(3)，其中在拾取位置(23)電路載體(1)可放置在帶輸送器裝置(3、9)上；以及第二帶輸送器(3)，其從移交位置(28)經過放置位置(14)延伸到接收位置(29)。
9.如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于在放置位置(17)處，設有一個提升臺(14)，用于使電路載體(1)升高離開帶輸送器裝置(9)。
10.如權利要求9所述的設備，其特征在于該提升臺(17)被垂直直線導向，一個用于升高和降低提升臺(17)的致動裝置(43)以一個間隙與提升臺連接。
11.如權利要求9或10所述的設備，其特征在于該用于升高和降低提升臺(17)的致動裝置(43)由壓力流體驅動，并且一個節流閥(48)與致動裝置(43)連接，以便當降低提升臺(17)時有壓力流體通過。
12.如權利要求1所述的設備，其特征在于節流閥(48)的自由橫截面是可調節的。
13.如權利要求9至12中的一個所述的設備，其特征在于通過一個雙向作用致動裝置(43)來升高和降低提升臺(17)。
14.一種用于在電路載體上裝配電子電路的方法，尤其是使用如權利要求8至10中的一個所述的設備，其中循環地重復下列步驟a)在放置位置(17)處將元件放置于電路載體(1)上，然后使用第二帶輸送器將裝備有電路元件的電路載體從放置位置(17)輸送到移交位置(28)；b)在進行步驟a)的同時，使用第一帶輸送器(3)在裝載位置(27)和移交位置(28)之間輸送未裝備的電路載體(1)；c)將未裝備的電路載體(1)移交給第二帶輸送器(9)，并將其輸送到放置位置(17)；d)在接收位置(28)接收裝備好的電路載體(1)，并使用操縱器(21)將其放置在可加熱區域(22)中。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于在接收了已裝備的電路載體之后將未裝備的電路載體移給第二帶輸送器。
全文摘要
一種用于裝配電子電路的設備，其包括一個放置工位(7)，用于將電路元件放置于保持在放置位置(17)的電路載體(1)上；一個固定工位(19)，用于在熱的作用下將電路元件固定在電路載體(1)上，以及一個帶輸送器裝置(9)用于從放置位置(17)向固定工位(19)的接收位置(29)輸送電路載體。該固定工位(19)包括一個可加熱區域(22)和用于使電路載體(1)升高離開接收位置(29)并將其放置在可加熱區域(22)中的操縱器(21)，該帶輸送器裝置的連續帶輸送器(9)從放置位置(17)延伸到接收位置(29)。
文檔編號H05K13/00GK1620846SQ02828190
公開日2005年5月25日 申請日期2002年12月13日 優先權日2001年12月18日
發明者W·康拉斯, H·格雷納, K·肖爾, W·霍爾策爾 申請人:馬科尼通訊股份有限公司