CN1870885B - 用于对象的光学检测的传感器和传感器***、装配头、确定元器件高度位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现用于对象的光学检测的传感器。该传感器包括用于发出测量光的点状的光学发射元件(322)、用于接收测量光的平面的光学接收元件(328)和分析单元，该分析单元被设立成被带入到发射元件与接收元件之间的光路中的对象(180)能够根据测量光的遮暗来检测。此外本发明实现具有两个所述传感器的传感器***，其中将两个传感器的分析单元分配给共同的电子模块。此外还实现用于拿起、传送以及安放元器件(380)的装配头(350)，该装配头具有基体(360)、元器件保持装置(362)以及本发明传感器。此外说明用于确定由保持装置所拿起的元器件的高度位置的方法，其中使用上述传感器、上述传感器***或者上述装配头。

Description

用于对象的光学检测的传感器和传感器***、装配头、确定元器件高度位置的方法

技术领域

本发明涉及用于对象的光学检测、特别是用于电子元器件的存在控制和/或位置确定的传感器和传感器***，其中所述电子元器件为了装配到元器件载体上的目的而分别由装配头(Bes tueckkopf)的保持装置拿起。此外，本发明涉及一种用于拿起元器件、传输元器件以及将元器件安放到要装配的元器件载体上的装配头。此外，本发明涉及一种用于在使用上面提及的传感器、上面提及的传感器***或上面提及的装配头的情况下确定由保持装置所拿起的元器件的高度位置的方法。

背景技术

在通过自动装配机对元器件载体进行自动装配的情况下，由具有一个或多个保持装置的装配头从元器件供给设备中取出元器件，并且将所述元器件传输到装配区域中，要装配的元器件载***于所述装配区域中。然后，在由相应的连接触点所预先给定的元器件安装位置处，将所述元器件安放到元器件载体上。

由于电子元器件的日益小型化，成功的装配过程要求高的装配精度。这只能通过以下方式来实现，即借助于光学传感器不仅精确地检测分别由保持装置所拿起的元器件的类型而且还精确地检测所述元器件的位置。于是，所拿起的元器件的可能存在的位置偏差可以通过所述装配头的相应的定位来补偿。

从US 5,699,448中已知一种用于同时检测多个元器件的光学测量装置，其中所述元器件分别由装配头的保持装置拿起。所述测量装置包括唯一的照相机，该照相机分别经由光学投影***与所述元器件相耦合。所述光学投影***分别具有偏转棱镜、透镜、和灵活的光波导束，使得彼此相间隔的元器件的单个投影光路可以这样聚集在一起，使得所述元器件能够分别由照相机的视场的一部分来检测。所述光学测量装置具有以下缺点，即对于每个光学投影***来说分别需要多个光学组件，使得所述测量装置整体上较贵。另一个缺点在于，所述测量装置只能困难地加以校准。

发明内容

本发明所基于的两个任务是，实现用于对象的光学检测的传感器和传感器***，所述传感器和传感器***能够被价格便宜地制造并且此外简单地被校准。此外，本发明所基于的第三个任务是，实现一种用于拿起、传送以及安放元器件的装配头，所述装配头使得能够以简单的方式对所拿起的元器件进行光学检测。本发明的另一个任务在于，说明一种用于确定由保持装置所拿起的元器件的高度位置的方法，所述方法能够以简单的方式、即以低的仪器花费加以实施并因此使得能够提高装配精度和/或过程安全性。

本发明所基于的与装置有关的第一个任务通过一种用于对象的光学检测、特别是用于电子元器件的存在控制和/或位置确定的传感器来解决。根据本发明的传感器包括被设立用于发出测量光的点状的光学发射元件、被设立且被布置用于接收测量光的平面的光学接收元件、和被连接在接收元件之后的分析单元，所述分析单元被这样设立，使得被引入到发射元件与接收元件之间的光路中的对象能够根据测量光的遮暗(Abschattung)来检测，其中所述传感器还包括光波导，所述光波导具有两个端面，其中第一端面与光源光学耦合，并且第二端面是所述点状的光学发射元件。

本发明所基于的认识是：光学传感器能够有利地被应用在装配技术中，其中所述光学传感器只具有两个光学元件、即点状的光学传感器元件和平面的光学接收元件。根据本发明的传感器以光档板(Lichtschranke)原理为基础，在所述光档板的情况下要检测的对象遮暗由点状的光学发射元件所发出的光强的一部分，并且击中平面的接收元件的剩余光强被测量以及被分析。本发明具有以下优点：不需要例如透镜、镜子或棱镜的光学组件，使得根据本发明的传感器不仅能够价格便宜地被制造，而且还能够实现简单的校准。简单的校准特别基于以下原因，即在接收元件的面积较大的情况下小的对象不依赖于可能存在的侧面偏移而始终被完全投影到光学接收元件的检测器表面上。

因为根据本发明的传感器除了所述发射元件和接收元件之外不具有另外的光学组件，所以由于要检测的对象的边缘自然出现某种不清晰或某种边缘模糊，其与光学发射元件的平面延伸成比例。出于该原因，根据本发明，使用至少近似点状的光学发射元件，使得要检测的对象尽可能清晰地被投影到光学接收元件的表面上。

。优选地，将芯直径在500μm范围内的纤维用作光波导。此外，第二端面可以被弯曲成微透镜，使得从第二端面射出的测量光优选地在朝要检测的对象的方向上被发射。优选地，将发光二极管(LED)用作光源，所述发光二极管一方面是价格非常便宜的光源，而另一方面具有以下优点，即在热负荷小的情况下达到高的发光效率。

依照一种改进方案，所述平面的接收元件是单通道光检测器、例如面积约为2x2mm²的光电二极管。在光学发射元件与光学接收元件之间的相应的距离的情况下，在取出时或在安放时相对于装配头被移动的电子元器件可以在整个移动过程期间从测量光的光路中检测到。

需要指明，替代地当然也可以使用具有位置分辨的检测器、例如二极管阵列。这具有以下优点，即能够通过分析在各个检测器像素上出现的光强来确定要检测的对象的精确位置。然而，这需要花费较大的、对多个单独的检测器信号的分析。

依照一种改进方案，所述传感器附加地具有时钟产生单元，所述时钟产生单元与所述发射元件这样耦合，使得所述测量光的强度能够以预先给定的频率进行改变。例如，常规的函数发生器适合作为时钟产生单元，可以利用所述函数发生器以简单的方式对测量光的强度进行调制。因此，在使用相应的放大器(所谓的锁相(Lock-In)放大器)的情况下，所述传感器对外部光以及对电磁干扰是不敏感的，所述电磁干扰例如由用于保持装置的传动电机或用于装配头的定位装置的传动电机产生。

本发明所基于的与装置有关的第二任务通过以下的传感器***来解决。根据本发明的传感器***包括至少两个按照上述的传感器以及包括电子模块，所述电子模块包括所述两个传感器的两个分析单元。

本发明所基于的认识是：被分配给两个传感器的共同的电子模块使得能够价格特别便宜地且紧凑地实现多通道的传感器***。

依照一种改进方案，优选地，所述电子模块附加地包括所有电子组件，其中所述电子组件被分配给两个发射元件和两个接收元件。用于发射元件的电子组件例如是时钟产生单元、发光二极管的驱动电路、以及必要时发光二极管本身。用于接收元件的电子组件例如是光学和/或电子滤波器、放大器、整流器和所谓的多路复用器，所述多路复用器使得能够经由共同的数据线路进行多个光学接收元件的数据传输。

优选地，所述传感器***在光学模块与电子模块之间具有完全的模块分离，其中传感器***的所有组件被包含在两个模块中的一个中。完全的模块分离不仅使传感器***的操作变得容易，而且所述传感器***也由于针对不同应用被优化的不同模块相互组合的可能性而能够被多样化地使用。

本发明所基于的与装置有关的第三个任务通过一种用于拿起、传送以及安放元器件的装配头来解决。根据本发明的装配头包括基体、相对于基体沿着z轴可移动的用于暂时拿起元器件的保持装置、和上面所提及的传感器，其中所述发射元件和接收元件被布置在z轴的不同侧。

本发明所基于的认识是：特别是在从元器件供给装置中拿起元器件时以及在将元器件安放到要装配的元器件载体上时元器件的移动能够通过基于光档板的原理的传感器来跟踪。在此，元器件悬挂在装配头的保持装置上，并且在拿起时和/或在安放时移动穿过测量光的不同光路。

所述传感器可以在不同的装配头中被使用，其中所述装配头具有一个或多个保持装置。所述传感器使得能够价格便宜地、快速地且可靠地检测元器件在保持装置上的存在和元器件的各自的位置、特别是高度位置，并且因此以简单的方式改善自动装配机的过程安全性。

本发明所基于的与装置有关的第三个任务也通过一种用于拿起、传送以及安放元器件的装配头来解决。根据本发明的装配头包括基体、两个用于暂时分别拿起元器件的保持装置、和上述传感器***，其中两个保持装置相对于基体沿着z轴是可移动的，发射元件和被分配给相应发射元件的接收元件分别被布置在z轴的不同侧。

本发明所基于的认识是：特别是用于所谓的矩阵头的多通道传感器***以有利的和简单的方式提高过程安全性，其中所述矩阵头具有多个沿z方向都可移动的保持装置。矩阵头的保持装置可以分别具有自身的传动装置，使得各个保持装置能够相互独立地沿着z方向进行移动。替代地，所述保持装置也可以通过中央传动装置来移动，其中通过将相应的保持装置选择性地耦合到中央传动装置上能够实现各个保持装置的准独立的移动。

本发明所基于的与方法有关的任务通过一种用于在使用上面提及的传感器、上面提及的传感器***或上面提及的装配头的情况下确定由保持装置所拿起的元器件的高度位置的方法来解决。在根据本发明的方法中，使带有元器件的保持装置移动穿过发射元件与接收元件之间的测量光的光路，并且与此同时记录所述接收元件的模拟输出信号的时间曲线。给元器件的高度位置分别分配模拟输出信号的值。

本发明所基于的认识是：元器件的高度位置已经能够通过单通道平面接收元件的模拟输出信号在对该信号进行相应分析的情况下加以确定。因此，根据本发明的方法能够在仪器花费小的情况下利用价格便宜的电子的和光学的标准组件来实施。

依照一种改进方案，使不带有所拿起的元器件的保持装置附加地移动穿过发射元件与接收元件之间的测量光的光路，并且与此同时记录模拟输出信号的另外的时间曲线。将所述时间曲线与另外的时间曲线相比较，其中能够特别是通过被分配给两种移动的信号曲线的相减来特别精确地确定元器件的高度位置。按这种方式平均掉(herausmitteln)平行于移动方向延伸的z方向的可能存在的位置容差。

在装配过程的范围内，带有所拿起的元器件的保持装置的典型移动是所述保持装置在取来元器件之后朝上的移动，以及是朝下的将所拿起的元器件安放到要装配的元器件载体上的移动。不带有元器件的典型移动特别是通过直接在取来元器件之前移动所述保持装置以及直接在将元器件安放到元器件载体上之后向上移动所述保持装置来产生。

由目前优选的实施形式的以下示例性的说明得出本发明的其他优点和特征。

附图说明

在附图中：

图1以示意图的形式示出被划分成两个模块的、用于通过测量光的遮暗来对对象进行光学检测的传感器，

图2以示意图的形式示出在由点状的光学发射元件所发出的测量光的光束内测量对象的阴影投射，

图3a以示意图的形式以横截面视图示出具有两个沿着z方向可移动地放置的保持装置的装配头，

图3b以示意图的形式以透视图示出具有六个沿着z方向可移动地放置的保持装置的装配头。

在此需要注意，在所述附图中相同的或相互对应的组件的附图标记仅仅在它们的第一个数字上有所不同。

具体实施方式

图1中所示出的传感器100用于元器件180的位置检测，所述元器件180被未示出的装配头的保持装置165拿起。所述传感器包括光学模块120以及电子模块130，给它们分别分配了传感器100的不同的光学组件或电子组件。所述电子模块130包括作为时钟产生单元的函数发生器131，所述函数发生器131与发光二极管115这样电子耦合，使得发光二极管115根据函数发生器131的输出信号以周期性调制的方式发出光。所述发光二极管115可以被布置在电子模块130内部或者也可以被布置在电子模块130外部。

发光二极管115与光波导100光学耦合，其中由发光二极管115所发出的光经由第一端面112被耦合输入到光波导110的纤维芯111中。光波导110的第二端面122被分配给所述光学模块120并且用作光学发射元件。所述纤维芯具有500μm的直径。因此，所述端面122可以被视为接近点状的发射元件。此外，光学模块具有光阑125以及平面的光电二极管128，其中所述光电二极管128被直接布置在光阑125之后。

当例如在从元器件供给设备中取出元器件期间或者在将元器件安放到同样未示出的元器件载体上期间所述保持装置165相对于未示出的装配头移动时，所述元器件180被移动穿过由第二端面所发出的测量光的光路。该光路沿着光轴124延伸。所述元器件180一移动到测量区域中，就实现击中光电二极管128的测量光的部分遮暗，其中所述测量区域通过至少近似点状的光学发射元件122以及通过光阑125的光阑孔径来确定。

所述光电二极管128被连接到放大器135上，所述放大器135被分配给电子模块130。整流器136被连接在所述放大器135之后，该整流器136提供模拟输出信号给分析单元137，其中所述输出信号直接与穿过光阑孔径125并且击中光电二极管128的测量光的光量成比例。根据该输出信号，借助于分析单元137来确定元器件180在几何光学测量区域内的存在、或者元器件180在该测量区域内的位置。

能够通过简单的电子的和光学的标准组件以价格便宜的方式来实现的所述传感器100具有以下优点，即光学发射元件122以及光学接收元件128是完全电磁解耦的。这显著地减小传感器100的易受干扰性。只要放大器135被这样设立，使得仅仅放大由光电二极管128所产生的测量信号的、与光调制频率一致的那些频率分量，就通过由函数发生器131所确定的、测量光的光强调制来抑制干扰的外部光影响。

下面借助图2说明所述光学传感器100所基于的、在接收器表面225上的阴影投射的原理。在此，通过至少近似点状的发射元件222、测量区域227以及接收器表面225之间的相对位置来确定相应传感器的几何尺寸。在此，通过由发射元件222所发出的测量光的边缘光束来得到所述测量区域227，其中所述边缘光束恰好还击中所述接收器表面225的角。通过多个光栅刻线(Gitterlinien)223来示出所述测量区域227。

位于测量区域227中的要检测的对象280导致接收器表面225上的阴影投射，其中所述接收器表面225同样通过多个光栅刻线229来示出。根据所述测量区域在发射元件222与接收器表面225之间的区域中的位置，产生所述测量对象280的或多或少被放大的阴影投射280′。

因此，在将测量对象280浸入到测量区域227中时，击中接收器表面225的光量首先连续地减少，直到所述测量对象280完全处于所述测量区域内。只要所述测量对象280完全处于所述测量区域227内，击中接收器表面225的光量就保持恒定。只有当所述测量对象280又至少部分地在所述测量区域227之外移动时，击中接收器表面225的光量再次增加，并且因此相应的平面的光检测器的输出信号也再次增加。

需要指明，在分析相应的输出信号时，当然必须考虑由图2中未示出的、用于测量对象280的保持装置所引起的遮暗。但是，因为所使用的保持装置的几何尺寸是精确已知的，所以能够在没有更大困难的情况下考虑由所述保持装置所引起的遮暗。

图3a示出被安装到装配头350上的传感器***，所述传感器***具有两个传感器，这两个传感器分别包括具有用作发射元件的光波导端面322的光波导311以及用作接收元件的平面光电二极管328。相对于装配头350的基体360，所述光波导311经由未示出的保持装置被布置在固定的空间位置中，因此分别由光波导端面322和相应的光电二极管328所确定的相应的测量区域相对于所述装配头处于固定的空间位置中。依照这里示出的实施例未设置在发射元件322与光电二极管328之间的光阑。相反地，平面光电二极管328的边界起到光阑的作用。

所述装配头350包括基体360，在所述基体360上安装有两个空心轴362，所述空心轴362分别能够经由直线导向装置(Linearfuehrung)361和未示出的传动装置沿着z轴移动。用于暂时拿起元器件380的保持装置365分别位于空心轴362上，其中所述元器件380在保持装置365相应移动的情况下被带入到发射元件322与相应的接收元件328之间的测量区域中。从第二端面322射出的测量光的产生以及由光电二极管328所输出的检测器信号的处理根据图1中示出的方式来实现，并且在此处不再一次加以详细说明。

图3b以透视图的形式示出装配头350，所述装配头350具有基体360，在该基体360上总共布置有六个空心轴362。用于暂时拿起图3b中未示出的元器件的保持装置365位于每个空心轴362上。根据保持装置的数量，所述装配头350总共具有六个光波导311，给这些光波导311分别分配了光电二极管328，使得能够由装配头350拿起的所有元器件能够在其相对于基体360的空间位置方面被测量。

附图标记列表

100传感器

110光波导

111纤维芯

112第一端面

115发光二极管

120光学模块

122第二端面(发射元件)

124光轴

125光阑

128光电二极管(接收元件)

130电子模块

131函数发生器(时钟产生单元)

135放大器

136整流器

137分析单元

165保持装置

180元器件

222第二端面(发射元件)

223光栅刻线测量表面

225接收器表面

227测量区域

229光栅刻线接收表面

280测量对象

280′测量对象的被放大的投影

311光波导

322第二端面(发射元件)

328光电二极管(接收元件)

350装配头

360基体

361直线导向装置

362空心轴

365保持装置

380元器件

Claims (10)

1.用于对象的光学检测的传感器，具有：

●被设立用于发出测量光的点状的光学发射元件(122)，

●光波导(110)，所述光波导(110)具有两个端面(112，122)，其中第一端面(112)与光源(115)光学耦合，并且第二端面(122)是所述点状的光学发射元件，

●被设立用于接收所述测量光的平面光学接收元件(128)，和

●被连接在所述接收元件(128)之后的分析单元(137)，所述分析单元(137)被这样设立，使得能够根据所述测量光的遮暗来检测被带入到发射元件(122)与接收元件(128)之间的光路中的对象。

2.按照权利要求1所述的传感器，其中，所述的对象的光学检测包括电子元器件(180)的存在控制和/或电子元器件(180)的位置确定。

3.按照权利要求1所述的传感器，其中，

所述平面接收元件是单通道的光检测器(128)。

4.按照权利要求1至3之一所述的传感器，附加地具有时钟产生单元(131)，所述时钟产生单元(131)与所述发射元件(122)相耦合，使得所述测量光的强度能够以预先给定的频率进行改变。

5.传感器***，具有：

●用于检测第一对象的按照权利要求1至4之一所述的第一传感器(100)，和

●用于检测第二对象的按照权利要求1至4之一所述的第二传感器(100)。

6.按照权利要求5所述的传感器***，其中，

所述第一和第二传感器分别附加地包括：

●函数发生器(131)，其与光源(115)这样电子耦合，使得光源(115)根据函数发生器(131)的输出信号以周期性调制的方式发出光，和

●放大器(135)，其与平面光学接收元件(128)相连接，并且被后接一个整流器(136)，该整流器(136)提供模拟输出信号给分析单元(137)。

7.用于拿起、传送以及安放元器件的装配头，具有：

●基体(360)，

●用于暂时拿起元器件(380)的保持装置(365)，所述保持装置(365)可沿着相对于所述基体(360)的z轴移动，所述z轴是指所述保持装置(365)的中心对称轴，和

●按照权利要求1至4之一所述的传感器(100)，其中所述发射元件(122)和所述接收元件(128)被布置在z轴的相对侧。

8.用于拿起、传送以及安放元器件的装配头，具有：

●基体(360)，

●用于暂时拿起第一元器件(380)的第一保持装置(365)，所述第一保持装置(365)可沿着相对于所述基体(360)的第一z轴移动，所述第一z轴是指所述第一保持装置(365)的中心对称轴，

●用于暂时拿起第二元器件(380)的第二保持装置(365)，所述第二保持装置(365)可沿着相对于所述基体(360)的第二z轴移动，所述第二z轴是指所述第二保持装置(365)的中心对称轴，和

●按照权利要求5至6之一所述的传感器***，其中分别将发射元件(322)和被分配给相应发射元件(322)的接收元件(328)布置所述第一z轴与所述第二z轴的相对侧。

9.用于在使用

-按照权利要求1至4之一所述的传感器、或

-按照权利要求5至6之一所述的传感器***、或

-按照权利要求7或8所述的装配头的情况下确定由保持装置(365)所拿起的元器件(380)的高度位置的方法，其中，

●使带有所述元器件(380)的保持装置(365)移动穿过发射元件(322)与接收元件(328)之间的测量光的光路，

●与此同时记录所述接收元件(328)的模拟输出信号的时间曲线，并且

●给所述元器件(380)的高度位置分别分配所述模拟输出信号的值。

10.按照权利要求9所述的方法，其中，

附加地

●使不带有所述元器件(380)的保持装置(365)移动穿过所述发射元件(322)与所述接收元件(328)之间的测量光的光路，

●与此同时记录所述模拟输出信号的另外的时间曲线，并且

●将所述时间曲线与所述另外的时间曲线进行比较。

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