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Die
Erfindung betrifft den Betrieb einer pneumatischen Vorrichtung für die dosierte
Abgabe einer Flüssigkeit
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, sowie eine pneumatische
Vorrichtung, die insbesondere bei der Montage von Halbleiterchips
auf einem Substrat zum Einsatz kommt, um eine vorbestimmte Menge
Klebstoff auf das Substrat aufzutragen.
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Eine
solche pneumatische Vorrichtung eignet sich für die dosierte Abgabe von viskosen,
klebrigen oder chemisch aggressiven Flüssigkeiten. Sie hat gegenüber einer
mechanischen Pumpe den Vorteil, dass sie geringerem Verschleiss
unterliegt und sich einfacher reinigen lässt. Allerdings hat sie den Nachteil,
dass die Menge der abgegebenen Flüssigkeit nicht volumetrisch
bestimmt ist wie dies beispielsweise der Fall ist bei der in der
europäischen Patentanmeldung
EP 0 979 028 A1 beschriebenen mechanischen
Pumpe. Der Begriff "dosierte
Abgabe" bedeutet,
dass jeweils eine vorbestimmte Menge oder Portion Flüssigkeit
abgegeben wird.
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Bei
der Montage von Halbleiterchips werden häufig Klebstoffe auf Epoxy Basis
eingesetzt, die Silberflocken enthalten. Der Klebstoff befindet
sich in einer Spritze, die von der pneumatische Vorrichtung mit
Druckpulsen beaufschlagt wird, um den Klebstoff portionenweise auszustossen.
Das Auftragen des Klebstoffs erfolgt entweder mittels einer Dispensdüse, die
mehrere Öffnungen
aufweist, durch die der Klebstoff ausgeschieden und auf dem Substrat
deponiert wird, oder mittels einer Schreibdüse, die eine einzige Öffnung aufweist,
durch die der Klebstoff ausgeschieden wird. Die Schreibdüse wird
mittels eines in zwei horizontalen Richtungen bewegbaren Antriebssystems
entlang einer vorbestimmten Bahn geführt, so dass der deponierte
Klebstoff auf dem Substrat ein vorbestimmtes Klebstoffmuster bildet.
Eine Halbleiter-Montage Einrichtung mit einer in zwei horizontalen
Richtungen bewegbaren Schreibdüse
ist beispielsweise aus der
EP
1 432 013 A1 bekannt. Die Abgabe des Klebstoffes erfolgt,
indem die pneumatische Vorrichtung einen Druckpuls erzeugt, der
gleich lang dauert wie die Schreibbewegung der Schreibdüse. Aus
den Patentschriften
US
5,199,607 A und
US 5,277,333
A sind pneumatische Vorrichtungen bekannt, die für diese
Anwendung eingesetzt werden können.
Diese Vorrichtungen enthalten einen Drucktank, dessen Druckniveau
von einem Druckregler geregelt wird. Diese Vorrichtungen haben zwei
gewichtige Nachteile:
- – Die abgegebene Flüssigkeitsmenge
hängt vom Grad
der Entleerung der Spritze ab. Um die abgegebene Flüssigkeitsmenge
dennoch konstant zu halten, wird die Länge des Druckpulses variiert. Dies
erschwert die Koordination mit der Schreibbewegung der Schreibdüse.
- – Das
Druckniveau des Druckpulses ändert
sich während
der Flüssigkeitsabgabe,
da der Druckregler den beim Start des Druckpulses im Drucktank auftretenden
Druckverlust kompensieren will.
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Aus
dem Patent
US 5031805 sind
ein Verfahren und eine Einrichtung für die dosierte Abgabe eines
frei fliessenden Mediums, insbesondere geschmolzenen Metalls, bekannt.
Das Medium befindet sich in einem Drucktank. Das Medium wird durch
ein Steigrohr gefördert
und an einer erhöhten
Stelle abgegeben, sobald der Druck im Drucktank ein bestimmtes Niveau übersteigt,
wobei dieses Niveau vom Füllstand
des Drucktanks abhängig
ist. Während
der Abgabe des flüssigen
Mediums wird der Druck so eingestellt, dass die abgegebene Menge unabhängig vom
Füllstand
des Drucktanks ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine pneumatische Vorrichtung
und/oder ein Verfahren zum Betrieb einer solchen pneumatischen Vorrichtung
ohne die oben genannten Nachteile zu entwickeln.
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und
6. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine
pneumatische Vorrichtung für
die dosierte Abgabe einer Flüssigkeit
umfasst einen Drucktank, der über
ein erstes Ventil mit einer Druckluftquelle und über ein zweites Ventil mit
der Umgebung verbindbar ist, sowie einen Drucksensor, der den im Drucktank
herrschenden Druck misst und dessen Ausgangssignal verwendet wird,
um den im Drucktank herrschenden Druck mittels der beiden Ventile einzustellen
oder zu regeln. Die pneumatische Vorrichtung umfasst zudem einen
Vakuumtank, der zumindest während
zeitlich längeren
Pausen zwischen den Druckpulsen mit dem die Flüssigkeit enthaltenden Behälter verbunden
wird, um ein Ausfliessen oder Nachtropfen der Flüssigkeit zu verhindern. Um Flüssigkeit
abzugeben, wird der Flüssigkeitsbehälter temporär mit dem
Drucktank verbunden, d. h. der Flüssigkeitsbehälter wird
mit einem Druckpuls beaufschlagt. Eine wichtige Anforderung ist,
dass das Druckniveau pB im Flüssigkeitsbehälter während des Druckpulses
möglichst
konstant ist. Die Erfindung betrifft einerseits den Betrieb einer
solchen pneumatischen Vorrichtung. Der erfindungsge mässe Betrieb ist
dadurch gekennzeichnet, dass der im Drucktank herrschende Druck
nach dem Ende eines Druckpulses auf ein Druckniveau pT2 erhöht wird,
das grösser ist
als das während
des Druckpulses einzuhaltende Druckniveau pB1.
Um den Flüssigkeitsbehälter für die Abgabe
einer Portion Flüssigkeit
mit einem Druckpuls zu beaufschlagen, wird der Flüssigkeitsbehälter deshalb
temporär
mit dem Drucktank verbunden. Nach dem Unterbrechen der Verbindung
zwischen dem Flüssigkeitsbehälter und
dem Drucktank wird der im Drucktank herrschende Druck pT auf
ein Druckniveau erhöht,
das größer als
das Druckniveau pB1 ist. Damit ergibt sich
folgendes Verhalten: Zu Beginn eines Druckpulses erniedrigt sich
der Druck im Drucktank, während
der Druck im Flüssigkeitsbehälter ansteigt,
bis der Druck im Drucktank und der Druck im Flüssigkeitsbehälter gleich
gross sind und ein im wesentlichen konstantes Niveau erreichen. Das
Druckniveau pT2 wird so gewählt, dass
der Druck im Flüssigkeitsbehälter – im statistischen
Mittel – den gewünschten
Sollwert pB1 erreicht. Der erfindungsgemässe Betrieb
ist möglich
sowohl mit einer pneumatischen Vorrichtung, bei der der im Drucktank
herrschende Druck permanent geregelt wird, als auch mit einer pneumatischen
Vorrichtung, bei der die Druckregelung des im Drucktank herrschenden
Drucks während
der Abgabe der Flüssigkeit,
d. h. während der
Dauer eines Druckpulses, ausgeschaltet ist. Bei einer pneumatischen
Vorrichtung, bei der der im Drucktank herrschende Druck permanent
geregelt wird, wird also erfindungsgemäss der Druck während der
Dauer des Druckpulses auf den Wert pB1 und
in den Pausen zwischen den Druckpulsen auf den Wert pT2 geregelt.
Die Erfindung lässt
sich jedoch besonders gut umsetzen mit einer pneumatischen Vorrichtung,
bei der der im Drucktank herrschende Druck nach dem Ende eines Druckpulses
auf den Wert pT2 erhöht wird und bei der der im
Drucktank herrschende Druck während
der Abgabe der Flüssig keit,
d. h. während
der Dauer eines Druckpulses, weder geregelt noch nachgeführt wird.
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Der
erfindungsgemässe
Betrieb kann durch weitere fakultative Massnahmen verbessert werden, nämlich erstens
dadurch, dass der Drucksensor das nach dem Druckaufbau erreichte
Druckniveau pB1,ist misst und dass der im
Drucktank vor dem Beginn des nächsten
Druckpulses herrschende Druck pT2 so eingestellt
wird, dass das Druckniveau pB beim nächsten Mal
(bzw. im statistischen Mittel) den vorbestimmten Sollwert pB1 erreicht. Eine Veränderung des Druckniveaus pB1,ist infolge der Entleerung des Flüssigkeitsbehälters wird
somit verhindert. Eine zweite Massnahme, die als Alternative zur
ersten Massnahme zur Anwendung kommt, besteht darin, den Druckverlauf im
Flüssigkeitsbehälter (bzw.
am Ausgang der pneumatischen Vorrichtung) während des Druckpulses zu messen,
das zeitliche Integral des Druckes zu berechnen, und den im Drucktank
vor dem Beginn des nächsten
Druckpulses zu erreichenden Druck pT2 so nachzuführen, dass
das zeitliche Integral des Drucks im statistischen Mittel konstant
bleibt. Bei einer pneumatischen Vorrichtung, bei der der im Drucktank
herrschende Druck nicht geregelt, sondern eingestellt wird, besteht
eine dritte Massnahme darin, dass jeweils nach dem Abschluss des
Druckpulses im Drucktank zunächst
ein höherer
Druck als der gewünschte
Druck erzeugt wird und dass dann der Druck auf den gewünschten
Wert abgesenkt wird. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des im
Drucktank einzustellenden Druckniveaus insbesondere bei vergleichsweise
kleinem Druckniveau erhöht
werden.
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Die
Erfindung betrifft also einerseits den Betrieb einer pneumatischen
Vorrichtung für
die dosierte Abgabe einer Flüssigkeit,
wobei die pneumatische Vorrichtung einen Drucktank aufweist, der
mittels eines Einlassventils mit einer Druck luftquelle verbindbar
und mittels eines Auslassventils mit der Umgebung verbindbar ist,
wobei der Drucktank für
die Abgabe von Flüssigkeit über ein
Umschaltventil temporär
mit einem die Flüssigkeit
enthaltenden Flüssigkeitsbehälter verbunden
wird, wobei der Druck im Drucktank vor der Abgabe von Flüssigkeit
auf einen Wert erhöht
wird, der grösser
als der während
der Abgabe von Flüssigkeit
einzuhaltende Sollwert ist.
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Bevorzugt
wird zudem das Druckniveau pB1 gemessen,
das sich gegen Ende der Flüssigkeitsabgabe
im Drucktank oder in einer Verbindungsleitung zwischen dem Drucktank
und dem Flüssigkeitsbehälter oder
im Flüssigkeitsbehälter einstellt,
und ein Sollwert für
den im Drucktank vor der nächsten
Abgabe von Flüssigkeit
zu erreichenden Druck unter Berücksichtigung
des gemessenen Druckniveaus pB1 so bestimmt
und nachgeführt,
dass das Druckniveau pB1 während des
fortlaufenden Betriebs im statistischen Mittel den gleichen Wert
erreicht.
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Bevorzugt
wird insbesondere das Druckniveau p
B(t)
beim Flüssigkeitsbehälter in
Funktion der Zeit t gemessen und das Integral
berechnet, wobei das Druckniveau
p
B(t) am Zeitpunkt t
1 einen
ersten vorbestimmten Schwellwert überschreitet und am Zeitpunkt
t
2 einen zweiten vorbestimmten Schwellwert
unterschreitet, und wobei die Funktion g(p
B)
eine vorgegebene Gewichtsfunktion ist, und ein Sollwert für den im
Drucktank vor der nächsten
Abgabe von Flüssigkeit
zu erreichenden Druck p
T unter Berücksichtigung
des Integrals so bestimmt und nachgeführt, dass das Integral während des
fortlaufenden Betriebs im statistischen Mittel den gleichen Wert
erreicht.
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Die
Erfindung betrifft andererseits eine pneumatische Vorrichtung, die
einen Drucktank, ein erstes Einlassventil, das zwischen dem Drucktank
und einer Druckluftquelle angeordnet ist, ein erstes Auslassventil,
das zwischen dem Drucktank und der Umgebung angeordnet ist, einen
Vakuumtank, ein zweites Einlassventil, das zwischen dem Vakuumtank
und der Umgebung angeordnet ist, ein zweites Auslassventil, das
zwischen dem Vakuumtank und einer Vakuumquelle angeordnet ist, ein
erstes Umschaltventil, das zwischen dem Drucktank und einem Ausgang der
pneumatischen Vorrichtung angeordnet ist, und eine Steuereinrichtung
umfasst, die so programmiert ist, dass das erste Einlassventil die
Verbindung zwischen dem Drucktank und der Druckluftquelle und das
erste Auslassventil die Verbindung zwischen dem Drucktank und der
Umgebung unterbrochen hält,
während
das erste Umschaltventil den Drucktank druckmässig mit dem Flüssigkeitsbehälter verbindet.
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Bei
einer solchen pneumatischen Vorrichtung wird das Druckniveau im
Drucktank nach dem Abschluss der Abgabe der Flüssigkeit bevorzugt eingestellt,
indem der Drucktank mittels des Einlassventils zuerst mit der Druckluftquelle
und anschliessend mittels des Auslassventils mit der Umgebung verbunden
wird, so dass der Druck zuerst über
den Sollwert ansteigt und dann auf den Sollwert abgesenkt wird.
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Die
pneumatische Vorrichtung umfasst vorzugsweise ein zweites Umschaltventil,
das zwischen dem ersten Umschaltventil und dem Vakuumtank angeordnet
ist.
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Um
Druckreflexionen zu vermeiden, ist zwischen dem Drucktank und dem
ersten Umschaltventil mit Vorteil eine Drossel angeordnet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der pneumatischen
Vorrichtung und anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine erfindungsgemässe pneumatische
Vorrichtung, und
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2 den
zeitlichen Verlauf verschiedener Drücke, und
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3 die
pneumatische Vorrichtung gemäss 1,
die um einen Druckregler erweitert ist.
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Die 1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemässe
pneumatische Vorrichtung 1 für die dosierte Abgabe einer
Flüssigkeit,
die sich für
die Durchführung
des oben erläuterten
erfindungsgemässen
Verfahrens besonders eignet. Die Vorrichtung 1 enthält einen
Eingang 2 für
die Zuführung
von Druckluft, die von einer externen Druckluftquelle erzeugt wird,
und einen Ausgang 3, der über einen Schlauch mit dem
Flüssigkeitsbehälter 4 verbunden wird.
Die Vorrichtung 1 besteht aus drei pneumatischen Teilgruppen 5-7,
die drei Teilfunktionen erfüllen.
Die erste Teilgruppe 5 erzeugt das obere Druckniveau, das
für die
Abgabe der Flüssigkeit
benötigt wird.
Die zweite Teilgruppe 6 erzeugt das Haltevakuum, das das
Nachtropfen der Flüssigkeit
verhindern soll. Die dritte Teilgruppe 7 steuert die Abgabe
der Flüssigkeit.
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Die
erste Teilgruppe 5 umfasst einen Drucktank 8,
einen ersten Drucksensor 9 für die Messung des im Drucktank 8 herrschenden
Drucks pT, ein Einlassventil 10 für den Druckaufbau
und ein Auslassventil 11 für den Druckabbau im Drucktank 8.
Das Einlassventil 10 verbindet den Drucktank 8 mit
dem Eingang 2. Das Auslassventil 11 verbindet
den Drucktank 8 mit der Umgebungsluft. Die erste Teilgruppe 5 umfasst
weiter Treiber für
die Steuerung der Ventile 10 und 11, sowie eine
Auswerteschaltung für
die Auswertung des vom Drucksensor 9 gelieferten Ausgangssignals.
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Die
zweite Teilgruppe 6 umfasst eine mit dem Eingang 2 verbundene
und somit mit Druckluft versorgte Venturidüse 12 zum Erzeugen
eines Vakuums, einen Vakuumtank 13, ein Einlassventil 14 für den Abbau
und ein Auslassventil 15 für den Aufbau des Vakuums im
Vakuumtank 13 und einen Drucksensor 16 für die Messung
des Vakuums bzw. Unterdrucks im Vakuumtank 13. Das Einlassventil 14 verbindet
den Vakuumtank 13 mit der Umgebungsluft. Das Auslassventil 15 verbindet
den Vakuumtank 13 mit der Venturidüse 12. Die zweite
Teilgruppe 6 umfasst weiter Treiber für die Steuerung der Ventile 14 und 15,
sowie eine Auswerteschaltung für
die Auswertung des vom zweiten Drucksensor 16 gelieferten Ausgangssignals.
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Die
dritte Teilgruppe 7 umfasst ein erstes Umschaltventil 17,
das entweder den Drucktank 8 oder den Vakuumtank 13 mit
dem Ausgang 3 der pneumatischen Vorrichtung 1 verbindet,
ein zweites Umschaltventil 18, das zwischen dem ersten
Umschaltventil 17 und dem Vakuumtank 13 angeordnet ist
und den Abbau des Drucks im Flüssigkeitsbehälter 4 über die
Umgebungsluft ermöglicht,
sowie einen dritten Drucksensor 19, der entweder beim Ausgang 3 oder
im Flüssigkeitsbehälter 4 angeordnet
ist. Die dritte Teilgruppe 7 umfasst ebenfalls Treiber
für die Steuerung
der beiden Umschaltventile 17 und 18, sowie eine
Auswerteschaltung für
die Auswertung des vom dritten Drucksensor 19 gelieferten
Ausgangssignals.
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Die
Ventile 10, 11, 14, 15, 17 und 18 sind charakterisiert
durch folgende Eigenschaften:
- – Sie sind
Ventile mit nur zwei Ventilstellungen A und B, die bei einem Ausfall
der Energieversorgung eine vorbestimmte Ventilstellung einnehmen,
nämlich
die in der 1 als Stellung A bezeichnete
Ventilstellung.
- – Sie
sind Schnellschalt- oder Hochleistungsventile, die eine Schaltzeit
von zwei bis höchstens etwa
vier Millisekunden aufweisen.
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Eine
Steuereinrichtung 20 steuert die pneumatische Vorrichtung 1.
Die Steuereinrichtung 20 enthält eine Schnittstelle 21,
damit der Betrieb der pneumatischen Vorrichtung 1 von einer übergeordneten
Stelle gesteuert werden kann. Die erfindungsgemässe pneumatische Vorrichtung 1 wurde
entwickelt für
den Einsatz auf einem Montageautomaten für die Montage von Halbleiterchips,
um Klebstoff auf die Substrate aufzutragen. Der Montageautomat umfasst
eine Dispensstation, wo der Klebstoff auf die Substrate aufgebracht
wird, und eine Bondstation, wo die Halbleiterchips auf dem Substrat
platziert werden. Die Dispensstation enthält eine Dispensdüse oder
eine bewegliche Schreibdüse.
Die Dispensdüse bleibt
während
des Auftragens des Klebstoffes stationär, die Schreibdüse führt während des
Auftragens des Klebstoffes eine Schreibbewegung aus. Der Flüssigkeitsbehälter 4 mit
dem Klebstoff ist entweder stationär auf der Dispensstation angeordnet
oder er ist auf einem Schreibkopf montiert, der die Schreibdüse über das
Substrat bewegt. Ein Ausgang des Flüssigkeitsbehälters 4 ist
direkt oder über
einen Schlauch mit der Dispensdüse
beziehungsweise der Schreibdüse
verbunden. Der Ausgang 3 der pneumatischen Vorrichtung 1 ist über einen
Schlauch mit dem Flüssigkeitsbehälter 4 verbunden.
Der Montageautomat wird von einem Computer gesteuert, der die für den Betrieb
der pneumatischen Vorrichtung 1 erforderlichen Daten über die
Schnittstelle 21 an die Steuereinrichtung 20 übermittelt.
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Die
pneumatische Vorrichtung 1 setzt sich aus den genannten
drei Teilgruppen 5-7 zusammen. Die beiden Umschaltventile 17 und 18 sind
möglichst nahe
beim Flüssigkeitsbehälter 4 platziert.
Die erste Teilgruppe 5 mit dem Drucktank 8 und
die zweite Teilgruppe 6 mit dem Vakuumtank 13 sind
aus Platzgründen
in einiger Entfernung von den beiden Umschaltventilen 17 und 18 untergebracht.
Dieser dezentrale Aufbau der pneumatischen Vorrichtung 1 kann
dazu führen,
dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Drucktank 8 und
dem ersten Umschaltventil 17 unerwünschte, durch Reflexionen bedingte
Druckwellen auftreten. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, in die
Verbindungsleitung nahe beim Drucktank 8 eine Drossel 22 einzubauen,
um Reflexionen am Drucktank 8 zu verhindern. Die Drossel 22 ist
per Definition eine Verjüngung
in der Verbindungsleitung, deren erforderliche Stärke am besten
empirisch bestimmt wird.
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Die
pneumatische Vorrichtung 1 ist so aufgebaut, dass bei einem
Ausfall der Energieversorgung alle Ventile mit Ausnahme des zweiten
Umschaltventils 18 die Stellung A einnehmen, während das
zweite Umschaltventil 18 zuerst die Stellung B und erst
nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer die Stellung A einnimmt,
damit ein allfälliger Überdruck
im Flüssigkeitsbehälter 4 zuerst über die
Umgebung abgebaut wird, bevor der Flüssigkeitsbehälter 4 mit
dem Vakuumtank 13 verbunden wird.
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Die
Steuereinrichtung 20 kann zudem so programmiert werden,
dass sie erkennt, wenn der Druck im Drucktank 8 oder das
Vakuum im Vakuumtank 13 nicht aufgebaut werden kann, was
auf einen Ausfall der Druckversorgung schliessen lässt, und dass
sie dann alle Ventile in die Stellung A bringt, so dass auch bei
einem Ausfall der Druckversorgung keine Flüssigkeit ausläuft, wobei
jedoch das zweite Umschaltventil 18 wie vorhin zuerst die
Stellung B und erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer die
Stellung A einnimmt.
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Die
pneumatische Vorrichtung 1 kann zwei Zustände V und
P einnehmen. Im Zustand V versorgt sie den Ausgang 3 mit
Haltevakuum, im Zustand P versorgt sie den Ausgang 3 mit
Druckluft. Im folgenden wird ein Zyklus beschrieben, der mit einem Wechsel
vom Zustand V in den Zustand P beginnt, d.h. der Zyklus beginnt
mit dem Anlegen eines Druckpulses. Im Zustand V befinden sich die
Ventile 10, 11, 14, 15, 17 und 18 in
der in der 1 als Ventilstellung A bezeichneten
Stellung. Das Signal zum Wechsel wird zu gegebener Zeit vom Computer
des Montageautomaten an die Steuereinrichtung 20 übermittelt, worauf
die folgenden Schritte durchgeführt
werden:
- 1. Das Umschaltventil 17 wechselt
von der Stellung A in die Stellung B: Der Flüssigkeitsbehälter 4 ist
nun druckmässig
mit dem Drucktank 8 verbunden, so dass der Druck pB im Flüssigkeitsbehälter 4 ansteigt
und ein annähernd
konstantes Druckniveau pB1 erreicht.
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Der
Vakuumtank 13 ist nun vom Flüssigkeitsbehälter 4 entkoppelt
und kann für
den nächsten
Einsatz vorbereitet werden. Am Ende eines Druckpulses steigt der
Druck im Vakuumtank 13 jeweils etwas an, da die aus dem
Flüssigkeitsbehälter 4 abzuführende Luft
nur in den Vakuumtank 13 strömt, jedoch nicht über die
Venturidüse 12.
abgeführt
wird. Der Vakuumtank 13 wird deshalb wie folgt entleert:
- 2A. Das Auslassventil 15 wechselt
von der Stellung A in die Stellung B: Der Vakuumtank 13 ist nun
druckmässig
mit der Venturidüse 12 verbunden,
so dass das Vakuum im Vakuumtank 13 wieder zunimmt.
- 2B. Sobald das Ausgangssignal des zweiten Drucksensors 16 anzeigt,
dass das Vakuum einen vorbestimmten Wert pV1 erreicht
hat, wechselt das Auslassventil 15 von der Stellung B wieder
in die Stellung A. Anschliessend wechselt das Einlassventil 14 von
der Stellung A in die Stellung B: Der Vakuumtank 13 ist
nun druckmässig
mit der Umgebung verbunden, so dass das Vakuum im Vakuumtank 13 wieder
abnimmt.
- 2C. Sobald das Ausgangssignal des zweiten Drucksensors 16 anzeigt,
dass das Vakuum im Vakuumtank 13 einen vorbestimmten Wert
pV2 erreicht hat, wechselt das Einlassventil 14 von
der Stellung B in die Stellung A.
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Im
Vakuumtank 13 herrscht nun ein Vakuum, dessen Druck das
Druckniveau pV2 aufweist.
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Sobald
die für
den Druckpuls vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist, wechselt die
pneumatische Vorrichtung 1 vom Zustand P in den Zustand
V:
- 3. Das Druckniveau im Drucktank 8 wird
noch vor dem Wechsel vom ersten Drucksensor 9 gemessen
und als Wert pB1 gespeichert.
- 4. Das zweite Umschaltventil 18 wechselt von
der Stellung A in die Stellung B. Dieser Schritt ist eine Vorbereitungsschritt,
der auch früher,
z.B. bereits unmittelbar nach dem Schritt 1 durchgeführt werden
kann.
- 5. Das erste Umschaltventil 17 wechselt von
der Stellung B in die Stellung A: die Verbindung des Flüssigkeitsbehälters 4 mit
dem Drucktank 8 wird unterbrochen. Weil das zweite Umschaltventil 18 in
der Stellung B ist, ist der Flüssigkeitsbehälter 4 nun
druckmässig
mit der Umgebung verbunden. Der im Flüssigkeitsbehälter 4 herrschende Überdruck
wird deshalb abgebaut, ohne dass der Vakuumtank 13 belastet
wird.
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Die
Staffelung der Schritte 4 und 5 gewährleistet,
dass der Flüssigkeitsbehälter unabhängig von toleranzbedingten
Schaltverzögerungen
der beiden Umschaltventile 17 und 18 nicht kurzzeitig
mit dem Vakuumtank 13 verbunden wird, bevor der Überdruck abgebaut
ist.
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Der
Zustand P ist nun beendet und es folgt eine Übergangsphase T, die andauert,
bis der Druck im Flüssigkeitsbehälter 4 auf
den in der Umgebung herrschenden Druck abgebaut ist.
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Im
Flüssigkeitsbehälter 4 erfolgt
der Aufbau des Haltevakuums und gleichzeitig wird der Drucktank 8 für die Abgabe
des nächsten
Druckpulses vorbereitet.
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Der
am Ausgang 3 herrschende Druck pB wird
vom dritten Drucksensor 19 überwacht.
- 6A.
Sobald das Ausgangssignal des Drucksensors 19 anzeigt,
dass der Druck pB annähernd auf das Niveau des Druckes
in der Umgebung abgesunken ist, wechselt das zweite Umschaltventil 18 von
der Stellung B in die Stellung A. Der Flüssigkeitsbehälter 4 ist
nun mit dem Vakuumtank 13 verbunden. Der Druck im Flüssigkeitsbehälter 4 sinkt
deshalb annähernd
auf den im Vakuumtank 13 herrschenden Druck ab.
- 6B1. Das Einlassventil 10 wechselt von der
Stellung A in die Stellung B: Dem Drucktank 8 wird nun
Druckluft zugeführt.
Der im Drucktank herrschende Druck pT wird
vom ersten Drucksensor 9 laufend gemessen. Sobald das Ausgangssignal des
Drucksensors 9 anzeigt, dass der Druck pT einen
vorbestimmten Wert pT1 erreicht hat, wechselt das
Einlassventil 10 von der Stellung B wieder in die Stellung
A.
- 6B2. Das Auslassventil 11 wechselt von der
Stellung A in die Stellung B: Der Drucktank 8 ist nun druckmässig mit
der Umgebung verbunden, so dass der Druck pT wieder
abnimmt.
- 6B3. Sobald das Ausgangssignal des Drucksensors 9 anzeigt,
dass der Druck einen vorbestimmten Wert pT2 erreicht
hat, wechselt das Auslassventil 11 von der Stellung B wieder
in die Stellung A. Im Drucktank 8 herrscht nun der Druck
pT2. Der Wert pT2 wird
vorzugsweise abhängig
vom im Schritt 3 gemessenen Wert pB1 festgelegt
als pT2 = pB1 + Δp, wobei
der Wert p von der Steuereinrichtung 20 so festgelegt wird,
dass das Druckniveau pB1 den vorbestimmten
Sollwert erreicht.
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Die
pneumatische Vorrichtung 1 befindet sich nun im Zustand
V und ist bereit für
die Abgabe des nächsten
Druckpulses.
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Die
erläuterten
Verfahrensschritte
1 bis
6B3 definieren den optimalen
Betrieb der pneumatischen Vorrichtung
1. Das wichtigste
beim erfindungsgemässen
Betrieb ist, dass die beiden Ventile
10 und
11 in
der Stellung A sind und bleiben, wenn sich die pneumatische Vorrichtung
1 im
Zustand P befindet, damit der Druck im Drucktank
8 während des
Druckpulses nicht nachgeregelt wird. Die Schritte
2B,
2C,
3,
6B2 und
6B3 könnten weggelassen
werden. Die in der Einleitung zitierten pneumatischen Vorrichtungen gemäss der
US 5,199,607 A oder
der
US 5,277,333 A lassen
sich gemäss
der Erfindung betreiben, wenn dort die Druckregelung für den Drucktank
während des
Druckpulses ausgeschaltet wird. Allerdings kann deren Betrieb noch über diese
Maßnahme
hinaus verbessert werden. Dies wird weiter unten näher erläutert.
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Die
Einstellung des Vakuums im Vakuumtank 13 kann auch auf
andere Arten erfolgen, insbesondere könnte das Vakuum im Vakuumtank 13 permanent
geregelt werden. Auch der Druckabbau im Flüssigkeitsbehälter 4 am
Ende eines Druckpulses könnte
auf andere Weise erfolgen.
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Die 2 zeigt
den zeitlichen Verlauf des im Vakuumtank 13 herrschenden
Drucks pV, des im Drucktank 8 herrschenden
Drucks pT und des im Flüssigkeitsbehälter 4 herrschenden
Drucks, wie sie sich beim Betrieb nach den oben erläuterten
Schritten einstellen. Die Kurven sind nicht massstäblich dargestellt,
um den Sachverhalt deutlich illustrieren zu können. Die Schritte 1 bis 6B3 des
oben erläuterten
Betriebsverfahrens sind auf der Zeitachse t ebenfalls eingetragen.
Der Druck pA bezeichnet den in der Umgebung
herrschenden Atmosphärendruck.
Dieser 2 ist zu entnehmen, dass der Druck im Drucktank 8 am
Beginn eines Druckpulses abnimmt, weil das Volumen um das Totvolumen
des Flüssigkeitsbehälters 4 und
der Verbindungsleitung vergrössert wird.
Nach dem Abschluss des Druckpulses muss der Druck im Drucktank 8 deshalb
wieder aufgebaut werden.
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Die
erfindungsgemässe
Vorrichtung weist die folgenden Vorteile auf:
- – Das sich
im Flüssigkeitsbehälter 4 einstellende Druckniveau
pB1 bleibt konstant, da der Druck im Drucktank 8 während der
Abgabe des Druckpulses nicht nachgeregelt wird.
- – Das
Druckniveau pT2, das vor der Abgabe des nächsten Druckpulses
im Drucktank 8 aufgebaut wird, ist unabhängig von
Druckschwankungen der Druckluftquelle.
- – Das
in den Schritten 6B1 und 6B2 beschriebene zweistufige
Verfahren für
den Aufbau des Drucks im Drucktank 8 ermöglicht insbesondere
bei einem kleinen Druckniveau pT2 eine genaue
Einstellung des Druckniveaus pT2, da bei
einem kleinen einzustellenden Druckniveau pT2 der
Druck im Schritt 6B1 relativ schnell ansteigt, da die Druckdifferenz
gross ist, der Druck im Schritt 6B2 relativ langsam abfällt, da
dann die Druckdifferenz klein ist.
- – Jedes
Ventil wird pro Zyklus nur zweimal geschaltet, nämlich von der Stellung A in
die Stellung B und wieder zurück
in die Stellung A.
- – Bei
einem Ausfall der Energieversorgung gehen alle Ventile in die Stellung
A. Der Vakuumtank 13 ist druckmässig sowohl von der Venturidüse 12 als
auch von der Umgebung getrennt, aber mit dem Flüssigkeitsbehälter 4 verbunden.
Ein Auslaufen der Flüssigkeit
wird deshalb verhindert. Der Drucktank 8 ist druckmässig ebenfalls
von der Druckluftquelle und von der Umgebung getrennt.
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Es
kommt vor, dass sich die Form der Druckpulse im Laufe der Entleerung
des Flüssigkeitsbehälters
4 ändert. Damit ändert sich
auch die pro Druckpuls abgegebene Flüssigkeitsmenge. Aus diesem Grund
ist es vorteilhaft, mit dem dritten Drucksensor
19 den
Verlauf des Druckes p
B am Ausgang
3 der pneumatischen
Vorrichtung
1 zu messen und für jeden Druckpuls das Integral
zu berechnen, wobei der Zeitpunkt
t
1 den Zeitpunkt bezeichnet, an dem der
Druck p
B(t) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet,
und der Zeitpunkt t
2 den Zeitpunkt bezeichnet,
an dem der Druck p
B(t) den gleichen Schwellwert
oder einen anderen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, und
wobei der Index n zur Nummerierung der Druckpulse dient. Der Schwellwert
ist so vorbestimmt, dass das Integral I
n möglichst
proportional zur abgegebenen Flüssigkeitsmenge
ist. Das Integral kann alternativ auch gewichtet mit einer Gewichtsfunktion
g(p
B) gebildet werden als
wobei die Gewichtsfunktion
g(p
B) die Abhängigkeit der Fliessgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
vom momentan herrschenden Druck p
B modelliert.
Die Gewichtsfunktion g(p
B) hat beispielsweise
die Form g(p
B) = g
0 +
g
1·p
B, wobei g
0 und g
1 Konstanten sind. Das berechnete Integral
I
n wird dann benutzt, um das Druckniveau
p
T2 im Drucktank
8 so nachzuführen, dass
das Integral I
n+1 des nächsten Druckpulses gleich gross
ist: I
n+1 = I
n.
Das Druckniveau wird dann im Schritt
6B3 z.B. ein gestellt
auf den Wert
Alternativ könnte auch
die Pulsdauer um den Faktor
verlängert werden. Diese Regelung,
die hier nur im Grundsatz beschrieben ist, in der Praxis aber vorteilhaft
nach anerkannten Methoden der Statistik durchgeführt wird, so dass das Integral
im statistischen Mittel den gleichen Wert erreicht, sorgt dafür, dass
die pro Druckpuls abgegebene Flüssigkeitsmenge
unabhängig
vom Entleerungsgrad des Flüssigkeitsbehälters
4 ist.
-
Wie
aus der
2 ersichtlich ist, steigt der Druck
p
B im Flüssigkeitsbehälter
4 auf
den Wert p
B1 an, sobald im Schritt
1 das
Umschaltventil
17 von der Stellung A in die Stellung B
befördert
wird. Gleichzeitig sinkt der im Drucktank
8 herrschende
Druck p
T vom Anfangswert p
T2 auf
den Wert p
B1. Sobald der Druck im Flüssigkeitsbehälter
4 den
Wert p
B1 erreicht hat, bleibt er annähernd konstant,
da sich das Totvolumen durch die Abgabe der Flüssigkeit nur noch unwesentlich
vergrössert.
Das Druckniveau p
B1 entspricht dem während der
Abgabe der Flüssigkeit
einzuhaltenden Solldruckniveau. Ob das Solldruckniveau während der
Phase vom Schritt
1 bis zum Schritt
5 nachgeregelt
wird oder nicht, ist im Prinzip ohne Bedeutung. Die Erfindung lässt sich
deshalb auch implementieren bei einer pneumatischen Vorrichtung,
bei der der im Drucktank
8 herrschende Druck p
T permanent
geregelt wird, zum Beispiel bei einer pneumatischen Vorrichtung
gemäss
der
US 5,199,607 A oder
der
US 5,277,333 A oder
der pneumatischen Vorrichtung gemäss der
3, die um
einen Druckregler
23 erweitert ist. Die Steuereinrichtung
20 gibt
dem Druckregler
23 den Sollwert für den zu regelnden Druck vor
und der Druckregler
23 steuert das Einlassventil
10 und
das Auslassventil
11. Der Betrieb mit permanenter Druckregelung
des Drucks p
T erfolgt wie folgt:
- 1. Die pneumatische Vorrichtung befindet
sich im Zustand V, d. h. der Flüssigkeitsbehälter 4 wird
mit dem Haltevakuum versorgt. Erfindungsgemäss wird nun der im Drucktank 8 herrschende
Druck pT auf ein Druckniveau pT2 geregelt,
das höher
als das während
der Flüssigkeitsabgabe
einzuhaltende Solldruckniveau pB1 ist.
- 2. Für
die Abgabe von Flüssigkeit
wird der Flüssigkeitsbehälter 4 mit
dem Drucktank 8 verbunden, bei der Vorrichtung gemäss 3 durch
den Wechsel des Umschaltventils 17 von der Stellung A in
die Stellung B. Die pneumatische Vorrichtung befindet sich nun im
Zustand P.
- 3. Der Sollwert für
den Druckregler 23, der den im Drucktank 8 herrschenden
Druck regelt, wird vom Wert pT2 auf den
Wert pB1 gesenkt.
- 4. Um die Flüssigkeitsabgabe
zu beenden, wird der Flüssigkeitsbehälter 4 vom
Drucktank 8 getrennt, bei der Vorrichtung gemäss 3 durch den
Wechsel des Umschaltventils 17 von der Stellung B in die
Stellung A.
- 5. Der Sollwert für
den Druckregler 23, der den im Drucktank 8 herrschenden
Druck regelt, wird vom Wert pB1 wieder auf
den Wert pT2 erhöht.
-
Bei
dieser Betriebsart wird also im Prinzip der im Drucktank 8 herrschende
Druck pT auf den Wert pT2 geregelt,
während
der Flüssigkeitsbehälter 4 vom
Drucktank 8 getrennt ist, und auf den Wert pB1 geregelt,
während
der Flüssigkeitsbehälter 4 mit
dem Drucktank 8 verbunden ist. Anzumerken ist jedoch, dass
der Zeitpunkt, an dem der Sollwert für den Druckregler 23 vom
Wert pT2 auf den Wert pB1 gesenkt
wird, auch etwas vor oder nach dem Zeitpunkt liegen kann, an dem
der Flüssigkeitsbehälter 4 mit dem
Drucktank 8 verbunden wird, damit der Sollwert pB1 am Beginn der Flüssigkeitsabgabe auf optimale Weise
erreicht wird, d. h. möglichst
schnell und ohne Überschwingungen.
-
Mit
zunehmender Entleerung des Flüssigkeitsbehälters 4 steigt
das Druckniveau pT2 und somit auch die Differenz Δp = pT2 – pB1 an. Es ist daher vorteilhaft, zunächst in
einem Kalibrierungsschritt das Druckniveau pT2e zu
bestimmen, das eingenommen werden muss, wenn der Flüssigkeitsbehälter 4 leer ist,
und daraus die Differenz Δpe = PT2e – pB1 zu berechnen, und dann im Produktionsbetrieb
die Druckdifferenz Δp
zu überwachen
und ein Warnsignal zu erzeugen, wenn die Druckdifferenz Δp ein vorbestimmtes
Niveau k·Δpe oder k·(Δpe – Δpf) erreicht hat, wobei der Parameter k kleiner
als 1, beispielsweise k = 0.8 ist, und wobei Δpf die
Druckdifferenz bezeichnet, die eingenommen werden muss, wenn der
Flüssigkeitsbehälter 4 voll
ist, und spätestens
dann ein Stoppsignal zu erzeugen, wenn die Druckdifferenz Δp den Wert Δpe erreicht hat.
wobei die Gewichtsfunktion g(pB) die Abhängigkeit der Fliessgeschwindigkeit der Flüssigkeit vom momentan herrschenden Druck pB modelliert. Die Gewichtsfunktion g(pB) hat beispielsweise die Form g(pB) = g0 + g1·pB, wobei g0 und g1 Konstanten sind. Das berechnete Integral In wird dann benutzt, um das Druckniveau pT2 im Drucktank
verlängert werden. Diese Regelung, die hier nur im Grundsatz beschrieben ist, in der Praxis aber vorteilhaft nach anerkannten Methoden der Statistik durchgeführt wird, so dass das Integral im statistischen Mittel den gleichen Wert erreicht, sorgt dafür, dass die pro Druckpuls abgegebene Flüssigkeitsmenge unabhängig vom Entleerungsgrad des Flüssigkeitsbehälters
