Kraftgeregeltes berührungsloses Handhaben und Fügen mittels Leistungsultraschall
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Nachfrage nach Mikrosystemen wird vor allem von der Unterhaltungselektronik, der Automobiltechnik und der Medizintechnik getrieben. Besonders in den letzten Jahren ist eine kontinuierlich fortschreitende Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik zu beobachten. Dieser Trend führt jedoch zu immer empfindlicheren Bauteilen, Oberflächen sowie Funktionsstrukturen und somit zu einem Bedarf an neuen, schonenden Lösungsansätzen in der Handhabungs- und Fügetechnik. Auf Leistungsultraschall basierende, berührungslos arbeitende Systeme ermöglichen einen schonenden Handhabungsprozess ohne mechanischen Kontakt zwischen Bauteiloberfläche und Greifer. Der Kenntnisstand zur Antragsstellung erlaubte die Realisierung erster Funktionsmuster und Greifer. Allerdings ist es bisher nicht möglich, definierte Fügekräfte beim Ablegen der Komponenten durch eine gezielte Regelung der Prozessparameter auf die Bauteile aufzubringen. Um dies zu erreichen, wird in diesem Forschungsvorhaben eine grundlegende Untersuchung sowie Beschreibung des Gesamtsystems durchgeführt. Dieses besteht aus den mechanischen und elektrischen Komponenten des Ultraschallerzeugers, der Regelung sowie dem Luftspalt und dem levitierten Bauteil. Das Arbeitsprogramm lässt sich somit in die Untersuchung des Luftspalts, des elektromechanischen Wandlers und der Entwicklung einer Fügekraftregelung im 3. Antragsjahr gliedern. Im ersten Projektjahr wurde eine eingehende Untersuchung des Luftspalts durchgeführt. Die Simulationsmodelle wurden um die Möglichkeit zur Modellierung inkompressibler viskoser Fluide erweitert. Das Ergebnis der Modellbildung besteht aus zwei- bzw. dreidimensionalen Simulationsmodellen auf Basis der strömungsmechanischen Grundgleichungen in radialsymmetrischen bzw. kartesischen Koordinaten. Die Ergebnisse für die räumliche und zeitliche Druckverteilung im Luftspalt zeigen, dass die zwei- bzw. dreidimensionalen Modelle im Gegensatz zu den einfachen, auf der Reynoldsgleichung basierenden Modellen, in der Lage sind, grundlegende strömungsmechanische Phänomene abzubilden. Ein charakteristisches Strömungsphänomen, das beobachtet werden kann, ist die Ausbildung einer ins Zentrum des Luftspalts hineinlaufenden Welle. Deren Wellenlänge zeigt entsprechend der linearen Wellentheorie eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messungen des Druckprofils im Luftspalt bestätigt dieses charakteristische Strömungsphänomen. Die experimentelle Verifizierung und Optimierung der Simulationsmodelle erfolgte mit einem hochsensiblen Drucksensor, welcher an der Unterseite eines Probenkörpers angebracht ist. Des Weiteren ist sowohl rechnerisch als auch experimentell ein erheblicher Einfluss der Eigenform der Anregungsschwingung auf die Ausbildung des Druckprofils im Luftspalt festzustellen. Ergänzend zu den Druckmessungen wurde sowohl experimentell als auch mit Hilfe der erweiterten Simulationsmodelle das Traglastverhalten von Ultraschallschwingern ermittelt. Ein weiterer Vergleich zwischen Rechnung und Experiment zeigt, dass die mehrdimensionalen Simulationsmodelle das Traglastverhalten, insbesondere für hohe Kompressionen, wesentlich genauer als die bisher genutzten Modelle annähern. Dieses Ergebnis bildet die theoretische Grundlage für die Implementierung einer Kraftregelung mit der Anregungsamplitude und der Spalthöhe als Stellgrößen. Der aktuelle Stand der Forschung bildet die theoretische Grundlage zur Regelung der Kraft auf ein Bauteil im Nahfeld eines Ultraschallschwingers. Hierfür sind jedoch noch grundlegende Untersuchungen zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Ultraschallgenerators notwendig. Insbesondere ist für die Regelung der resultierenden Fügekraft das Übertragungsverhalten zwischen der Amplitude der Greiferspitze und dem elektrischen Potential an der integrierten Messpiezokeramik von großer Bedeutung. Deshalb wird derzeit an einem integrierten Simulationsmodell zur Abbildung des Gesamtsystems Ultraschallgenerator gearbeitet. Im Rahmen dieser Arbeit sollen sowohl die grundlegenden mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften als auch die Regelung des Generators betrachtet werden. Die Modellbildung und die schwingungstechnische Optimierung des Ultraschallgenerators erfolgt hierbei mit Hilfe des FEM-Programms COMSOL. Die anschließende Modellbildung des Gesamtsystems inklusive der Regelung wird in Matlab/Simulink durchgeführt. Mit Hilfe dieses Modells können anschließend spezifische Betriebszustände des Schwingers untersucht werden. Des Weiteren ist angedacht, dieses Modell regelungstechnisch zu erweitern, um grundlegende Betrachtungen zur Regelung der Fügekraft auf ein Bauteil durchzuführen. Dieses erweiterte Simulationsmodell bildet somit die Grundlage zur Implementierung der Kraftregelung in einen Demonstrator im dritten Projektjahr. Zeitgleich zu diesen Arbeiten befindet sich ein erster Versuchsstand zur prototypischen Implementierung einer Fügekraftregelung im Aufbau. Mit Hilfe dieses Aufbaus sollen die physikalischen Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der resultierenden Kraft im Nahfeld eines Ultraschallschwingers experimentell ermittelt und verifiziert werden können. Des Weiteren soll hiermit eine geeignete Sensorik für die Spalthöhe identifiziert werden. In der Mikrosystem- und Halbleitertechnik besteht ein hoher Bedarf an schonenden Handhabungssystemen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Verbundprojektes „SonicGrip“ wird deshalb der Prototyp eines berührungslos arbeitenden Ultraschall- Vakuumgreifers für die automatisierte und semimanuelle Bestückung von kleinen Bauteilen weiterentwickelt. Die Integration des Greifers erfolgt hierbei in Bestückautomaten. Seitens der Projektpartner besteht großes Interesse hinsichtlich der Integration der Fügekraftregelung in die Ultraschall-Vakuumgreiftechnologie. Auf diese Weise kann die praktische Umsetzbarkeit der im Rahmen dieses Vorhabens entwickelten Fügekraftregelung und die Plausibilität des Demonstrators in der Diskussion mit den Industriepartnern sichergestellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Non-contact handling for sensitive parts. In: Gessner, T. (Hrsg.): Smart Systems Integration; Paris 2007 March 27 – 28. Berlin und Offenbach: VDE Verlag GmbH 2007, S. 121-128
Zäh, M. F.; Heinz, M.
- Ultraschall - schwebend leicht und trotzdem kraftvoll. wt-online (2007) 9, S. 615-619
Reinhart, G.; Heinz, M.
