Brevet FR2638669A1 — publié le 19900511

"Robot permettant l'insertion et le soudage de composants électroniques sur une plaque support" La présente invention concerne un robot permettant l'insertion et le soudage de composants électroniques de type CMS (composants montés en surface) sur une plaque support, notamment en résine époxy ou en bakélite, portant un circuit imprimé, afin de permettre la fabrication d'une carte. Ces dernières années, on a mis au point des cartes électroniques du type susmentionné extrêmement sophistiquées, dont la fabrication manuelle est devenue extrêmement longue et couteuse ; pour cette raison, on a mis au point des robots permettant d'effectuer automatiquement les opérations liées à la mise en place et au soudage des différents composants sur une plaque support. Ces robots sont constitués par un corps de robot coopérant avec un ordinateur central commandant son déplacement suivant trois axes correspondant aux coordonnées d'espace, avec une tête de prise permettant de saisir par aspiration des éléments rangés dans un magasin pour les déplacer jusqu a un emplacement prédéterminé sur la plaque support, et avec une tête de soudage associée- à chaque type de composants électroniques et munie de deux à quatre électrodes dont la géométrie correspond à celle des composants à monter. Pour la fabrication des cartes, l'opérateur commande, depuis le clavier de l'ordinateur, la saisie dans une boîte d'une première tête de soudage correspondant à une première série de composants électroniques, puis la saisie, la mise en place et le soudage sur la plaque support de tous les composants de cette première série, avant de commander le remplacement de cette première tête par une seconde tête associée à une seconde série de composants électroniques, et ainsi de suite jusqu'à fabrication de l'ensemble de la carte. Selon leur géométrie, les composants électroniques doivent être soudés sur deux, trois ou au maximum quatre côtés, et les têtes de soudage peuvent donc être munies de deux, trois ou quatre électrodes. Lors de la mise en oeuvre de robots du type susmentionné, la maîtrise de la température lors de l'opération de soudage est particulièrement importante, étant donné que si celle-ci dépasse une valeur prédéterminée, on risque de détruire le support en résine époxy ou en bakélite qui est relativement fragile, de décoller le cuivre des circuits imprimés portés par cette plaque ou encore d'endommager les composants eux-mêmes. Cependant, pour obtenir un soudage satisfaisant, il est nécessaire que chaque électrode soit portée à une température minimale qui est fonction de chacun des composants, et peut même fréquemment différer pour chacune des faces d'un même composant. Aucun des robots qui ont, jusqu a présent, été proposés sur le marché ne permet d'obtenir une maîtrise satisfaisante de la température. L'invention a pour objet de combler cette lacune en proposant un robot du type ci-dessus carac térisé en ce qu'il comporte quatre capteurs de température associés à des thermostats équipant chacune des électrodes de la tête de soudage et coopérant avec l'ordinateur central pour maintenir individuellement la température de chacune de ces électrodes à une valeur prédéterminée réglable fonction des caractéristiques de chacun des composants électroniques à monter. Bien entendu, en fonction de la géométrie du composant, les quatre capteurs de température peuvent être activés ou seulement deux ou trois lorsque le composant ne doit être soudé que par deux ou trois de ces faces. Pour effectuer la mise en place de différents composants, le corps de robot doit, tout d'abord être déplacé horizontalement pour se trouver au droit de l'emplacement de la plaque support où le composant doit être inséré, puis descendu verticalement jusqu'à cet emplacement. Pour faciliter ce mouvement, selon une autre caractéristique de l'invention, le corps de robot est susceptible de tourner de 90- dans chaque sens autour d'un axe vertical. Ainsi, le corps de robot possède quatre degrés de liberté de mouvement, à savoir trois de translation et un de rotation. Un autre inconvénient des robots classiques du type considéré, est que le mouvement de descente du corps de robot en direction de la plaque support est commandé manuellement, ce qui entraîne également des risques d'endommagement de la plaque support qui ne peut pas supporter des pressions trop importantes. Pour remédier à cet inconvénient et selon une caractéristique préférentielle de l'invention, il est prévu un capteur de pression sensible à la prise sion avec laquelle le robot s'appuie sur la plaque support et coopérant avec l'ordinateur central pour arrêter le déplacement du corps de robot en direction de la plaque support dès que cette pression atteint une valeur prédéterminée réglable. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu un capteur de positionnement permettant de positionner automatiquement le corps de robot selon les deux axes horizontaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, le mouvement de descente du corps de robot est subdivisé en deux parties, à savoir une première partie rapide qui peut être continue ou pas-à-pas, pendant laquelle le capteur de pression est inactif, puis, une seconde partie plus lente et pas-à-pas dans laquelle le capteur de pression est activé et coopère avec l'ordinateur central pour pouvoir arrêter ce mouvement dès que la pression dépasse une valeur prédéterminée. Bien que ces caractéristiques ne soient nullement limitatives de l'invention, la première partie rapide du mouvement de descente du corps de robot est généralement poursuivie jusqu'à ce que l'extrémité inférieure du composant électronique se trouve distante de la surface de la plaque support d'une distance approximativement égale à 0,5 mm tandis que le pas du mouvement pas-à-pas de la seconde partie plus lente est généralement de l'ordre de 0,01 mm. Bien entendu, par distance existant entre la plaque support et le composant électronique porté par la tête de prise, on doit comprendre la distance existant entre la plaque support et l'élément porté par le corps de robot qui en est le plus proche ; celui-ci peut, dans certains cas, également être constitué par une partie de la tête de soudage. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur de pression coopère avec l'ordinateur central pour commander la mise en oeuvre des électrodes de soudage dès que la pression d'appui sur la plaque support a atteint la valeur prédéterminée. L'invention permet donc de maîtriser totalement à la fois la température des électrodes et la pression exercée sur la plaque support lors de l'opération de soudage, ce qui permet de diminuer au maximum les risques d'endommagements. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ordinateur central est muni d'une mémoire permettant, après mise en oeuvre manuelle de l'ensemble des opérations de fabrication d'une carte, la répétition de cet ensemble d'opérations afin dé permettre la fabrication automatique de cartes identiques. En conséquence, l'opérateur commande manuellement, à partir du clavier de l'ordinateur la fabrication de la première carte d'une série puis, met en mémoire les opérations effectuées afin que les autres cartes de cette même série puissent être fabriquées de manière totalement automatique. Les caractéristiques du robot qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma représentant le robot en vue de face, - la figure 2 est un schéma représentant le robot en vue de dessus. Selon la figure 1, le robot 1 comporte un corps de robot 10, une tête de prise 11 et une tête de soudage 12. Il coopère avec un ordinateur central 2 muni d'un clavier 20 qui commande sa translation suivant trois axes correspondant aux axes de coordon nées d'espace x-x', y-y' et z-z', ainsi que sa rotation de 90@ dans un sens ou dans un autre autour de la verticale z-z'. Le robot 1 est destiné à permettre d'insérer et de souder des composants électroniques 3 primitivement rangés dans un magasin 4 (figure 2) sur une plaque support 5 placée sur une table horizontale 6 afin de fabriquer une carte électronique. La tête de prise li permet de saisir par aspiration, non seulement les composants électroniques 3 rangés dans le magasin 4, mais, également des têtes de soudage 12 primitivement rangées dans une boîte 13. Chacune de ces têtes de soudage 12 est munie de deux à quatre électrodes thermostatées 14 dont la géométrie correspond à celle d'une série de composants électroniques 3 afin de permettre d'effectuer leur soudage sur la plaque support 5. Il convient de noter que l'installation peut être munie d'un dispositif de contrôle permettant de s'assurer à tout moment du remplissage du magasin 4. Selon les figures 1 et 2, le corps de robot 10 est relié à une source de puissance 7 permettant l'alimentation en électricité des électrodes 14 des têtes de soudage 12. Selon les figures 1 et 2, des capteurs de température 15î, 152, 153, 154 détectent la température des électrodes 14 de la tête de soudage 12 montée sur le corps de robot 1 et transmettent cette information ar, a2, aî, a4 à l'ordinateur central 2 (figure 2) ; celui-ci compare chacune de ces températures à des températures prédéterminées réglables tr, t2, t31 t41 et envoie en réponse des signaux de commande br, b2, b31 b4 des thermostats associés à chacune des électrodes 14 de la tête de soudage 12 afin de maintenir la température de chacune de ces électrodes à la valeur prédéterminée t, t2, t31 t4,. Bien enten du, dans le cas d'une tête 12 ne comportant que deux ou trois électrodes 14, seules deux ou trois des capteurs de température 15r, 152, 153, 154, sont activés. Selon les figures l et 2, le fonctionnement du robot est le suivant Après avoir mis en place la plaque support 5 sur la table 6, l'opérateur commande, à partir du clavier 20 de l'ordinateur central 2, le déplacement du robot l dans le plan horizontal x-x', y-y' (figure 1) notamment à l'aide d'un capteur de positionnement 8 jusqu a ce que celui-ci se trouve au droit de la bote 13 dans laquelle sont classées les têtes de soudage 12 ; il commande alors la descente selon l'axe z-z' du corps de robot 10 jusqu a ce que la tête de prise il vienne saisir une première tête de soudage 12 correspondant à une première série de composants électroniques 3. L'opérateur relève ensuite le corps de robot 10 portant la tête de prise Il et cette première tête de soudage 12 puis le déplace jusqu'au droit du magasin 4 où la tête de prise ll saisit un premier composant 3 de la première série ; le corps de robot 10 est ensuite déplacé jusqu'à se trouver au droit de l'em- placement prévu pour le composant électronique 3 porté par la tête de prise 11 sur la plaque support 5, dans la position représentée sur la figure 1. L'opérateur commande alors la descente du robot 1 selon la flèche I en direction de la plaque support 5 ; cette descente relativement rapide, qui peut être continue ou pas-à-pas est poursuivie jusqu'à ce que l'extrémité inférieure du composant électronique 3 se trouve distant de la surface de la plaque support 5 d'une distance approximativement égale à 0,5 mm. A ce moment, l'ordinateur central 2 trans forme le mouvement de descente rapide en un mouvement de descente lente et pas-à-pas dont le pas réglable est de l'ordre de 1/100 de mm. A chaque pas de ce déplacement, un capteur de pression 9 prévu à cet effet dans la plaque support 6 détecte la pression avec laquelle celui-ci s'appuie contre la surface de la plaque support 5, et, envoie à l'ordinateur central 2 un signal d représentatif de cette pression ; l'ordinateur 2 compare alors le signal d à une pression prédéterminée réglable p, et lorsque cette valeur p est atteinte, l'ordinateur 2 envoie en réponse au robot 1 un signal e arrêtant son mouvement (figure 2).Simultanément, l'ordinateur 2 envoie au robot 1 un signal f commandant l'alimentation des électrodes 14 et l'actionnement des thermostats associés à celles-ci ainsi que des capteurs de température 151, 152, 153, 154, de façon telle que l'opération de soudage puisse être effectuée dans les conditions prescrites, c'est-à-dire en maintenant la température des différentes électrodes 14 à des valeurs prédéterminées réglables tr, t2, t3, t4 fonctions des caractéristiques du composant électronique 3. Lorsque cette première opération a été effectuée, l'opérateur commande l'insertion et le soudage à l'aide de la première tête de soudage 12 de tous les composants électroniques de la première série 3, puis, le remplacement de la première tête de soudage par une seconde tête de soudage correspondant à une seconde série de composants électroniques et ainsi de suite jusqu'à fabrication complète de la carte. Il convient de noter que, lors de la fabrication d'une première carte, l'opérateur met en mémoire chacune des opérations effectuées, de façon telle que la fabrication de cartes similaires puisse être effectuée de manière complètement automatique, sans intervention de l'opérateur sur le clavier de l'ordinateur. REVENDICATIONS le) Robot permettant l'insertion et le soudage de composants électroniques (3) sur une plaque support (5), afin de fabriquer une carte, constitué par un corps de robot (10) coopérant avec un ordinateur central (2) commandant son déplacement suivant trois axes (x-x', y-y', z-z') correspondant aux coordonnées d'espace, avec une tête de prise (ll) permettant de saisir par aspiration des éléments (3, 12) rangés dans un magasin (4, 13) pour les déplacer jusqu a un emplacement prédéterminé sur la plaque support (5), et avec une tête de soudage (12) associée à chaque type de composants électroniques (3) et munie de deux à quatre électrodes (14) dont la géométrie correspond à celle des composants (3) à monter, robot caractérisé en ce qu'il comporte quatre capteurs de température (15a, 152, 153, 154) associés à des thermostats équipant chacune des électrodes (14) de la tête de soudage (12) et coopérant avec l'ordinateur central (2) pour maintenir individuellement la température de chacune de ces électrodes (14) à une valeur prédéterminée réglable (t, t2, t3, t4) fonction des caractéristiques de chacun des composants électroniques (3) à monter. 21) Robot selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps de robot (10) est susceptible de tourner de 90e dans chaque sens autour d'un axe vertical (z-z'). 3*) Robot selon l'une quelconque des revendications l et 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un capteur de pression (9) sensible à la pression avec laquelle le robot (1) s'appuie sur la plaque support (5) et coopérant avec l'ordinateur central (2) pour arrêter le déplacement du corps de robot (10) en direction de la plaque support (5) dès que cette pres sion atteint une valeur prédéterminée réglable (p). 4 ) Robot selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de positionnement (8) permettant de positionner automatiquement le corps de robot (10) selon les deux axes horizontaux (x-x' et y-y'). 5 ) Robot selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mouvement du corps de robot est subdivisé en deux parties, à savoir, une première partie rapide continue ou pas-à-pas pendant laquelle le capteur de pression (9) est inactif et une seconde partie plus lente et pas-àpas dans laquelle le capteur de pression (9) est activé et coopère avec l'ordinateur central (2) pour pouvoir arrêter ce mouvement dès que la pression dépasse une valeur prédéterminée. 6w) Robot selon la revendication 5, caractérisé en ce que le pas du mouvement pas-à-pas de la seconde partie la plus lente est approximativement égal à 0,01 mm. 7 ) Robot selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la première partie rapide du mouvement de descente du corps de robot est poursuivie jusqu a ce que l'extrémité inférieure du composant électronique (3) se trouve distante de la surface de la plaque support (5) d'une distance approximativement égale à 0,5 mm. 8g) Robot selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le capteur de pression (9) coopère avec l'ordinateur central (2) pour commander la mise en oeuvre des électrodes de soudage (14) dès que la pression d'appui sur la plaque support (5) a atteint la valeur prédéterminée (p). 9-) Robot selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'ordinateur central (2) est muni d'une mémoire permettant, après mise en oeuvre manuelle de l'ensemble des opérations de fabrication d'une carte, la répétition de cet ensemble d'opérations afin de permettre la fabrication automatique des cartes identiques.