Die vorliegende Erfindung betrifft eine Präzisionswerkzeugmaschine, insbesondere für die Halbleiterindustrie, beispielsweise Drahtbonder, Die-Bonder, Bestückungsautomat oder Dispenser, mit einem Maschinengestell, einem Werkzeug, einem dieses tragenden Werkzeugschlitten, einem am Maschinengestell angeordneten Antriebssystem für den Werkzeugschlitten, einer Messeinrichtung für die Bewegung des Werkzeugschlittens und einer Steuereinrichtung für die Maschine.

Derartige Präzisionswerkzeugmaschinen sind bekannt. Generell nehmen die Anforderungen an solche Maschinen hinsichtlich Dynamik und Präzision stetig zu. Beschleunigungen von mehr als 20 m/s ² bei Positioniergenauigkeiten von 1 μm in den drei Hauptachsenrichtungen x, y und z sind heute durchaus üblich. Bei Drahtbondern ist zusätzlich eine hohe Bahntreue bei den Bewegungen notwendig. Diese hohen Anforderungen werden üblicherweise dadurch erreicht, dass man die zu bewegenden Massen möglichst klein hält. Bei seriellen Kinematiken mit kartesisch angeordneten Achsen, wie dem Kreuztisch für x, y mit ange- flanschter z-Achse, wird jedoch dadurch der erzielbare Verfahrbereich der Achsen eingeschränkt.

Größere Verfahrbereiche in x-, y-Richtungen erhält man durch Portalkinematiken, welche meist als Gantry ausgeführt sind. Mithilfe von Direktantrieben (Linearmotoren) erhält man die gewünschte hohe Dynamik, wobei hochauflösende inkrementelle oder auch absolute Linearmesssysteme die präzisen Positionen der Achsen liefern, wobei allerdings eine hohe Steifigkeit der Kinematik erforderlich ist. Solche Maschinen sind beispielsweise bei Beschleunigungen von 30 m/s ² in allen Achsen in der Lage, 5-6 Bondverbindungen mit der Genauigkeit von 1 μm herzustellen.

Auch der Portalbauweise sind jedoch Grenzen gesetzt. Der Einsatz stärkerer Antriebe, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen, ist nicht zielführend, da damit auch größere Massen bewegt werden müssen. Dies trifft insbesondere auf das Portal zu, das den x- und z-Motor trägt. Die damit verbundenen hohen Kräfte greifen als Reaktionskräfte am Maschinengehäuse an, was zur Folge hat, dass die gesamte Maschine zu unzulässigen Schwingungen angeregt wird, die wiederum als Störkräfte die Positionierregelungen negativ beeinflussen (schlechte Positioniergenauigkeit, Notwendigkeit von Beruhigungszeiten) .

Im Werkzeugmaschinenbau und in der Robotik kommen in jüngerer Zeit neben den seriellen Kinematiken auch Parallelkinematiken zum Einsatz, beispielsweise die sogenannten Hexapoden. Vorteilhaft ist hierbei, dass stärke- re und damit auch schwerere Antriebe eingesetzt werden, diese jedoch nur unwesentlich zur Erhöhung der bewegten Massen beitragen. Nachteilig ist, dass die erzielbaren Genauigkeiten durch die notwendigen Gelenke und die bau- teiltoleranzbedingten TCP-Berechnungsfehler 1-2 Größenordnungen schlechter sind als beispielsweise bei der Portalkinematik. Hochdynamische, parallelkinematische Maschinen für mikrometergenaue Anwendungen sind deshalb nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionswerkzeugmaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit der bei besonders wenig bewegten Massen eine besonders hohe Positioniergenauigkeit bei einem gleichzeitig großen Verfahrbereich und hoher Dynamik erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Präzisionswerkzeugmaschine der angegebenen Art dadurch gelöst, dass das Antriebssystem eine aus einer xy-Parallelkinematik und einer Portalkinematik kombinierte Antriebseinheit mit einer den in x-Richtung beweglichen Werkzeugschlitten tragenden und auf zwei Bahnen in y-Richtung verfahrbaren x-Traverse (Portal) und zwei an einem Ende gelenkig mit dem Werkzeugschlitten verbundenen Lenkern, die an ihren anderen Enden gelenkig mit zwei in y-Richtung verfahrbaren Linearantrieben verbunden sind, umfasst.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, eine xy-Parallelkinematik mit einer Portalkinematik so zu kombinieren, dass sich die Vorteile beider Konzepte vereinigen, ohne dass ihre Nachteile übernommen werden. Insbesondere trägt bei der erfindungsgemäßen Lösung die x- Traverse (das Portal) nur den Werkzeugschlitten (abgesehen von Messsystemen) und keinen Schlittenantrieb, so dass nur eine vergleichsweise geringe Masse bewegt werden muss. Am Werkzeugschlitten ist ein Werkzeug angeordnet, das zusätzlich über eine z-Achse und einen z-Achsen- Antrieb in z-Richtung bewegbar sein kann. Die Bewegung der x-Traverse bzw. des Portals in y-Richtung und die Bewegung des Werkzeugschlittens in x-Richtung wird allein durch zwei Linearantriebe bewirkt, welche über Gelenke und die beiden Lenker mit dem Werkzeugschlitten verbunden sind. Der größte Teil der Linearantriebe kann hierbei ortsfest angeordnet werden, während nur ein geringerer Teil der Antriebe mitbewegt wird. Beispielsweise können die schweren Magnetbahnen der Antriebe somit ortsfest angeordnet sein, während lediglich die insbesondere bei eisenlosen Linearmotoren leichten Primärteile (Wicklungen) der Antriebe bewegt werden müssen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird somit der Antrieb für den Werkzeugschlitten in x-Richtung und für die x- Traverse (das Portal) in y-Richtung weitgehend von den bewegten Teilen des Antriebssystems weg verlegt. Es muss lediglich noch ein geringer Teil der Antriebe mitbewegt werden, so dass sich aufgrund der weniger bewegten Massen eine besonders hohe Präzision bzw. Positioniergenauigkeit bei gleichzeitig hoher Dynamik und großem Verfahrbereich der Maschine ergibt. Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Präzisionswerkzeugmaschine wird das Werkzeug über das vorstehend beschriebene AntriebsSystem in der xy-Ebene bewegt. Die Bezeichnung "xy-Ebene" wurde hier nur aus Vereinfachungsgründen gewählt. Die Bewegung kann natürlich auch in einer xz-Ebene oder yz-Ebene stattfinden, d.h. in einer beliebigen Ebene im Raum. Mit dem Begriff "z-Richtung" ist allgemein die auf dieser Ebene senkrecht stehende Richtung gemeint. Demzufolge soll der Begriff "xy-Parallelkinematik" allgemein eine Parallelkinematik in einer beliebigen Ebene im Raum bezeichnen.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Antriebseinheit sind beide Lenker gelenkig mit dem Werkzeugschlitten einerseits und jeweils mit einem Linearantrieb andererseits verbunden. Der Linearantrieb führt eine Bewegung auf einer zugehörigen Bahn in y-Richtung durch. Da zwei Linearantriebe mit zwei zugehörigen Lenkern vorgesehen sind, bewirken diese eine Bewegung des Werkzeugschlittens sowohl in x-Richtung (senkrecht zur Bahn) als auch über die x-Traverse (das Portal) in y-Richtung.

Die Linearantriebe der beiden Lenker weisen vorzugsweise zwei in y-Richtung verlaufende Bahnen auf. Mit anderen Worten, jedem Lenker ist eine eigene Bahn (Führungsbahn) zugeordnet. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Linearantriebe der beiden Lenker eine gemeinsame in y-Richtung verlaufende Bahn auf, d.h. beiden Lenkern ist hierbei eine einzige Bahn zugeordnet. Vorzugsweise sind die beiden Lenker in Bezug auf die x- Traverse auf der gleichen Seite angeordnet. Bei einer anderen Aüsführungsform sind die beiden Lenker in Bezug auf die x-Traverse auf verschiedenen Seiten angeordnet. Bei beiden Ausführungsformen können die Lenker zwei verschiedene Bahnen oder eine gemeinsame Bahn besitzen.

Bei der Bahn/den Bahnen der Linearantriebe der Lenker kann es sich um reine Führungsbahnen oder um Bahnen handeln, die Antriebsfunktionen übernehmen. Beispielsweise kann es sich bei den Bahnen um Magnetbahnen der Antriebe handeln, während die übrigen Teile der Linearantriebe hier nur von leichten Primärteilen der Antriebe gebildet sind. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Bahnen als Spindeln ausgebildet, die mit Spindelmuttern zusammenwirken, welche mit den Lenkarmen gelenkig verbunden sind. Generell kann es sich daher bei den Linearantrieben um beliebige Linearantriebe handeln (elektromotorische Antriebe) .

Die Bahnen, auf denen die x-Traverse (das Portal) bewegbar ist, und die Bahn/Bahnen für die Linearantriebe der Lenker können identisch oder verschieden sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind verschiedene Bahnen vorhanden, wobei die x-Traverse (das Portal) an der Innenseite einer Bahnkonstruktion bewegbar sein kann, während die Linearantriebe für die Lenker an der Außenseite der Bahnkonstruktion angeordnet bzw. geführt sein können. Da der Werkzeugschlitten auf der x-Traverse (dem Portal) zwangsgeführt ist, müssen die Lenker nicht mehr zwingend an einem einzigen Gelenk mit dem Werkzeugschlitten verbunden sein. Vielmehr kann jeder Lenker ein einzelnes Drehgelenk erhalten. Erfindungsgemäß wird daher eine Ausführungsform bevorzugt, bei der jeder Lenker mit einem einzelnen Gelenk mit dem Werkzeugschlitten verbunden ist.

Die Messeinrichtung für die Maschine umfasst vorzugsweise drei Linear-Messsysteme, eine für die x-Richtung und die beiden anderen für die Lenker. Dabei ist das Linear- Messsystem für die x-Richtung, d.h. die Bewegung des

Werkzeugschlittens in x-Richtung, an der x-Traverse (am Portal) angeordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung für die Maschine vorzugsweise vier oder fünf Linear-Messsysteme für die x-Richtung, die beiden Lenker und für die y-Richtung (ein- oder zweifach) .

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an der x-Traverse des Weiteren ein oder zwei Linearantriebe für die y-Richtung zur Bewegung der x- Traverse auf den zugehörigen Bahnen angeordnet. Durch diese Maßnahme werden die Lenkerantriebe von der Beschleunigungsaufgabe in y-Richtung entlastet, ohne dass die bewegten Massen entscheidend erhöht werden. Durch die in diesem Fall vorhandene Redundanz in den Antrieben erhält man die Möglichkeit, die Steifigkeit der Konstruktion antriebstechnisch weiter zu erhöhen, ohne zusätzlich Masse einsetzen zu müssen. Die sonst für die Steifigkeit der Struktur verantwortliche massive x-Traverse kann durch eine leichte Struktur ersetzt werden, welche in y- Richtung vergleichsweise biegeweich sein darf. Bei der x- Traverse kann es sich daher um eine Leichtbaukonstruktion handeln, die in y-Richtung vergleichsweise wenig biegesteif ist.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Präzisionswerkzeugmaschine sind daher insgesamt drei oder vier Linearantriebe (Motoren) vorhanden, von denen zwei den beiden Lenkern zugeordnet sind und der zusätzliche eine Antrieb oder die zusätzlichen zwei die x-Traverse direkt antreiben.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung vorzugsweise die bereits erwähnten vier oder fünf Linear-Messsysteme für die x-Richtung (ein Messsystem), für die beiden Lenker (zwei Messsysteme) und für die y-Richtung (ein oder zwei Messsysteme) .

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Präzisionswerkzeugmaschine handelt es sich vorzugsweise um einen Drahtbon- der. Hierbei trägt der Werkzeugschlitten einen Bondkopf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische räumliche Darstellung des An- triebssystems einer Präzisionswerkzeugmaschine am Beispiel eines Drahtbonders;

Figur 2 eine entsprechende Darstellung wie Figur 1 in einer anderen Stellung der x-Traverse und des Werkzeugschlittens ;

Figur 3 eine schematische räumliche Darstellung wie Figur 1 einer anderen Ausführungsform eines Antriebssystems für einen Drahtbonder; und

Figur 4 eine Konstruktionsdarstellung des Antriebssystems einer Präzisionswerkzeugmaschine am Beispiel eines Drahtbonders einer anderen Ausführungsform, die zusätzlich zwei Linearantriebe für den Antrieb der x-Traverse aufweist.

Das in Figur 1 schematisch dargestellte Antriebssystem für einen Drahtbonder besitzt einen nur schematisch gezeigten Werkzeugschlitten 2, an dem das Werkzeug, d.h. der Bondkopf, über eine Aufnahme 3 angeordnet ist. Der Werkzeugschlitten 2 ist entlang einer x-Traverse (eines Portals) 1 bewegbar und ist an dieser zwangsgeführt. Die Richtung, in der sich die Längsachse der x-Traverse 1 erstreckt, wird hier als x-Richtung bezeichnet. Die x- Traverse 1 ist entlang zwei Führungsbahnen 4 bewegbar, deren Richtung hier als y-Richtung bezeichnet wird.

Das Werkzeug, d.h. der Bondkopf, ist ferner mit Hilfe einer z-Achse und eines z-Antriebes in z-Richtung beweg- bar, die senkrecht zur xy-Ebene verläuft. Diese Teile sind in Figur 1 nicht dargestellt, da sie für das Antriebssystem der xy-Ebene keine Rolle spielen.

Die Bewegung des Werkzeugschlittens 2 entlang der x- Traverse 1 und die Bewegung der x-Traverse 1 entlang den Bahnen 4 wird durch ein AntriebsSystem bewirkt, das zwei Lenker 5, 6 und zwei Linearantriebe 7, 8 aufweist. Die beiden Linearantriebe 7, 8 setzen sich aus einer Bahn 8, beispielsweise einer Magnetbahn, und einem Primärteil 7 (Wicklung) zusammen. Dabei bewegen sich die Primärteile 7 auf den ortsfest angeordneten Bahnen 8. Die Lenker 5, 6 sind über Drehgelenke 9, 10 mit den Primärteilen 7 der Linearantriebe und dem Werkzeugschlitten 2 gelenkig verbunden. Durch eine Bewegung der Primärteile 7 auf den Bahnen 8 wird die x-Traverse 1 entlang den Bahnen 4 und/oder der Werkzeugschlitten 2 entlang der x-Traverse 1 bewegt.

Bei dieser Ausführungsform ist kein Antrieb für den Werkzeugschlitten 2 in x-Richtung an der x-Traverse 1 angeordnet. Ein solcher Antrieb muss daher durch das System nicht mitbewegt werden. Ferner werden nur die relativ leichten Primärteile 7 der beiden Linearantriebe 7, 8 mitbewegt, während die schweren Bahnen 8 des Antriebssystems ortsfest sind. Insgesamt wird daher bei diesem Antriebssystem wenig Masse mitbewegt, wodurch eine besonders hohe Präzision bzw. Positioniergenauigkeit erreicht werden kann.

Figur 2 zeigt den Drahtbonder der Figur 1 in einer ande- ren Stellung der x-Traverse 1 und des Werkzeugschlittens 2.

Wesentlich ist noch, dass beide Lenkstangen 5, 6 mit getrennten Drehgelenken 9 am Werkzeugschlitten 2 angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist möglich, da der Werkzeugschlitten 2 an der x-Traverse 1 des Portals zwangsgeführt ist.

Figur 3 zeigt in einer entsprechenden Ansicht wie Figur 1 eine weitere Ausführungsform eines Antriebssystems für einen Drahtbonder. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Lenker 5, 6 für den Werkzeugschlitten 2 in Bezug auf die x-Traverse 1 auf verschiedenen Seiten angeordnet und besitzen zwei Linearantriebe, deren Primärteile 7 auf einer gemeinsamen Bewegungsbahn (Magnetbahn) 8 angeordnet sind. Diese Bewegungsbahn 8 ist von den beiden Führungsbahnen 4 für die x-Traverse 1 verschieden. Im Übrigen entspricht diese Ausführungsform im Wesentlichen der Ausführungsform der Figuren 1 und 2.

Figur 4 zeigt eine konstruktive Ausführungsform des

Drahtbonders der Figuren 1 und 2. Der hier dargestellte Drahtbonder unterscheidet sich von der Ausführungsform der Figuren 1 und 2 dadurch, dass an der x-Traverse 1 zwei Linearantriebe 11 zur Bewegung der x-Traverse 1 entlang den Bahnen 4 in y-Richtung angeordnet sind, um die Linearantriebe 7, 8 für die Lenker 5, 6 von der Beschleunigungsaufgabe in y-Richtung zu entlasten, ohne die bewegten Massen entscheidend zu erhöhen. Durch die in die- sem Fall vorhandene Redundanz in den Antrieben erhält man die Möglichkeit, die Steifigkeit der Konstruktion antriebstechnisch weiter zu erhöhen, ohne zusätzliche Masse zu benötigen.

Wie man Figur 4 entnehmen kann, bewegen sich die Primärteile 7 der Linearantriebe für die Lenker 5, 6 und die Linearantriebe 11 für die x-Traverse 1 auf verschiedenen Bahnen, nämlich den Bahnen 8 und den Bahnen 4. Beide Bahnen verlaufen parallel zueinander, wobei die Bahnen 4 innerhalb der Bahnen 8 angeordnet sind. Auch bei den Linearantrieben 11 werden nur deren Primärteile mitbewegt, während die zugehörigen Bahnen ortsfest angeordnet sind.