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2021-01-19 13:01:14|
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本发明涉及一种用于物体的非接触式处理的设备，以及一种用于物体的非接触式处理的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于处理小型物体的设备，该小型物体的尺寸尤其是具有小于10-6m3量级的体积，或者小于20gm量级的质量。
背景技术：
称为“拾取和放置”方法的方法允许通过使用以极高的速率执行处理以便每分钟移动数百个物体的工具来处理物体。“拾取和放置”工具通常使用称为“真空夹持器”的抽吸装置，以与重力相反的方向抽吸物体，将物体固定在工具上，由此将其移动到所需的位置。当处理大约1cm量级的物体时，其目的是在抵抗重力影响的同时抓取物体。对于处于该范围内的物体来说，重力是施加在物体上的主要力，尤其是，重力远大于工具和物体之间的粘附力。
但是，当物体的尺寸减小，典型地在低于10-6m3时，施加在物体上的重力非常小，因此很容易吸住物体。另一方面，对于较大的物体来说可以忽略的粘附力变得主要，并且比重力大得多。因此，当物体压靠在工具上时，由于物体与工具之间的粘附力而难以将物体从工具上脱离，这有损于移动的速度和移动物体的定位精度。另外，在这种量级下，物体与抽吸头之间的每次接触都可能会因产生微粒而对物体造成损伤，同时这也会破坏工具的操作。因此，对于处理小尺寸的物体或易碎物体来说，这种抽吸装置是无法令人满意的。
为了克服抽吸装置的缺点，存在有非接触式的方法，其中待移动的物体悬浮在工具的上方或下方。
已知有例如可通过激光辐射来施加辐射压力以使达到10-12m3的粒子加速和悬浮的光悬浮法。然而，这种类型的处理方式必须在透明的环境中进行，以便优化粒子的稳定性，该粒子必须是透明的介电粒子。
还存在有一种使用电场来抵消重力并处理带电的或极化的物体的电悬浮法。可以用磁场来代替电场，以便根据物体的磁性来处理物体。但是，这两种类型的悬浮法仅适用于对电场或磁场敏感的物体。另外，还存在会损坏处于磁场或电场中的物体的风险。最后，这些技术都需要根据待处理的物体而进行特定的安装配置。
气动悬浮法使用气流(通常是空气)来悬浮物体。在这种类型的悬浮法中，空气轴承和伯努利器件之间是有区别的。空气轴承将气流从物体的下方排出，以使物体悬浮。相反，伯努利器件位于待处理的物体的上方。在伯努利器件中，工具包括侧壁，待处理的物体位于这些壁之间。该工具包括将压缩空气排到物体上的通道。排到物体上的压缩空气通过壁和物体之间的空间排出，这会产生与压缩空气的方向相反的抽吸力，这一效应称为伯努利效应。抽吸力使物体远离工具。这种空气动力学方法的主要缺点是，悬浮物体的侧向稳定性很小。
使用超声波的悬浮方法也是已知的。使用驻波悬浮或远场悬浮的方法与使用近场悬浮的方法之间存在着不同。近场和远场之间的过渡发生在称为自然焦点的点f处。自然焦点f是距超声波发生器的表面的距离：在点f之前是近场，而在点f之后是远场。换句话说，如果一个物体在近场中悬浮，则是近场悬浮，如果在点f之后悬浮，则称物体在远场中悬浮。f定义为：
f＝r^2/λ
其中，r是发生器中与物体相对的那一部分的表面的半径，λ是超声的波长。
使用驻波悬浮方法的系统需要存在有朝向超声发生器的反射器。发生器发出将在反射器上反射的波，并产生与λ/2等距的节点，其中排斥力足以使物体能够悬浮。该技术的主要缺点是，处理仅限于发生器和反射器之间的区域，并且仅限于节点处。另外，物体必须保持成与发生器的最小距离为λ/2，即距第一个节点的距离。
在一些使用近场超声的方法中，没有面向发射器的反射器，而是将要悬浮的物体充当反射器。该方法很少使用，这是因为通过将发射器放置在物体的下方，其应用领域仅限于物体从下到上的垂直运动，从而限制了其应用领域。
使用超声和空气抽吸的组合的悬浮方法也是已知的，例如在论文“non-contacthandlingandtransportationforsubstratesandmicroassemblyusingultrasound-air-film-technology”，ieee2011，以及在文献us2004/0070221、de102008036805和jp2006-073654中均有描述。在现有技术的这些装置中，集成有抽吸通道的超声波发生器与换能器耦合，该超声波发生器对应于至少一个半波长，有时甚至更多，这增加了对应于至少一个半波长的换能器的长度。现有技术的工具的长度处于工具主体中产生的超声的至少一个波长的两端之间。对于用于抓取和放置的应用或者用于在受限空间中处理物体的其他应用来说，这种工具的空间需求是一个缺点，并且有时使得对于某些应用来说无法使用这种工具。此外，工具质量的增加也可能负面地影响携带有这些工具的机器人的性能(速度和精度)。
在实践中，由于在非常接近物体的距离上的平衡点处排斥力和抽吸力的幅度相对较高，因此，使用超声和空气抽吸的组合的常规悬浮工具会在抓取和放置毫米级或微米级的物体时造成稳定性的问题。由于物体置于其上的表面对空气蒸汽和压力的影响，因此当通过工具来从某一表面上抓取物体时，以及将物体放到其目标位置上时，其难度也增加。对于小型物体来说，可能还需要克服很大的静电力。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提出一种用于物体、特别是毫米级或微米级物体的非接触式处理的系统，其不受已知设备的限制，或能将该限制最小化。
本发明的目的通过根据权利要求1所述的工具、根据权利要求13所述的系统以及根据权利要求20所述的方法来实现。
这里，介绍了一种用于抓取物体的非接触式处理工具，该工具包括：构造成发出超声的超声换能器，该超声在换能器的抓取面的近场区域中形成过压波；以及流体抽吸系统，其构造成朝向抓取面抽吸流体，从而在所述近场区域中形成负压。
根据本发明的第一方面，超声换能器构造成在对应于换能器的第一谐波共振频率的频率下或在接近第一谐波频率的强迫反共振频率下操作。
在一个有利的实施例中，超声换能器在反射面和抓取面之间延伸，换能器的高度由抓取面和反射面之间的距离限定，该距离处于在换能器中产生的超声的一个半波长λ/2的80％至150％的范围内。
在一个有利的实施例中，流体抽吸系统包括至少一个布置在超声换能器中的流体抽吸通道。
在一个有利的实施例中，超声换能器包括主体和头部，该头部设置在主体的与反射面相反的一端，头部包括抓取面，且可与主体分离，所述至少一个抽吸通道穿过主体和头部。
在一个有利的实施例中，超声发生器包括至少一对叠置的压电元件，优选为压电陶瓷元件，所述一对压电元件通过螺钉拧入主体内，抽吸通道穿过该螺钉。
在一个有利的实施例中，换能器的所述高度处于在换能器中产生的超声的一个半波长λ/2的90％至110％的范围内。
在一个有利的实施例中，换能器的所述高度小于100mm，优选地小于90mm，例如处于20mm至90mm的范围内。
在一个有利的实施例中，抽吸通道包括一个或多个通到抓取面上的抽吸喷嘴。在一种变型中，抽吸通道包括向外敞开至抓取面上的单个抽吸喷嘴，所述抽吸喷嘴处于抓取面上的中心。在另一种变型中，抽吸通道包括向外敞开至抓取面上的多个抽吸喷嘴。
在一个有利的实施例中，所述至少一个抽吸通道从抓取面到反射面地穿过处理工具。
在一个有利的实施例中，超声换能器包括超声发生器和耦合到发生器上的超声传输装置，该传输装置包括前主体，该前主体设有用于固定工具的元件，所述元件设置于在所述换能器中产生的在对应于所述换能器的第一谐波共振频率的频率下或在接近第一谐波共振频率的强迫反共振频率下的超声波的第一节点平面处。
在一个有利的实施例中，超声换能器包括头部，该头部通过紧固装置而可互换地耦合到传输装置的前主体上，抓取面设置在头部上，在换能器中产生的在对应于换能器的第一谐波共振频率的频率下或在接近第一谐波频率的强迫反共振频率下的超声波的第二节点平面位于该紧固装置处。
在一个有利的实施例中，传输装置包括后主体和预应力件，超声发生器通过预应力件而被压在前主体和后主体之间。预应力件尤其可以是螺钉，并且在一个有利的实施例中，抽吸通道穿过该螺钉。
根据一个实施例，超声发生器可以包括多个压电环的堆叠。根据一个实施例，设有2个压电环。根据一些变型，设有4或6个压电环。
在一个有利的实施例中，超声换能器包括头部，该头部可互换地耦合到传输装置的前主体上，抓取面设置在头部上。该工具可以包括一组具有不同尺寸或形状的若干个可互换的头部。
在一个有利的实施例中，头部和前主体包括形式为卡口或螺纹紧固系统的互补式紧固元件。
根据一些实施例，抓取面可以是平坦的或弯曲的，例如具有凹入的形状，其构造成与要抓取的物体的表面的一部分相符。
根据一些实施例，抓取面可以包括疏水或疏脂的表面，这尤其可用于抓取液态物体的应用。
在一个有利的实施例中，工具可以进一步包括用于中和物体的电荷的放电装置。
在本发明的框架内，抓取面的表面可以具有从0.1到1300mm2的面积范围。
在一个有利的实施例中，工具的抓取面的表面尺寸与待抓取物体的表面尺寸相同，或在它的90％至110％的范围内。
在一个有利的实施例中，前主体在超声发生器的朝向抓取面的方向上包括至少两个连续的直径减小部，在所述方向上的连续直径d1、d2和d3之间的比率范围为：
·d1/d2处于最大2.6和最小1.1之间；
·d2/d3处于最大6到最小1.1之间；
并且对于任何其他的直径减小部来说，直径比率处于最大6到最小1.1之间。
这里，还介绍了一种非接触式处理系统，该系统包括非接触式处理工具、连接至超声换能器的超声发生器的控制单元，以及包括有连接至流体抽吸通道的抽吸泵的抽吸装置。控制单元和超声换能器配置成在换能器中产生对应于换能器的第一谐波共振频率的频率或接近第一谐波频率的强迫反共振频率下的超声。
在一个有利的实施例中，控制单元和超声换能器配置成根据待处理的物体的尺寸而产生处于20khz至350khz的频率范围内的超声。
在一个有利的实施例中，控制单元和超声换能器配置成产生处于30khz至350khz的频率范围内、特别是40khz至300khz的频率范围内的超声。
在一个有利的实施例中，控制单元包括控制电路，该控制电路连接到超声发生器和抽吸泵，以便同时控制抽吸功率和超声产生。
在一个有利的实施例中，抽吸装置包括与控制单元连接的电磁阀和压力传感器，该电磁阀通过由压力传感器所测量的压力来调节，以便调节物体相对于抓取面的悬置距离ds。
在一个有利的实施例中，该系统包括流体连接至抽吸通道的压力稳定器，以检测是否已经超过了负压阈值，从而避免将来自物体的异物抽吸到喷嘴或抽吸通道中。
在一个有利的实施例中，压力稳定器包括阻力孔或由阻力孔构成，该阻力孔构造成与抽吸通道相比可针对空气流提供更大的阻力。特别是，阻力孔对空气流的阻力比由抽吸通道与喷嘴一起产生的对空气流的阻力至少大两倍。优选地，阻力孔对空气流的阻力比由抽吸通道与喷嘴一起产生的空气流的阻力至少大三倍，甚至至少大四倍。
在一个有利的实施例中，该系统包括用于测量将工具连接至抽吸泵的抽吸通道中的空气流量的流量传感器，该流量传感器配置为检测物体与抓取面的接触，或者检测表示物体不再与该工具接合的过高流量。
在这里，还介绍了一种用于物体的非接触式处理的方法，包括：
－提供一种非接触式处理系统，其包括非接触式处理工具、连接至超声换能器的超声发生器的控制单元，以及包括有连接至流体抽吸通道的抽吸泵的抽吸装置，控制单元和超声换能器配置成在超声换能器中产生对应于换能器的第一谐波共振频率的频率或接近第一谐波频率的强迫反共振频率下的超声；
－启动抽吸泵以产生相对于抓取面的抽吸力，并且启动超声发生器以产生相对于抓取面的排斥力；
－使操作工具的抓取面面对物体的表面；
－通过控制抽吸装置或超声发生器或同时控制两者，使物体相对于抓取面以非零的悬置距离而悬置，该悬置距离被控制在超声的近场区域内。
在一个有利的实施例中，物体相对于抓取面的悬置距离处在1至80微米之间，优选在1至60微米之间。
根据本发明的装置使用近场超声作为排斥力。实际上，超声的排斥力在菲涅耳区域中变化，从而遵循1/(x2)关系，该关系是至头部的距离x的函数，如图11c所示。该图显示了该力在最靠近头部的位置、即在近场超声的水平处(图11c中的区域1)最大，然后以驻波形式(图11c中的区域2)减小。近场排斥力始终大于在驻波悬浮区中以λ/2隔开的节点处测得的力。因此，使用近场超声允许在物体上使用最大的排斥力，该排斥力由相同量级的抽吸力所抵消，这允许在物体上获得最大的悬浮力。这允许在物体的悬置期间提高物体的稳定性。
在一个实施例中，根据待抓取物体的大小，超声发生器产生处于20khz至500khz之间、优选地处于40khz至300khz之间的频率下的超声。该频率取决于待处理物体的尺寸。物体越小，频率越高，反之亦然。
在一个实施例中，头部的直径约为物体直径的三倍。
在一个实施例中，主体-头部组件的高度h小于物体外壳的直径的八倍，例如约六倍。例如，要处理直径约为3mm的物体时，主体-头部组件的长度约为20mm，并且头部的最大直径约为8mm。
用语“直径”具有宽泛的定义，指的是朝向头部的抓取面而放置的物体(其外壳)的最大尺寸，并且也应用于放在此平面中的头部或非圆形的物体。
有利地，可以使处理系统的装置小型化，以根据待处理的物体来对主体-头部组件的尺寸进行适配。
本发明适用于具有平面或球形表面的物体，以及具有开口的物体。特别是，当物体的朝向抓取面的表面是没有孔或开口的连续表面时，可以获得最佳的对中或对准的结果。
该系统的物体没有大小或形状的限制，它可以是平面的，球形的，或者包括凹面或凸面，或开口。该物体可以是实心体，可以由所有类型的材料组成。例如，材料可选自金属或金属合金，陶瓷，聚烯烃，聚酰胺，树脂(例如环氧树脂)，玻璃，硅，塑料聚合物。
例如，物体可选自电子元件，诸如半导体，mems或moems型微系统，生物芯片，薄膜晶体管，芯片，或其他电子元件。物体可具有玻璃涂层，带有中空或浮雕的预加工涂层。物体可以是钟表零件，例如组成机芯的元件。物体可以是用于制造医疗或制药技术中的医疗器械的元件。该物体可以是用于制造航空航天领域使用的部件的元件。
该物体可从能够通过微处理、易碎物体的处理、无污染的物体处理来移动的物体中选择。
例如，物体可以具有0.1mg至10g的重量，以及0.2mm至40mm的直径。
在一个实施例中，该装置允许在抓取面和物体的与所述抓取面相对的表面之间保持处于1至80微米之间、优选在5至60微米之间的间隙(也称为悬置距离)。这一距离可以取决于物体的尺寸，特别是，物体越小，该距离可以越小。
通过阅读针对实施例和附图的详细描述，可以清楚本发明的其他目的和有利的方面。
附图说明
图1a是根据本发明的一个实施例的用于物体的非接触式处理的系统的示意图。
图1b是根据本发明的一个实施例的用于物体的非接触式处理的系统的一部分的示意图；
图2a是根据本发明的一个实施例的非接触式处理工具的剖视图，其中该工具的头部从工具的主体上拆卸下来；
图2b是根据本发明的一个实施例的非接触式处理工具的剖视图，示出了装配到主体上的头部，并且抽吸系统的连接部分安装在工具上；
图2c是根据本发明的一个实施例的非接触式处理工具的透视图，其中抽吸系统的连接部分安装在工具上，并且包括放电系统；
图2d是类似于图2c的透视图，其中具有根据一种变型的单独的放电系统；
图3a是根据本发明的第一实施例的非接触式处理工具的可分离的主体和头部的透视图；
图3b是在与装配好的图3a中的部件的轴线相交的平面中的剖视图；
图3c是沿着图3b中的线g-g的剖视图；
图3d是图3a中的头部的连接部分的详细视图；
图4是根据本发明的第二实施例的非接触式处理工具的可分离头部的透视图；
图5a是根据本发明的第三实施例的非接触式处理工具的可分离头部的透视图；
图5b是图5a所示头部的抓取面的详细局部视图；
图6是根据本发明的第四实施例的非接触式处理工具的可分离头部的透视图；
图7a是根据本发明的第五实施例的非接触式处理工具的可分离头部的透视图；
图7b是图7a所示头部的抓取面的视图；
图8a是根据本发明的第六实施例的非接触式处理工具的可分离头部的透视图；
图8b是图8a所示头部的侧视图；
图9a是根据本发明的第七实施例的非接触式处理工具的头部的透视图；
图9b是图9a所示头部的抓取面的视图；
图10是示出了物体相对于工具的头部的对准的示意图；
图11a示意性显示了位于靠近工具的抓取面的距离处的物体上的排斥力和抽吸力；
图11b显示了作为物体与工具夹持面之间的距离的函数的由超声波引起的排斥力以及作用在物体上的抽吸力的曲线图；
图11c是作为与发射表面的距离的函数的由超声波产生的排斥力的示意性曲线图；
图12a是示出了换能器的高度和换能器的基本共振频率之间的函数关系的曲线图；
图12b是示出了换能器的高度和待抓取物体的尺寸之间的函数关系的曲线图；
图13示出了针对对应于换能器的第一谐波频率的发生器频率而言的波的振幅与工具中的轴向位置的曲线；
图14示出了根据本发明的一个实施例的作为非接触式处理工具的换能器的发生器的频率的函数的电阻抗曲线。
具体实施例
参照附图，特别是图1、2a和2b，示出了根据本发明的一个实施例的处理系统2。处理系统2尤其构造成用于在不直接接触物体的情况下抓取和放置物体3。根据本发明的一些实施例的处理系统2构造成用于处理小型的物体，特别是质量小于20g、甚至小于10g的物体。根据本发明的一些实施例的处理系统2非常有利地构造成用于处理非常小的物体，特别是具有小于1g直至0.01mg的质量的物体。
根据本发明的一些实施例的非接触式处理系统特别地构造成被集成到组装机器中，尤其是集成到用于在产品生产线中组装微元件的机器人中。非穷举的应用的例子包括：
·将小型电子元件(例如半导体、mems或moems型微系统、生物芯片、薄膜晶体管、芯片或其他电子元件)抓取和放置在电路板上；
·直接从半导体晶圆上抓取半导体芯片；
·将小的元件抓取到粘合支架上；
·处理小型电子元件以进行各种操作，例如检查、质量控制、包装或组装；
·处理用于小型电动机的微机械零件；
·处理钟表零件，例如构成机芯、表盘、指针、贴花、玻璃的零件，例如用于零件的组装、金刚石涂层后的零件的处理、表面处理，或用于质量控制和检查；
·处理用于制造航空航天用零件的元件；
·处理用于制造医疗器件的元件；
·处理医疗或制药技术中使用的元件；
·处理小型的活生物体，例如在水滴、胚胎、水中或水外的线虫内的活生物体。
在许多微元件的质量小于10gm、甚至小于1g的应用中，为了在受限体积的产品中或在受限的空间之内进行组装，处理工具的空间需求具有重大意义。实际上，工具的空间需求越小，使用该工具的用途就越多，尤其是用于在工具相对于其他工具或产品的组装了上述元件的部分进行运动时将产品放置在受限的空间、受限的开口以及其他的受限结构中。
另外，工具的尺寸和质量的降低因减小了工具的惯性而允许更快的运动，从而提高了例如用于元件组装之类的工具处理性能。
使用非接触式处理系统可以避免与接触式处理工具相关的问题，其中包括：
·损坏元件的风险，
·小型物体的粘附的问题，无法轻易地松开物体的问题，
·难以以足够的精度或控制来抓取和放置小型物体，
·污染元件的风险。
根据一个实施例，非接触式处理系统2包括控制单元4、抽吸装置6和非接触式处理工具8。抽吸装置包括经由通道6d连接至处理工具的抽吸泵6a，用于通过非接触式处理工具抽吸流体，特别是气体。抽吸装置可进一步包括调节阀6b和传感器，特别是压力传感器5a和流量传感器5b。控制单元4包括电源9，以及带有微处理器的控制电路，用于控制处理工具中的超声发生器，这将在下面更详细地描述。控制单元也可以连接到抽吸装置，特别是抽吸泵6a和/或调节阀6b。该控制单元尤其允许通过非接触式处理工具8来控制物体3的抓取和落下。
控制单元4显示为单个控制单元，但是在本发明的情况下，当然也可以有多个控制单元，它们可以连接在一起以控制各种装置，诸如抽吸装置6、非接触处理工具8，以及其上放置了物体3的放置台11。
抽吸装置6可以包括连接至调节阀6b的抽吸泵6a，以及压力稳定器7和一个/或多个传感器，特别是压力传感器5a和流量传感器5b。调节阀6b可以包括比例电磁阀，其构造成根据由压力传感器5a所测量的压力(可以在0.01kpa至100kpa之间)将用于抽吸的负压保持恒定或基本上恒定的水平，以便控制抓取面29和物体3之间的悬置距离ds。实际上，压力水平受到物体3与抓取面29之间的距离的影响。极低的压力(强负压)表示物体与抓取面之间的距离太短而存在有接触的危险，而太高的压力水平(低的抽吸负压)则表明该距离太大而存在有物体3被释放的危险。由压力传感器5a所测量的负压水平允许实时地向控制单元4提供压力测量结果，而控制单元4调节电磁阀，以保持压力恒定。
流量传感器5b也可以单独地使用，或与压力传感器5a一起使用，以便确定物体和抓取面之间是否存在空间。如果物体3与头部28的抓取面29相接触，则通过喷嘴32的空气流便停止或变得非常小，而非常高的流量则表明物体不再被抓取。在预定值范围内的流量的大小可以用来表示能确认工具抓取物体的空间的存在。
在一种变型中，物体3与头部28的抓取面29之间的距离的控制可以通过对超声换能器10的功率的控制以及因此对排斥力的控制而单独地进行，或者与如上所述的对抽吸系统的抽吸的控制共同地进行。
压力稳定器7可以用于设置负压的安全阈值，以防止负压变得过高，特别是避免在夹持面29和物体之间形成接触时堵塞喷嘴或抽吸通道。因此，可以对其进行调节，以防止损坏物体或工具，特别是防止物体的一部分进入到喷嘴和抽吸通道。因此，压力稳定器可被控制工具用来设置电磁阀所允许的压力阈值。
在一个实施例中，压力稳定器包括阻力孔7a或由其构成，该阻力孔7a构造成与具有喷嘴32的抽吸通道30相比能够对空气流提供更大的阻力，特别是对空气流提供比对由吸气通道30与喷嘴32所产生的对空气流的阻力大至少两倍、优选至少三倍、更优选至少四倍的阻力。阻力孔减小了负压的增大斜率(即，压力的减小斜率)，其为物体3距抓取面29的距离的倒数的函数，同时允许抽吸系统提供足够的抽吸力以使物体悬浮。这减小了将物体压在抓取面上的风险，并且在压紧的情况下能减小物体上的抽吸力。
阻力孔的横截面例如可以为喷嘴32的横截面面积的一半，或者更小。
在一种变型中，压力稳定器可以包括阀，该阀在一侧与抽吸通道流体式连接，而在另一侧与环境空气流体式连接，该阀在压力下降到预定阈值以下时打开连接，配置为允许环境空气进入抽吸通道，以增加压力(降低负压)。
根据本发明的一个实施例的处理系统还可以包括对在其上抓取和/或放置物体3的放置台11的控制。当然，可以设有几个放置台，例如用于抓取物品的放置台和其上放置了物体的放置台，而将要制造的物品放置在一个用于组装物体的放置台上。由于物体3的非接触式悬浮，水平加速度受到了限制，通常被限制为1g。在一个实施例中，控制放置台11在水平面中的运动，特别是沿着两个正交轴13a的平移，也可以控制旋转，而仅控制处理工具8的垂直平移，也可控制处理工具8绕着垂直轴13b旋转，以加速抓取/放置过程。
在一种变型中，控制处理工具8的垂直平移，以及沿着与放置台的平移方向相反的方向上的水平轴的平移，以增加放置台11和工具8之间的相对速度。
非接触式处理工具8包括用于在物体3上产生排斥力的超声换能器10，以及用于在物体3上产生抽吸力的抽吸系统，抽吸力和排斥力可以相互平衡，以便在离工具形成抓取面29的一端为一个非零的悬置距离ds处使物体悬置。抽吸力和排斥力可以通过控制单元4来改变，以便抓取物体，移动物体，并将其释放在期望的位置。
抽吸系统包括穿过处理工具8的抽吸通道30，该抽吸通道的一端21连接至抽吸装置6，并通过一个或多个抽吸喷嘴32通向另一端29。在一个实施例中，如图2c所示，抽吸装置包括连接器6e，其例如呈盖子的形式，安装在换能器的端部21上，并且包括围绕着换能器的后主体22设置的密封件35，例如包括o形环。连接器6e包括例如呈喷口37形式的入口，以便连接与抽吸泵相连的管道。
超声换能器10包括振动发生器12，以及耦合到发生器12的传输装置18。在所示的示例中，发生器12包括夹在传输装置18的后主体22和前主体24之间的压电元件14的堆叠，压电元件14优选地为压电陶瓷环。例如为螺钉形式的预应力件20穿过压电环14的中心孔16。预应力件构造成在后主体22和前主体24之间施加拉力，导致有压力作用在夹在这两个主体之间的压电环堆叠上。
在本发明的一个有利的实施例中，超声换能器10包括夹在传输装置18的后主体22和前主体24之间的两个压电陶瓷环。这允许在非常紧凑的构造中以非常高的频率工作。
由控制电路4提供给压电元件的电极的电信号允许产生压电元件14的周期性轴向膨胀，从而在传输装置18中产生超声波。带有夹在后主体和前主体之间的压电元件(尤其是压电陶瓷元件)的超声换能器10的通用工作原理本身是已知的。然而，在本发明的框架内，可以使用其他形式的超声换能器，只要它们能够在考虑了所施加的抽吸力的情况下产生物体的非接触式抓取所需的排斥力。在所示的示例中，发生器有利地包括从两个到六个的压电陶瓷环14的堆叠，位于轴向上的端部处的压电环被定向为使得中性电极分别朝向后主体22和前主体24定向。
传输装置18包括后主体22、前主体24和预应力件20，该预应力件20尤其可以是穿过后主体22以及夹在后主体22和前主体24之间的压电环14的堆叠的螺钉。后主体22用作所产生的超声波的反射器，而前主体将超声波朝向设置在传输装置18的抓取端处的头部28传输。
头部28包括端部28a，端部28a具有抓取面29，该抓取面29形成为面对待抓取物体3放置的抓取面。端部28a包括连接到抽吸通道30的喷嘴32，这些喷嘴32通到抓取面29上。由发生器12产生的超声波由抓取面29发射。
如图11a和11b所示，超声波产生相对于总体环境压力的过压，从而在物体3上产生排斥力f2，而抽吸喷嘴32对流体的抽吸产生相对于总体环境压力的负压，从而在物体3上产生抽吸力f1。当物体与抓取面29之间的距离减小时，抽吸力f1会增大。但是，当物体与抓取面29之间的距离减小时，由超声波产生的排斥力f2增大。
排斥力在图11c中示出。当考虑近场区域(称为菲涅耳声学区域)时，即在区域1(其中物体与抓取面29的距离远小于λ/4，λ是所产生的超声的波长)中，排斥力快速增大，基本上对应于根据该函数的增加。抽吸力作为物体3的表面和抓取面29之间的距离的函数的增长特性不太明显，因此在抽吸力f2等于排斥力f1加上物体重量的情况下，存在一个平衡的悬置距离ds(见图11b)。
在本发明的应用示例中，作为物体的质量和表面积的函数的排斥力和抽吸力之间的平衡距离ds通常在1μm至80μm之间。
以下为待处理元件和参数的示例
通过改变这两个值，可以改变悬置距离ds，例如：
－如果抽吸力<3.34[kpa]，则悬置距离大于40μm；
－如果超声波的排斥力<1.14kpa，则悬置距离小于40μm。
这些值对于小于5mm的部件来说是典型的值。
在一个优选实施例中，如图2a到图9所示，传输装置18的头部28可以有利地为可与前主体24分离的部分的形式。这允许根据待处理的物体3来改变头部28。实际上，为了获得物体3相对于非接触式处理工具8的稳定的自对中，有利的是，抓取面29的表面具有与物体3的朝向所述抓取面29的表面相同的形状和大小，或者具有为物体3的朝向所述抓取面29的表面的80％到300％的大小。诸如平坦部分39的夹持部允许将头部相对于前主体拧开和拧紧。
横向稳定性主要由物体周围的朝向抽吸喷嘴32的流体流动来提供，作用在物体上的负压由抽吸喷嘴配置成朝向抓取面29的中心具有最大的幅度。相反，由近场超声产生的过压优选地具有在整个抓取面29上基本上恒定的幅度的特征，以便确保物体3的朝向抓取面29的表面稳定在基本上平行于该抓取面29的位置。这可得到导致物体相对于处理工具的轴线a居中的横向稳定性，以及能抵抗物体绕正交于轴线a的轴线旋转的稳定性。这允许将物体的朝向抓取面29的表面保持在非常小的稳定的悬置距离ds处，其特别是小于80μm，更特别是小于50μm。极高的稳定性和极小的平衡距离(悬置距离ds)可确保非常精确地抓取和放置物体。
根据本发明的超声换能器10在与后主体22的反射面21相对应的端部以及与抓取面29相对应的端部之间具有高度h，其基本上等于在超声换能器10内所产生的超声在基波频率下的一个半波长λ/2。在换能器中产生的超声的波长取决于形成换能器的材料，这是因为该波长取决于声音在相关介质中的速度。形成换能器的材料通常包括用于前主体和头部的铝或钛(或镁)合金，用于后主体(其能反射波)的钢，以及用于压电元件的陶瓷。声音在铝中的速度约为6200m/s，而声音在空气中的速度约为343m/s。具有前主体和铝质头部以及压电陶瓷发生器的换能器的共振频率为50khz，其在基波频率下波长约为100mm，而空气中的发射到抓取面上的超声的波长约为7mm。目前可用于产生超声的材料范围非常有限(铝、镁、钛)，并且声音在这些材料中的速度相当，因此，换能器的频率和高度之间的关系接近或相当于图12a中所示的关系。对于换能器的40khz的基波频率来说，换能器的高度h为大约60mm，而对于140khz的基波频率来说，换能器的高度h为大约20mm。
在根据本发明的一些变型中，高度h可以为基波频率处的所述半波长λ/2的80％至140％，特别是基波频率处的所述半波长λ/2的90％至110％。
在现有技术的装置中，超声发生器耦合到换能器，该超声发生器对应于至少一个半波长，有时更多(在基波频率处)，而换能器对应于至少一个半波长(在基波频率处)，因此现有技术的工具具有位于所产生的超声的至少一个波长(在基波频率处)的两端之间的长度。这种工具在狭小空间中应用的空间需求、特别是用于处理非常小的元件(特别是质量小于10gm，甚至小于1gm)的空间需求是一个缺点，并且取决于这种应用，使用这样的工具是不可能的。
在本发明中，将抽吸系统直接集成到配备有换能器的处理工具中允许具有最紧凑的解决方案，其高度对应于在换能器中产生的超声的基波频率处的半波长。
已知装置的工作频率对应于换能器的基波频率，这是因为所产生的超声的振幅在基波频率处最大。
图14示出了具有基波频率f0处的大约一个半波长的换能器的超声发生器的阻抗。
根据本发明，换能器的工作频率对应于换能器的第一谐波频率f1。发明人已经发现，令人惊讶的是，将该装置配置成在与第一谐波频率f1相对应的频率范围下工作比在基波频率下工作更加有利。与在基波频率下的操作相比，第一谐波频率的振荡的较高频率与到抓取面29的振荡的幅度(当然较低，但仍足够大)相结合可以提高抓取的稳定性，并提供推力和稳定性之间的最佳比例。实际上已经发现，尤其对于诸如毫米或微米级物体之类的小物体而言，不稳定的根源之一是在换能器的基波频率处的振荡的幅度较大。此外，在换能器的第一谐波频率下的操作工具的操作会在抓取面29处产生更高阶的变形(比在基波频率处更高)，这有助于在近场中形成更均匀的超声波曲线的分布，因此排斥力更加均匀，从而有助于抓取物体的更高的稳定性。
图13示出了针对在换能器的第一谐波频率下的操作，作为工具中的轴向位置的函数的波的振幅曲线(换能器的高度大约为超声的基波频率处的一个半波长λ/2)。在基波频率处，仅存在一个节点平面(未显示)，即换能器中的波的振幅基本上为零的平面。然而，在第一谐波频率处存在两个节点平面p1、p2，第一节点平面p1靠近换能器的后部，第二节点平面p2靠近换能器的头部。有利地，可以将换能器的紧固平面定位在第一节点平面p1的附近或在其上，并且将头部28和前主体24之间的耦合界面28b定位在第二节点平面p2的附近或在其上。这可以通过减少由与头部的界面处的微摩擦而引起的损失来减少换能器的磨损，并且同时通过减少能量传输损失来改善性能(即，增加超声的功率)。
包括被配置为以第一谐波频率f1操作的换能器的处理装置对于高度为一个半波长的换能器来说是非常有利的，但是在本发明的框架内，其也可以由高度为一个波长的换能器来实现。
在本发明中，前主体24以及预应力件20(在所示示例中为螺钉)和超声发生器12设计为能放大所产生的超声的振幅，同时还保持尽可能低的高度，并且集成有抽吸系统30、32、6e。为此目的，前主体24包括两个、三个或更多个直径减小部，其构造成允许放大轴向a上的振动，同时最小化径向或横向(垂直于轴向)的振动，以确保在抓取面29处产生稳定且均匀的超声压力波。在例如如图2b所示的具有至少三个直径减小部的一个实施例中，沿向下方向的连续直径d1、d2、d3、d4之间的比率范围如下：
·d1/d2在最大2.6到最小1.1之间
·d2/d3在最大2.6到最小1.1之间
·d3/d4在最大6到最小1.1之间
优选的是：
·d1/d2在最大1.6到最小1.4之间
·d2/d3在最大1.6到最小1.3之间
·d3/d4在最大5到最小1.2之间。
在前主体中仅有两个直径减小部的一个实施例中，沿向下方向的连续直径d1、d2、d3之间的比率优选在以下范围内：
·d1/d2在最大2.6到最小1.3之间
·d2/d3在最大5到最小1.2之间。
在前主体中具有四个或更多个直径减小部的一个实施例中，沿向下方向的连续直径d1、d2、d3、d4、d5之间的比率可以遵循上述关系，后续的比率关系在最大6到最小之间1.1。
在一个优选的实施例中，为了减少工具的空间需求，非接触式处理系统构造成根据待处理的物体的尺寸而产生处在30至500khz、优选在40至300khz之间的频率范围内的超声。可以根据待处理的物体来限定工具的高度和所使用的频率。如图12b所示，物体越小，工具的高度可以越低，而频率越高。在常规的系统中，换能器通常在20至40khz的范围内工作，而在本发明中，诸如80khz的高频和高度约为基波频率下的一个半波长λ/2的工具的组合与传统工具相比，能将处理工具的高度降低4至8倍。就这一点而言，使用近场超声来获得排斥力允许减小抽吸力以及产生超声所需的功率。
有利的是，可以在第一节点平面p1的位置处或附近布置诸如紧固法兰24b之类的紧固元件，以将工具紧固至机械臂或其他机械构件上，以使处理工具运动。在一个实施例中，紧固元件24b可有利地包括耦合到主体24的阻尼部，其配置为能够抑制节点平面p1中的残余振动。
在一个实施例中，抽吸通道30可以有利地沿着处理工具的中心轴线a布置，该通道具有穿过前主体的部分30b和穿过螺钉20的用于连接到抽吸装置6的部分30a。对于低高度(例如高度小于60mm)的处理工具来说，这是特别有利的，因为它有利于抽吸装置到工具的连接。然而，在一些变型中，也可以非中心的方式将通道以其他方式布置在处理工具的主体中，其中有径向入口进入工具的主体，通道的关键功能是将抽吸喷嘴32布置到头部28的抓取面29中。
在一个实施例中，该工具包括通向抓取面的抽吸喷嘴，所述抽吸喷嘴在抓取面上居中。
在一些其他的实施例中，该工具包括多个通向抓取面的抽吸喷嘴，所述抽吸喷嘴例如围绕抓取面的中心设置。在图6至图7b中示出了一些示例。有利的是，在抓取面29中的喷嘴32的位置处布置有沟槽32a，以便更好地分配围绕抓取面的中心所抽吸的气流的压力。因此，这防止了负压在喷嘴32周围的过度集中。在图7a和图7b中示出了一个示例。
根据待抓取物体的几何形状以及围绕待抓取物体的流体动力学的流体流动，还可以实施其他的一些构造。喷嘴构造成可确保这样的负压分布：允许将物体朝向传输装置的中心轴线a吸引，以便相对于抓取面横向地稳定物体。
在一个实施例中，头部28可包括构造成用于悬浮液滴的端部28a，喷嘴构造成在液滴的周围产生空气流或气体流，从而控制液滴的基本上球形的形状，并在抓取面29上布置一个疏水层，以便当液滴非常靠近或偶然与抓取面接触时排斥液滴。
参照图10，当喷嘴的抓取面29具有与物体3的形状相对应的形状时，当进行抓取操作时、特别是对小物体的抓取操作时，工具28的表面可能没有相对于垂直轴线与物体3对准。当抓取面接近物体3时，物体与抓取面自动对中。但是，存在着以下多种情况，其中：物体各不相同且具有公差，或者该工具用于一定形状和大小范围内的物体，而自对中效应可能不起作用。还存在某些情况，其中具有一定公差的矩形或多边形物体可能会随机地以错误的定向排列，尤其是存在一定的公差而使得物体的形状无法相同地匹配或与头部的抓取面非常接近。
为了克服该问题，在一个实施例中，例如如图9所示，抓取面29包括尖角29a，以及几个其他的倒圆角(即，不会比参考角29a尖)。基准角29a允许用作与待抓取物体的角的对准基准，从而确保相对于抓取面的适当定位。使抓取面的一个角比其它角更尖以用作针对物体的对准楔的这种解决方案可以应用于矩形、多边形或不规则形状的抓取面。
在一个实施例中，如图3a至图3d所示，头部28和前主体24c包括形成为卡口式紧固系统的形式的互补式的紧固元件。如图3a至图3d所示，卡口式紧固系统包括位于其中一个部件上的凸耳31，其可插入到另一部件的互补式凹槽33中。卡口式紧固允许头部的快速更换，并且还确保头部相对于处理工具的前主体24的精确的角定位(围绕中心轴线a)。实际上，在某些变型中，取决于待处理的物体，头部可以包括非轴对称的，例如正方形(见图9)、矩形(见图4至图5b)、椭圆形、多边形或其他形状的抓取面。
在一种变型中，头部28也可以通过螺纹连接而固定在前主体24上。本身已知的其他紧固装置也可以用于根据本发明的工具中。
处理工具可以有利地包括一组具有不同尺寸或形状的几个可互换的头部，以允许根据要处理的物体来改变头部。但是应注意，对于某些应用来说，前主体和头部可以固定为一体。
根据一个实施例，控制单元4和发生器12可以配置为在第一谐波频率的反共振频率f1'处、即在接近第一谐波频率的共振频率f1的强迫频率处产生振动。图14以图形方式显示了作为超声发生器的频率的函数的电阻抗曲线，示出了共振状态f1的最小阻抗点和反共振状态f1'(强制状态)的最大阻抗点。点f1和f1'的频率非常接近，并且相互关联，最小阻抗峰之后是最大阻抗峰，之后阻抗减小，直到下一个谐波频率。该操作模式和该配置的优点是可产生稳定的振动。在共振系统中，低阻抗需要大电流，并且会引发结构的强烈变形，从而产生一些不稳定性。为了在阻抗高的位置甚至在阻抗最大的区域产生强制的反共振振动，需要高电压以获得产生超声所需的振动幅度，但是电流要小。该区域的振动更加稳定，因为结构以固体的方式振动，从而在控制所产生的超声的排斥力方面具有更好的稳定性。实际上，通过对强制振动进行处理，可以改变和更容易地控制近场中的超声的排斥力。利用了强迫振动的系统的一个优点是，抓取面29以比共振状态下更大的平坦度进行振动，这可以通过更加平坦的排斥波的压力来提高抓取的稳定性。
在一个实施例中，非接触式处理系统还可包括放电装置40(见图2d和图2e)，以便从物体上去除静电荷。放电装置40可以与处理工具8分开(图2e)，或者集成到处理工具中(图2d)。从物体上去除电荷允许更好地控制作用在物体上的力，特别是能从物体上去除由静电荷所产生的力。这对于适当地控制物体和工具的抓取面之间的平衡距离从而提高通过处理系统实现的抓取和放置物体的精度来说也是非常有利的。
在一个实施例中，非接触式处理工具还可包括位置传感器，以便测量物体相对于抓取面的位置，尤其是距离。传感器可以是光学式、电感式、电容式或霍尔效应传感器的形式，其布置在抓取面上，或者布置在抓取面的周围或附近。在一个实施例中，位置传感器布置在抓取面的中心处，处理工具包括围绕传感器布置的多个抽吸喷嘴。传感器可以连接至控制单元的控制电路，以通过控制例如抽吸泵或抽吸通道上的阀的功率和/或通过控制所发出的超声的功率来控制作用在物体上的力，特别是抽吸力。这对于适当地控制物体和工具的抓取面之间的平衡距离从而提高通过处理系统实现的抓取和放置物体的精度来说也是非常有利的。物体相对于抓取面的位置也可以通过一个或多个摄像机(它们不是操作工具的一部分)来测量。
然而应强调的是，根据一些实施例，悬置距离ds的控制也可在没有位置传感器的情况下进行，特别是通过控制抽吸负压，这是通过控制抽吸泵6a或阀6b(取决于压力传感器5a给出的压力测量结果)来实现的。
应当强调的是，以重力的方向为参考，可以通过将物体3放置在抓取面29的下方来抓取和处理物体3，但也可以将其放置在抓取面的上方或以任何其他取向来布置。因此，在图中示出的竖直方向并不一定要与重力的方向相对应，这是因为由于抽吸力相对于抓取面进行的自动对中，根据本发明的处理工具可以使物体在所有方向上悬置。
附图标记列表
物体3
非接触式处理系统2
控制单元4
发生器的电源9
控制电路
与抽吸装置的连接
与传感器的连接
抽吸装置6
抽吸泵6a
调节阀6b
连接线6d
抽吸连接器6e
密封件35
喷口37
传感器5
压力传感器5a
流量传感器5b
位置传感器5c
位置传感器5d
压力稳定器7
阻力孔7a
非接触式处理工具8
超声波换能器10
发生器12
压电环的堆叠14
中心孔16
传输装置18
预应力件20
螺钉
后主体22
反射面21
前主体24
后部24a
发生器接口
紧固法兰24b
头部部分24c
接口头26
凹槽33
头部28
端部28a
抓取面29
角29a
主体耦合界面28b
凸耳31
夹持部39
抽吸通道30
穿过螺钉的部分30a
穿过前主体的部分30b
抽吸喷嘴32
沟槽32a
放置台11
台移动机构13a
工具移动机构13b
换能器的第一节点平面p1
换能器的第二节点平面p2
轴线a
换能器高度h
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