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Die
Erfindung betrifft einen Greifer für Kleinstteile mit den Merkmalen
der Oberbegriffe der Ansprüche
1 oder 3.
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Kleinteile
wie beispielsweise IC's
in der Elektronik werden zum Handhaben mit zangenartigen Greifern,
d. h. mechanisch, gegriffen. Problematisch wird diese Art des Greifens
bei wesentlich kleineren Kleinstteilen, deren „Körper" beispielsweise eine Größe von einem
bis einigen mm3 oder weniger aufweisen.
Problematisch ist diese Art des Greifens auch bei Klein- und Kleinstteilen
mit einer unregelmäßigen Form.
Ein weiterer Anwendungszweck ist das Greifen kleinster mechanischer
Bauelemente mit Abmessungen von wenigen bis mehreren 100 μm in der Mikromechanik.
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Aus
dem Aufsatz „The
delelopment of a LIGA-microfabricated gripper for micromanipulation tasks" von M. C. Carozza
u. a. ist ein zangenartiger Mikrogreifer bekannt, der einstückig ausgebildet
ist und mit einem Piezoelement zum Greifen und Loslassen verformt
wird. Um ein Haften eines gegriffenen Gegenstands nach Öffnen des
Mikrogreifers zu vermeiden weisen Greifflächen eine Riffelung mit einer
geraden Linienstruktur vergleichbar einem miniaturisierten Geradrändel auf.
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Die
Patentschrift
DE 195
81 457 C1 offenbart einen Mikrogreifer, dessen Greiferfläche zum
Greifen durch einen Zuführ-
und Absaugkanal benetzt wird. Zum Loslassen eines gegriffenen Kleinteils
wird die benetzende Flüssigkeit
wieder abgesaugt. Die Greiferfläche
ist glatt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Greifer mit hoher
Greifkraft vorzuschlagen, der zum Greifen von Kleinstteilen und
zum Greifen von Klein- und Kleinstteilen mit unregelmäßiger oder
jedenfalls von geometrischen Formen abweichender Form geeignet ist.
Ein Greifen von Kleinteilen oder auch größerer Teile soll durch die
Aufgabenstellung nicht ausgeschlossen werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 oder 3 gelöst.
Der erfindungsgemäße Greifer
weist eine Greiferoberfläche mit
einer Linienstruktur oder einer Punktstruktur auf. Dabei hat die
Greiferoberfläche
eine möglichst
hohe Linien- oder Punktdichte, d. h. eine hohe Anzahl an Linien
oder Punkten pro Fläche.
Der Greifer liegt mit den Linien oder Punkten seiner Greifoberfläche an einem
gegriffenen Bauteil oder Gegenstand an. Das gegriffene Bauteil haftet
aufgrund der Linien- oder Punktstruktur an der Greifoberfläche. Das
Haften beruht auf einer Adhäsion
zweier fester Körper
aneinander, nämlich
dem Haften des gegriffenen Bauteils an der Greifoberfläche des
Greifers. Dabei trägt
jede Linie der Linienstruktur oder jeder Punkt der Punktstruktur
der Greifoberfläche
zur Haftung bei. Die Haftung an einer Linie ist deren Länge proportional,
die Haftung an Punkten ist der Anzahl der Punkte proportional. Insgesamt
ist die Haftung des gegriffenen Bauteils dem Produkt der Länge der
einzelnen Linien und der Anzahl der Linien der Greifoberfläche, sofern sie
das Bauteil berühren,
proportional. Bei einer Punktstruktur ist die Haftung der Anzahl
der Punkte der Greiferoberfläche,
die das Bauteil berühren,
proportional. Die Haftung kann auch der Gesamtlänge der das gegriffene Bauteil
berührenden
Linien der Greifoberfläche
proportional angesehen werden. Um eine große Linienzahl bzw. eine große Gesamtlänge der
Linien zu erreichen ist eine möglichst
hohe Liniendichte anzustreben. Bei einer Punktstruktur ist eine
möglichst
hohe Punktdichte anzustreben. Die Haftung des gegriffenen Bauteils am
Greifer ist auch vom Werkstoff des gegriffenen Bauteils bzw. von
der Werkstoffpaarung des gegriffenen Bauteils und der Greiferoberfläche abhängig. Möglicherweise
haften nicht alle Werkstoffe am erfindungsgemäßen Greifer.
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Des
Weiteren sieht die Erfindung eine Benetzung der Greifoberfläche vor.
Die Benetzung kann mit einer Flüssigkeit,
mit einem pastösen-
oder gelartigen Medium erfolgen. Nachfolgend wird vereinfachend
ausschließlich
von einer Flüssigkeit
gesprochen. Gewählt
wird eine Flüssigkeit
mit einer hohen Oberflächenspannung,
beispielsweise Wasser oder ein Lösungsmittel.
Durch das Benetzen ist die Haftung erhöht. Abhängig von der Materialpaarung
beträgt
die Haftung ein Mehr- oder Vielfaches der Haftung bei nicht benetzter
Greifoberfläche
und nicht benetztem Bauteil. Vorzugsweise weist der Greifer eine Einrichtung
zum Benetzen seiner Greifoberfläche auf.
Der Greifer kann beispielsweise rohr- oder schlauchartig sein, um
das benetzende Medium zur Greifoberfläche zu leiten. In Weiterbildung
weist der Greifer auch eine Einrichtung zum Entfernen des benetzenden
Mediums auf, um ein gegriffenes Bauteil wieder loszulassen. Die
Einrichtung zum Benetzen und/oder zum Entfernen des benetzenden
Mediums kann beispielsweise eine Kolben-/Zylinder-Einheit oder einen
Balg aufweisen.
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Die
Erfindung hat den Vorteil eines einfachen Greifers ohne gegeneinander
bewegliche Bauteile. Eine Steuerung einer mechanischen Greifkraft
oder einer lichten Greifweite eines zangenartigen Greifers erübrigen sich.
Die Gefahr einer Beschädigung
oder Zerstörung
eines Bauteils beim Greifen durch zu hohe mechanische Greifkräfte ist
nicht gegeben. Da der erfindungsgemäße Greifer keine gegeneinander beweglichen
Bauteile aufweist ist eine kleine Ausbildung des Greifers problemlos
möglich.
Andererseits ist das Greifen eines Kleinstteils mit einem größeren Greifer,
dessen Greifoberfläche
größer als
die anliegende Fläche
des gegriffenen Bauteils ist, problemlos möglich, so dass es nicht unbedingt
notwendig ist, den Greifer möglichst
klein auszubilden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäß Greifers ist, dass er auch
in Schwerelosigkeit und in Vakuum funktioniert, weil seine Adhäsion oder
Haftung weder einen Umgebungsdruck noch eine Schwerkraft voraussetzen.
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Um
eine hohe Liniendichte zu erreichen sieht eine Ausgestaltung der
Erfindung eine mäander- oder
eine ringförmige
Linienstruktur vor. Bei einer ringförmigen Linienstruktur können die
Ringe ineinander angeordnet sein, wobei die Ringe weder konzentrisch
noch kreisförmig
sein müssen,
die Ringform ist an sich beliebig. Auch die Mäanderform muss nicht zwingend
gerade Abschnitt aufweisen. Die genannten Linienstrukturen ermöglichen
eine hohe Liniendichte bei kreuzungsfreier Linienführung. Kreuzungspunkte
der Linien der Greifoberfläche
des erfindungsgemäßen Greifers
verringern möglicherweise die
Haftung eines gegriffenen Bauteils im Vergleich mit einander nicht
kreuzenden Linien und sollen deswegen vermieden oder jedenfalls
die Anzahl an Kreuzungspunkten niedrig gehalten werden. Sofern Kreuzungspunkte
die Haftung nicht herabsetzen oder die Haftungsverringerung akzeptabel
ist kann auch eine Greifoberfläche
mit einer Kreuzungen aufweisenden Linienstruktur beispielsweise
in Karo-, Rechteck- oder Rautenform vorgesehen werden. Die Greifoberfläche des
erfindungsgemäßen Greifers
kann beispielsweise eine Lamellen- oder eine Bürstenstruktur aufweisen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Mikro- oder Nanostruktur
der Greifoberfläche
vor. Damit ist die Linien- oder Punktdichte gemeint. Der Linien- oder Punktabstand
liegt im Bereich von 1 μm bis
wenigen 100 μm
im Fall der Mikrostruktur und im Bereich von 1 nm bis mehreren 100
nm im Fall der Nanostruktur.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Greifoberfläche des
Greifers verformbar und passt sich mit geringer Verformungskraft-
und -energie an die Form einer Oberfläche eines zu greifenden Bauteils
an. Dadurch wird erreicht, dass der Greifer mit einer großen Anzahl
an Linien und über
eine große
Länge der
Linien der Linienstruktur oder mit einer großen Anzahl an Punkten der Punktstruktur
seiner Greifoberfläche
an einem gegriffenen Bauteil anliegt, auch wenn dessen Oberfläche unregelmäßig geformt ist.
Dadurch wird eine hohe Haftung erreicht.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht Kapillaren zum Benetzen und/oder
zum Entfernen des benetzenden Mediums vor, die zur Greifoberfläche des
Greifers führen.
Die Enden der Kapillaren an der Greifoberfläche können die Linienstruktur, nämlich eine
große
Anzahl dicht aneinander angeordnete, ringförmige Linien bilden. Sie können auch
als Punkte aufgefasst werden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Heizeinrichtung vor, mit
der die Greifoberfläche
erwärmbar
ist. Eine Erwärmung
setzt die Oberflächenspannung
eines benetzenden Mediums herab, wodurch sich die Haftung des erfindungsgemäßen Greifers
steuern lässt.
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Die
Greifoberfläche
des erfindungsgemäßen Greifers
weist eine Größe von etwa
einem bis einigen mm2 oder auch von einem
mm2 oder weniger auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Greifers;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Greifers;
und
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3 eine
Ausschnittsvergrößerung gemäß Kreis III in 2.
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Der
in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Greifer 1 ist stabförmig. Er
weist eine Stirnfläche
auf, die eine Greifoberfläche 2 bildet
und die mit einer mäanderförmigen,
erhobenen Linienstruktur 3 ausgebildet ist. Die Linienstruktur 3 ist
ein Vielfaches feiner als dargestellt, die Linienabstände liegen
im Bereich von vorzugsweise unter 1/10 mm, also im Bereich von etwa
1 μm bis
wenige 100 μm.
Auch eine um den Faktor 1000 feinere Struktur im Bereich von 1 nm
bis einige 100 nm ist möglich.
Die mäanderförmige Linienstruktur
kann auch als eine Art Lamellenstruktur ausgebildet sein.
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Der
Greifer 1 ist rohr- oder schlauchartig, d. h. in seiner
Längsrichtung
fluiddurchlässig,
wogegen sein Umfang nicht fluiddurchlässig ist. Auf diese Weise ist
die Greifoberfläche 2 mit
der Linienstruktur 3 mit einem benetzenden Medium benetzbar,
das aus einem Vorratsbehälter,
beispielsweise einem Faltenbalg 4 zuführbar ist, an den der Greifer 1 angeschlossen
ist. Mit dem Faltenbalg 4 lässt sich das benetzende Medium
auch wieder zurücksaugen
um das Medium von der Linienstruktur 3 der Greifoberfläche 2 zu entfernen.
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Im
Bereich seiner Greifoberfläche 2 weist
der Greifer 1 eine Heizeinrichtung 6 auf die in
der Zeichnung symbolisch durch eine Heizwendel angedeutet ist. Die Linienstruktur 3 ist
weichelastisch, d. h. mit geringer Kraft verformbar. Die Greiffläche 2 weist eine
Größe von etwa
1 mm2 auf.
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Der
erfindungsgemäße Greifer 1 dient
zum Greifen oder Halten von Kleinstteilen beispielsweise in der
Elektronik oder in der Mikromechanik. Zum Greifen wird der Greifer 1 mit
seiner Greifoberfläche 2 auf
ein zu greifendes, nicht dargestelltes Bauteil aufgesetzt. Die weichelastische
Linienstruktur 3 passt sich an die Oberfläche des
Bauteils an auch wenn diese unregelmäßig ist. Die Linienstruktur 3 liegt
dadurch auf ihrer gesamten Länge
am zu greifenden Bauteil an. Aufgrund von Adhäsion haftet das Bauteil am
Greifer 1 und kann mit diesem beispielsweise angehoben
und beliebig bewegt werden. Um die Haftung zu verbessern kann die
Linienstruktur 3 mit einem benetzenden Medium aus dem Balg 4 benetzt
werden. Das benetzende Medium weist eine hohe Oberflächenspannung
auf, wodurch sich die Haftung im Vergleich mit einer trockenen Linienstruktur 3 um
ein Vielfaches erhöht.
Als benetzendes Medium kommen beispielsweise Wasser oder Lösungsmittel
in Betracht. Es kann sich um eine Flüssigkeit oder ein pastöses oder
gelartiges Medium handeln. Ist die Linienstruktur 3 benetzt,
kann durch Erwärmen mit
der Heizeinrichtung 6 die Oberflächenspannung des Mediums herabgesetzt
werden. Auf diese Weise ist die Haltekraft des Greifers 1 steuerbar.
Zum Lösen wird
das benetzende Medium mit dem Faltenbalg 4 zurückgesaugt,
das gegriffene Bauteil muss eventuell von der Greifoberfläche 2 des
Greifers 1 abgestriffen werden, um die Haftung durch trockene
Adhäsion bei
nicht benetzter Linienstruktur 3 zu überwinden. Das Abstreifen ist
problemlos möglich
beispielsweise wenn elektronisches Bauelement mit seinen Anschlusskontakten
in dafür
vorgesehene Löcher
einer Platine eingesetzt oder ein mikromechanisches Bauteil wie
beispielsweise ein Zahnrad in eine zu seiner Aufnahme vorgesehene
Vertiefung eingebracht ist.
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Bei
der nachfolgenden Erläuterung
von 2 und 3 werden für mit 1 übereinstimmende
Bauteile gleiche Bezugszahlen verwendet. Der in 2 dargestellte,
erfindungsgemäße Greifer 1 weist
ein Bündel
Kapillaren 7 auf, die mit einer schlauch- oder rohrartigen
Hülle 8 umgeben
sind. Die Kapillaren 7 stehen etwas aus der Umhüllung vor. Ihre
vorderen Ränder
bilden eine Linienstruktur nebeneinander angeordneter Ringe. Sie
können
auch als Punktstruktur aufgefasst werden. Ein Durchmesser der Kapillaren 7 liegt
im Bereich von 1 nm bis einigen 100 nm oder auch im Bereich von
etwa 1 μm bis
wenige 100 μm.
Die Strukturdichte entspricht somit in etwa derjenigen des Greifers 1 aus 1.
Die die ringförmige
Linienstruktur oder Punktstruktur bildenden vorderen Enden der Kapillaren 7 treten
an die Stelle der mäanderförmigen Linienstruktur 3 des Greifers 1 aus 1.
Die Kapillaren 7 sind elastisch oder biegeschlaff und passen
sich dadurch an eine auch unregelmäßige Oberfläche eines zu greifenden, nicht
dargestellten Kleinstteils an. Wirkungsweise und Funktion des in 2 dargestellten
Greifers 1 stimmt mit derjenigen des Greifers 1 aus 1 überein.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zur Erläuterung von 2 insoweit
auf die Erläuterungen
von 1 verwiesen. Ebenso wie der Greifer 1 aus 1 weist
auch der Greifer 1 aus 2 einen Faltenbalg 4 zum
Benetzen der Greifoberfläche 2 und
eine Heizeinrichtung 6 auf. Die Kapillaren 7 kommunizieren
mit dem Faltenbalg 4, das benetzende Medium strömt durch
die Kapillaren 7 an deren vordere Enden, die die ringförmige Linienstruktur
bilden. Das Entfernen des benetzenden Mediums erfolgt durch Rücksaugen
des Mediums durch die Kapillaren 7 mit dem Faltenbalg 4.