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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumgreifeinrichtung, die einen Vakuumgreifer, eine Verarbeitungseinrichtung, eine Sensoreinrichtung zur Bereitstellung eines fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals und ein von der Verarbeitungseinrichtung ansteuerbares Fluidsteuerventil zur Bereitstellung eines Fluidstroms, vorzugsweise eines Vakuums, insbesondere eines Vakuums und eines Überdrucks, an den Vakuumgreifer umfasst, wobei die Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung des Sensorsignals und zur Ansteuerung des Fluidsteuerventils ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vakuumsteuereinrichtung und einen Manipulator.
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Aus der
DE 10 2007 061 820 A1 ist eine Vakuumerzeugervorrichtung bekannt, die eine Ejektoreinrichtung aufweist, welche mit einem an einen Sauggreifer angeschlossenen Saugkanal verbunden ist. An den Saugkanal ist eine Druckerfassungseinrichtung angeschlossen, die mit einer Steuerelektronik kommuniziert. Die Vorrichtung erlaubt die Durchführung eines Verfahrens, bei dem die Evakuierungszeit und/oder die Belüftungszeit des Saugkanals erfasst und mit mindestens einem Referenzzeitwert verglichen wird, um in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein elektrisches Diagnosesignal zu erzeugen.
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Die
DE 10 2007 058 114 A1 offenbart eine Vakuumerzeugervorrichtung und ein zu deren Betreiben geeignetes Verfahren. Eine Ejektoreinrichtung ist mit ihrem Einlass an einen Luftversorgungskanal angeschlossen, der durch eine elektronische Regelungseinrichtung wahlweise abgesperrt oder freigegeben werden kann, um die Ejektoreinrichtung wahlweise auszuschalten oder einzuschalten. Bei eingeschalteter Ejektoreinrichtung wird in einem Saugkanal ein Unterdruck erzeugt. Die Ejektoreinrichtung wird so betrieben, dass der Unterdruck zwischen einem oberen Schaltwert und einem unteren Schaltwert pendelt. Durch einen Vergleich mit einem Referenzzeitwert wird die Betriebsdauer der Ejektoreinrichtung ermittelt, um ein Diagnosesignal zu generieren, das auf die vorhandene Leckage schließen lässt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Vakuumgreifeinrichtung sowie eine Vakuumsteuereinrichtung und einen Manipulator anzugeben, die verglichen mit dem Stand der Technik eine schnellere Handhabung von Werkstücken ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung für ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Ausgeben eines Steuersignals von der Verarbeitungseinrichtung an das Fluidsteuerventil zu einem Ansteuerungszeitpunkt, Ermitteln eines Wirkzeitpunkts, zu dem eine Änderung des fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals um einen vorgebbaren Änderungsbetrag eingetreten ist, Berechnen eines Korrekturwerts anhand einer zeitlichen Differenz zwischen dem Ansteuerungszeitpunkt und dem Wirkzeitpunkt und Korrektur des Ansteuerungszeitpunkts und/oder Korrektur einer Ansteuerungsdauer für das Fluidsteuerventil in einem nachfolgenden Ansteuerungszyklus mit dem ermittelten Korrekturwert.
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Durch die Ermittlung der zeitlichen Differenz zwischen dem Ansteuerungszeitpunkt und dem Wirkzeitpunkt kann die Verarbeitungseinrichtung eine Charakteristik eines fluidischen Systems, das das Fluidsteuerventil, den Vakuumgreifer sowie dazwischen ausgebildete Fluidkanäle umfasst, ermitteln und für eine optimierte Ansteuerung des Fluidsteuerventils bei einem nachfolgenden Ansteuerungszyklus für das Fluidsteuerventil einsetzen sowie gegebenenfalls für andere Zwecke bereitstellen.
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Häufig werden Vakuumgreifeinrichtungen in stetig wiederkehrenden und nach einem vorgebbaren Schema ablaufenden Betriebszyklus betrieben, in dem einerseits ein Greifen und Absetzen eines Werkstücks durch entsprechende Ansteuerung des Vakuumgreifers erfolgt und andererseits eine Bewegung des Vakuumgreifers zwischen einem Werkstückaufnahmeort und einem Werkstückabsetzort durchgeführt wird. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Fluidsteuerventils in einem ebenfalls wiederkehrenden Ansteuerungszyklus, in dem Ansteuerungszeitpunkte und Ansteuerungsdauern für das Fluidsteuerventil festgelegt sind.
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Eine optimierte Ansteuerung des Fluidsteuerventils zum Zweck einer beschleunigten Handhabung von Werkstücken kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Zeitpunkt für die Ansteuerung des Fluidsteuerventils mittels des berechneten Korrekturwerts verschoben wird, um zu einem früheren Zeitpunkt die gewünschte Änderung eines Funktionszustands zu erzielen, der mit einer Bereitstellung eines Fluids oder eines Vakuums an den Vakuumgreifer in Zusammenhang steht. Der Ansteuerungszeitpunkt kann insbesondere mit einer Bewegung des Vakuumgreifers in Verbindung stehen, beispielsweise mit einer Annäherung des Vakuumgreifers an ein Werkstück zum Ergreifen dieses Werkstücks oder mit einer Entfernung des Vakuumgreifers vom Werkstück nach Absetzen des Werkstücks und zumindest teilweisem Aufheben des Vakuums. Je nach Art der zu greifenden Werkstücke und in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Vakuumgreifers kann es erforderlich sein, das Vakuum durch aktives Zuführen von druckbeaufschlagtem Fluid an den Vakuumgreifer rasch aufzuheben. Da hierbei jedoch, insbesondere bei sehr leichten Werkstücken, vermieden werden muss, dass diese durch einen Fluidüberschuss bei Belüften des Vakuumgreifers durch das überschüssige Fluid beschleunigt werden, muss die für den Belüftungsvorgang bereitgestellte Fluidmenge sehr genau gewählt werden. Diese Fluidmenge kann bei einer Erstinbetriebnahme des Vakuumgreifers durch eine geeignete Charakterisierung des Gesamtsystems, in dem der Vakuumgreifer eine Komponente darstellt, bestimmt werden. Da allerdings aufgrund von Alterungserscheinungen, beispielsweise am Fluidsteuerventil und/oder am Vakuumgreifer, eine Veränderung der Systemeigenschaften auftreten kann, ist es vorteilhaft, wenn das Greifverhalten des Vakuumgreifers entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren analysiert wird und gegebenenfalls durch Veränderung des Ansteuerungszeitpunkts und/oder der Ansteuerungsdauer eine präzise Aufhebung des Vakuums am Vakuumgreifer zu gewährleisten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Ansteuerungszeitpunkt ein Steuersignal für eine Bereitstellung eines Vakuums an den Vakuumgreifer bereitgestellt wird und zum Wirkzeitpunkt ein vorgebbarer Druckabfall und/oder eine vorgebbare Änderungsgeschwindigkeit für einen Druckabfall am Vakuumgreifer vorliegen. Hierdurch wird bei der erfindungsgemäßen Differenzbildung ermittelt, welcher zeitliche Zusammenhang zwischen der Bereitstellung des elektrischen Steuersignals an das elektrofluidische Fluidsteuerventil zur Bereitstellung des Vakuums an den Vakuumgreifer und dem tatsächlichen Aufbau des Vakuums am Vakuumgreifer besteht.
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Beispielsweise kann es aufgrund von elektrischen und/oder mechanischen Trägheiten am Fluidsteuerventil und/oder aufgrund von fluidischen Trägheiten, insbesondere aufgrund einer großen Länge des Fluidkanals zwischen Fluidsteuerventil und Vakuumgreifer und/oder aufgrund von Kompressibilitätseffekten im Fluidkanal und/oder aufgrund der Eigenschaften des Vakuumgreifers und/oder des zu ergreifenden Werkstücks zu einer erheblichen Verzögerung zwischen der Bereitstellung des Steuersignals an das Fluidsteuerventil und dem Vakuumaufbau kommen.
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Die hierdurch eintretenden Verzögerungen können durch das erfindungsgemäße Verfahren in ihren praktischen Auswirkungen reduziert werden, da bei Kenntnis der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Ansteuerungszeitpunkt und dem Wirkzeitpunkt beispielsweise eine entsprechend geänderte Ansteuerung des Fluidsteuerventils vorgenommen werden kann. Der Wirkzeitpunkt wird entweder anhand eines vorgebbaren Druckabfalls, also einer Änderung des Drucks am Vakuumgreifer um einen vorgebbaren Betrag oder anhand eines Erreichens eines vorgebbaren Betrags und/oder bei Vorliegen einer vorgebbaren Änderungsgeschwindigkeit für den Druckabfall am Vakuumgreifer bestimmt.
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Durch geeignete Auswahl des Kriteriums für den Wirkzeitpunkt kann beispielsweise zu einem sehr frühen Zeitpunkt nach Ansteuerung des Fluidsteuerventils mit einer erheblichen Sicherheit vorhergesagt werden, dass ein zuverlässiger Aufbau des Vakuums und somit ein sicheres Greifen des Werkstücks durch den Vakuumgreifer erfolgen wird. Somit können nachfolgende Verarbeitungsschritte für das Werkstück, die in einem Zusammenhang mit dem Greifvorgang durch den Vakuumgreifer stehen, besonders rasch nach der Ansteuerung des Fluidventils eingeleitet werden.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, dass zum Ansteuerungszeitpunkt ein Steuersignal für eine Belüftung des Vakuumgreifers bereitgestellt wird und der Wirkzeitpunkt anhand eines vorgebbaren Druckanstiegs und/oder einer vorgebbare Änderungsgeschwindigkeit für einen Druckanstieg am Vakuumgreifer bestimmt wird. Mit einer Belüftung des Vakuumgreifers wird das Ablegen des angesaugten Werkstücks eingeleitet. Durch die Belüftung wird die Druckdifferenz zwischen der Umgebung und dem Raumvolumen, das vom Vakuumgreifer und dem angesaugten Werkstück begrenzt wird, reduziert, wodurch eine Reduktion der Haltekraft eintritt, die der Vakuumgreifer auf das Werkstück ausübt. Sobald die Haltekraft an den Vakuumgreifern, die mit dem Werkstück in Kontakt stehen, gering als die Gewichtskraft des Werkstücks ist, kann das Werkstück abgelegt und der oder die Vakuumgreifer entfernt werden. Bei der Belüftung handelt es sich also um einen passiven Druckausgleich ohne aktive Druckluftzufuhr bis auf ein in der Umgebung des Vakuumgreifers herrschendes Umgebungs-Druckniveau.
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Ergänzend oder alternativ kann ebenfalls vorgesehen werden, dass zum Ansteuerungszeitpunkt ein Steuersignal für eine Bereitstellung eines Überdrucks am Vakuumgreifer bereitgestellt wird und der Wirkzeitpunkt anhand eines vorgebbaren Druckanstiegs und/oder einer vorgebbaren Änderungsgeschwindigkeit für einen Druckanstieg am Vakuumgreifer bestimmt wird. Bei einer Bereitstellung eines Überdrucks in das von Vakuumgreifer und angesaugtem Werkstück begrenzten Raumvolumen wird ein besonders rascher Abbau der Haltekraft erreicht, so dass das Werkstück besonders schnell abgelegt werden kann. Hierbei ist die erfindungsgemäße Korrektur des Ansteuerungszeitpunkts und/oder der Ansteuerungsdauer für das Fluidsteuerventil von besonderem Vorteil, da durch diese Korrektur die Alterung des Fluidsteuerungsventils und/oder des Vakuumgreifers und/oder anderer Systemkomponenten zumindest teilweise ausgeglichen werden kann und ein unerwünschtes Beschleunigen des gegriffenen Werkstücks beim Ablegen vermieden werden kann.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine vorgebbare Dauer für das Steuersignal zur Ansteuerung des Fluidventils mittels des Korrekturwerts korrigiert wird. Dadurch kann eine Anpassung der vorgebbaren zeitlichen Dauer des Steuersignals an die realen Umstände des Greifvorgangs durch den Vakuumgreifer vorgenommen werden. Exemplarisch kann vorgesehen werden, bei der Aufhebung des Vakuums eine Belüftungsdauer zu verlängern, wenn in einem vorausgegangenen Ansteuerungszyklus für den Vakuumgreifer anhand des Druckanstiegs oder der Änderungsgeschwindigkeit des Druckanstiegs detektiert wurde, dass eine Abweichung von einem vorgegebenen Druckverlauf vorliegt, die auf eine verlängerte Schaltzeit des Fluidsteuerventils schließen lässt.
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Zweckmäßig ist es, wenn bei Inbetriebnahme der Vakuumgreifeinrichtung die zeitliche Differenz zwischen dem Ansteuerungszeitpunkt und dem Wirkzeitpunkt als Referenzwert gespeichert wird und in nachfolgenden Ansteuerungszyklen ein Vergleich des Referenzwerts mit der jeweils zuletzt ermittelten zeitlichen Differenz zwischen dem Ansteuerungszeitpunkt und dem Wirkzeitpunkt vorgenommen wird und beim Auftreten einer Abweichung zwischen den beiden zeitlichen Differenzen, die oberhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, von der Verarbeitungseinrichtung eine Warnmeldung ausgegeben wird. Hierdurch wird eine Diagnosefunktion für den Zustand der Vakuumgreifereinrichtung, insbesondere für einen Verschleißzustand des Fluidsteuerventils verwirklicht. Als Inbetriebnahme kann insbesondere eine erste Inbetriebnahme nach einer Montage der Vakuumgreifeinrichtung oder eine Inbetriebnahme nach vorausgegangener Abschaltung der Vakuumgreifeinrichtung verstanden werden. Die Diagnosefunktion basiert auf der Überlegung, dass sich das Fluidsteuerventil zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme in einem vorteilhaften Zustand, insbesondere in einem Zustand geringen Verschleißes, befindet und mit zunehmender Anzahl von Ansteuerungszyklen der Verschleiß, insbesondere die innere Reibung, des Fluidsteuerventils zunimmt, wodurch in der Regel eine Verlängerung der Schaltzeiten des Fluidsteuerventils eintritt. Mit Hilfe der Diagnosefunktion kann die Vakuumgreifeinrichtung überwacht werden und bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwerts eine Warnmeldung ausgegeben werden, um dem Benutzer zu signalisieren, dass nunmehr ein vorgegebener Verschleißzustand erreicht ist und eventuell Gegenmaßnahmen, beispielsweise Wartungsmaßnahmen, für die Vakuumgreifeinrichtung vorgesehen werden sollten.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verarbeitungseinrichtung zum Wirkzeitpunkt ein Statussignal an ein externes Kommunikationssystem bereitstellt, das für eine Kommunikation mit einer Maschinensteuerung ausgebildet ist, um durch das Statussignal eine Änderung eines Bewegungszustands des Vakuumgreifers zu bewirken. Mit Hilfe des Statussignals können Bewegungs- und/oder Verarbeitungsschritte für das Werkstück eingeleitet werden, die in einem Zusammenhang mit dem Ergreifen des Werkstücks durch den Vakuumgreifer stehen. Beispielsweise kann anhand des Statussignals ein Bewegungssignal für eine Bewegung des Werkstücks zu einem Zeitpunkt ausgegeben werden, zu dem die Haltekraft noch nicht ausreichend ist, um eine Werkstückbewegung zuzulassen. Anhand des exemplarischen Kriteriums der Änderungsgeschwindigkeit für den Druckabfall am Vakuumgreifer kann jedoch eine Vorhersage für den weiteren Greifvorgang durch den Vakuumgreifer getroffen werden. Anhand dieser Vorhersage ist absehbar, ob zu demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Bewegung des Werkstücks tatsächlich stattfindet, die Haltekraft bereits ein Niveau erreicht hat, das eine Werkstückbewegung zulässt. Somit kann eine Verzögerungszeit, die im Zusammenhang mit der steuerungstechnischen und/oder mechanischen Trägheit eines Manipulators, dem der Vakuumgreifer zugeordnet ist, steht, zumindest teilweise dadurch kompensiert werden, dass bereit zu einem sehr frühen Zeitpunkt während des Greifvorgangs für das Werkstück das Statussignal an die Maschinensteuerung bereitgestellt wird, das zur Bereitstellung des oder der Steuerungssignale an den Manipulator führt und dass zu dem Zeitpunkt, zu dem eine tatsächliche Beschleunigung des Werkstücks durch den Manipulator stattfindet, der Greifvorgang durch den Vakuumgreifer zumindest soweit abgeschlossen ist, dass das Werkstück trotz der eingeleiteten Beschleunigung zuverlässig am Vakuumgreifer anhaftet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Aspekt mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Hierbei ist eine Vakuumsteuereinrichtung mit einem Fluidanschluss für eine Fluidzufuhr vorgesehen, mit einem Fluidausgang für die Bereitstellung eines Fluids und/oder eines Vakuums an einen Verbraucher, mit einer Verarbeitungseinrichtung, die zur Verarbeitung wenigstens eines fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals und zur Bereitstellung von Steuersignalen ausgebildet ist, sowie mit einem von den Steuersignalen ansteuerbaren Fluidsteuerventil, das mit dem Fluidanschluss oder mit dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang verbunden ist, und/oder mit einem Vakuumsteuerventil, das mit dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang verbunden ist, um eine zeitweilige Bereitstellung von Fluid und/oder Vakuum am Fluidausgang zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist die Verarbeitungseinrichtung für die Ermittlung und Verarbeitung wenigstens eines Korrekturwerts ausgebildet, der sich aus einer zeitlichen Differenz zwischen der Bereitstellung eines Steuersignals an das Fluidsteuerventil und/oder an das Vakuumsteuerventil und einer vorgebbaren Änderung des fluid- und/oder vakuumbezogenen Sensorsignals ergibt. Mit einer derartigen Verarbeitungseinrichtung, die in einer Vakuumsteuereinrichtung enthalten ist, wird eine Optimierung von Greif- und/oder Ablegevorgängen für ein Werkstück ermöglicht, das von einem Vakuumgreifer gegriffen werden soll, der mit einem von der Vakuumsteuereinrichtung bereitgestellten Unterdruck und ggf. Überdruck beaufschlagt wird. Die Vakuumsteuereinrichtung kann anhand des von der Verarbeitungseinrichtung ermittelten Korrekturwerts entweder eigenständig eine verbesserte fluidische Ansteuerung des anschließbaren Vakuumgreifers oder in Zusammenwirkung mit einer Maschinensteuerung eine optimierte Bewegungssteuerung für einen von der Maschinensteuerung ansteuerbaren Manipulator, der den Vakuumgreifer trägt und bewegt, erreicht werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn dem Vakuumgreifer eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die für eine Bereitstellung des Vakuumbezogenen Sensorsignals an die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist. Somit erfolgt eine Ermittlung des Vakuums vor Ort direkt am Vakuumgreifer, wodurch eine hohe Genauigkeit des ermittelten Messwerts für die wenigstens eine Charakteristik des zu erzeugenden Vakuums gewährleistet wird.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Verarbeitungseinrichtung ein Drucksensor für die Ermittlung eines Fluiddrucks am Fluidanschluss zugeordnet ist und dass die Verarbeitungseinrichtung für eine Änderung des Steuersignals an das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil anhand des ermittelten Fluiddrucks ausgebildet ist. Durch die Integration des Drucksensors in die Vakuumsteuereinrichtung kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden, da auf Anschlussmittel für einen externen Drucksensor, beispielsweise auf Steckbuchsen für Signalkabel, verzichtet werden kann. Zudem ist keine aufwendige Aufbereitung der Ausgangssignale des Drucksensors erforderlich, vielmehr werden die Ausgangssignale des Drucksensors auf kurzem Wege an die Verarbeitungseinrichtung weitergeleitet. Besonders bevorzugt ist der Drucksensor direkt mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden, auf der die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Fluidanschluss und dem Fluidausgang ein Vakuumerzeuger, insbesondere ein Ejektor, fluidisch eingeschleift ist. Hierdurch kann das benötigte Vakuum unmittelbar in der Vakuumsteuereinrichtung erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine wahlweise Bereitstellung eines Vakuums und eines Überdrucks am Fluidausgang allein durch Umschaltung des Vakuumsteuerventils erreicht werden kann. Dabei stellt das Vakuumsteuerventil in einer ersten Schaltstellung die am Fluidanschluss bereitgestellte Druckluft dem Vakuumerzeuger, insbesondere dem Ejektor, zur Verfügung, so dass am Fluidausgang ein Vakuum bereitgestellt wird. In einer zweiten Schaltstellung wird der Fluidanschluss vom Vakuumsteuerventil blockiert. In einer dritten Schaltstellung findet eine unmittelbare Weiterleitung der am Fluidanschluss bereitgestellten Druckluft an den Fluidausgang statt, so dass eine Überdruckbeaufschlagung des dort angeschlossenen Vakuumgreifers erfolgen kann.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass an der Vakuumsteuereinrichtung ein zweiter Fluidanschluss vorgesehen ist, der für eine Bereitstellung eines zweiten Fluids an das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil ausgebildet ist und dass das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil für eine wahlweise Freigabe einer kommunizierenden Verbindung zwischen dem ersten oder dem zweiten Fluidanschluss und dem Fluidausgang sowie für eine Absperrung der Verbindung zum Fluidausgang ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung des Fluidsteuerventil und/oder des Vakuumsteuerventils ist vorteilhaft, wenn sowohl Druckluft als auch Vakuum an die Vakuumsteuereinrichtung bereitgestellt werden. Somit sind das Fluidsteuerventil und/oder das Vakuumsteuerventil für eine Umschaltung zwischen dem bereitgestellten Vakuum, der bereitgestellten Druckluft und gegebenenfalls einer Blockierung des Fluidausgangs verantwortlich.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst. Hierbei ist ein Manipulator mit einem beweglichen Manipulatorarm und einem daran angebrachten Vakuumgreifer zum Ergreifen, Bewegen und Absetzen von Werkstücken vorgesehen, wobei der Vakuumgreifer fluidisch kommunizierend mit einer erfindungsgemäßen Vakuumsteuereinrichtung, sowie mit einer Maschinensteuerung, die für eine Ansteuerung des Manipulatorarms und für eine Kommunikation mit der Vakuumsteuereinrichtung über ein externes Kommunikationssystem ausgebildet ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Maschinensteuerung derart eingerichtet ist, dass eine Änderung eines Bewegungszustands des Manipulatorarms in Abhängigkeit von einem Statussignal der Vakuumsteuereinrichtung erfolgt.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vakuumgreifeinrichtung,
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2 eine modular aufgebaute Fluidsteuereinrichtung zur Ansteuerung der in 1 dargestellten Vakuumgreifeinrichtung,
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3 einen pneumatischen Schaltplan einer ersten Ausführungsform eines Vakuumsteuergeräts,
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4 einen pneumatischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform eines Vakuumsteuergeräts und
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5 ein zeitliches Ablaufschema für den Betrieb einer Vakuumgreifeinrichtung.
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In der 1 ist eine Vakuumgreifeinrichtung 1 schematisch dargestellt, wie sie beispielsweise zum Manövrieren von plattenförmigen Gegenständen 2 eingesetzt werden kann. Die Vakuumgreifeinrichtung 1 umfasst exemplarisch mehrere an einem gemeinsamen formstabilen Rahmen 3 angebrachte, zumindest bereichsweise flexibel ausgebildete Vakuumgreifer 4. Der Rahmen 3 ist vorliegend an zwei parallel zueinander ausgerichteten Linearstellern 5 angebracht, bei denen es sich um elektrische oder fluidische Stellmittel, insbesondere um Pneumatikzylinder. handeln kann. Jeder der Vakuumgreifer 4 ist fluidisch kommunizierend mit einer Versorgungsleitung 6 verbunden, die für eine Bereitstellung eines Fluidstroms aus einem vom Vakuumgreifer 4 und dem zugeordneten Werkstück 2 begrenzten, nicht näher dargestellten Hohlraum oder eines Fluidstroms in diesen Hohlraum ausgebildet ist. Die Vakuumgreifer 4 können beispielsweise zunächst auf die Oberfläche des Werkstücks 2 aufgesetzt werden, um dann in einem nachfolgenden Schritt eine Evakuierung des Hohlraums über die Versorgungsleitung zu bewirken, wodurch sich eine Haltekraft zwischen Vakuumgreifer 4 und Werkstück 2 aufbaut. Bei ausreichender Dichtwirkung zwischen dem Vakuumgreifer 4 und dem Werkstück 2 und ausreichender Unterdruckbeaufschlagung des Hohlraums kann dadurch das Werkstück 2 mittels der Linearsteller 5 angehoben und/oder abgesenkt werden. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung der Linearsteller 5 als Pneumatikzylinder sind Druckleitungen 7, 8 vorgesehen, über die Druckluft zu den Linearstellern 5 geleitet werden kann, um den gewünschten Hub- oder Absenkvorgang zu bewirken.
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In einem nachfolgenden Schritt werden die Hohlräume der jeweiligen Vakuumgreifer 4 belüftet oder gegebenenfalls mit Überdruck beaufschlagt, um einen raschen Abbau der Haltekräfte zu bewirken und das Werkstück 2 schnell ablegen zu können.
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Die Versorgungsleitung 6 ist wie die Druckleitungen 7 und 8 mit einer Fluidsteuereinrichtung 9 verbunden, die aus mehreren, in der 2 näher dargestellten Modulen 10, 11, 12, aufgebaut ist. Vorzugsweise sind diese Module 10, 11, 12 aneinandergereiht angeordnet und stehen untereinander elektrisch und fluidisch in kommunizierender Verbindung. Exemplarisch umfasst die Fluidsteuereinrichtung 9 ein Vakuummodul 10 sowie zwei Druckluftmodule 11 und ein Steuermodul 12. Die Vakuumgreifer 4 sind über die Versorgungsleitung 6 mit dem Vakuummodul 10 verbunden. Die beiden Linearsteller 5 sind über die Druckleitungen 7, 8 mit den für die Hub- bzw. Absenkbewegung zuständigen Druckluftmodulen 11 verbunden. Das Steuermodul 12 ist zur Koordination der Funktionen der anderen Module 10, 11 vorgesehen, hierzu kann beispielsweise eine parallel Verschaltung der Module 10, 11 mit dem Steuermodul 12 oder ein internes Kommunikationssystem zwischen den Modulen 10, 11 und dem Steuermodul 12 vorgesehen sein. Zudem dient das Steuermodul 12 auch zur Umsetzung von Steuerbefehlen, die von einer Maschinensteuerung 13 über ein Kommunikationssystem 15 an das Steuermodul 12 bereitgestellt werden. An wenigstens einem der Vakuumgreifer 4 kann fakultativ ein Drucksensor 14 angeordnet werden, der mit dem Vakuummodul 10 elektrisch gekoppelt ist und der für die Bereitstellung eines Ist-Druckwert-Signals an das Vakuummodul 10 ausgebildet ist. Mit Hilfe des Drucksensors 14 kann der tatsächlich am Vakuumgreifer 4 anliegende Fluiddruck ermittelt werden, um eine vorteilhafte Steuerung des Vakuummoduls 10 zu ermöglichen.
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Aus der 2 ist der modulare Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform einer Fluidsteuereinrichtung 9 erkennbar. Das Steuermodul 12 umfasst eine externe Kommunikationsschnittstelle 16, eine interne Kommunikationsschnittstelle 17 sowie zwei externe Fluidanschlüsse 18, 19 und zwei interne Fluidanschlüsse 20, 21. An den beiden externen Fluidanschlüssen 18, 19 können beispielsweise Druckluft und Vakuum angeschlossen werden, die internen Fluidanschlüsse 20, 21 dienen dann exemplarisch zur Weiterleitung der Druckluft und des Vakuums an die Module 10, 11. Die externe Kommunikationsschnittstelle 16 dient zum Anschluss eines externen Kommunikationssystems 15, das exemplarisch eine Übertragung von Steuerbefehlen und Sensordaten zwischen der Maschinensteuerung 13 und dem Steuermodul 12 nach dem Profibus-Protokoll vorsieht. Die interne Kommunikationsschnittstelle 17 ist für eine Weiterleitung von Steuerbefehlen vom Steuermodul 12 an die Module 10, 11 sowie zur Bereitstellung von Sensor- und/oder Statussignalen der Module 10, 11 an das Steuermodul 12 vorgesehen und kann beispielsweise für eine Datenübertragung nach dem I/O-Link-Protokoll ausgebildet sein. Alternativ sind die interne Kommunikationsschnittstelle 17 am Steuermodul 12 und entsprechende Kommunikationsschnittstellen 17 an den Modulen 10, 11 als Parallelbussystem, gemäß I/O-Link oder als Parallelverdrahtung, insbesondere Multipol, ausgebildet.
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Die der in 3 dargestellte erste Ausführungsform eines als Vakuumsteuergerät 22 ausgebildeten Vakuummoduls 10 umfasst einen Fluidanschluss 23, ein Steuerventil 24, einen Ejektor 25, einen Abluftschalldämpfer 28, einen am Ejektor 28 angeordneten Sauganschluss 29, eine Fluidleitung 30, einen Fluidausgang 31, eine Verarbeitungseinrichtung 32 sowie eine als Drucksensor 33 ausgebildete Sensoreinrichtung. Der Fluidanschluss 23 ist für eine Druckluftzufuhr in das Vakuumsteuergerät 22 ausgebildet und an einer Seitenwand des Vakuummoduls 10 angeordnet, so dass er mit einem korrespondierenden internen Fluidanschluss 20 eines benachbart angeordneten Moduls 10, 11, 12 in kommunizierende Verbindung gebracht werden kann. Der Fluidanschluss 23 steht mit einem Steuerventil 24 in Verbindung, das für eine wahlweise Weiterleitung der bereitgestellten Druckluft an den Ejektor 25 oder unmittelbar an den Fluidausgang 31 ausgebildet ist. Das Steuerventil 24 ist exemplarisch als 3/3-Wegeventil ausgebildet und kann elektromagnetisch angesteuert werden. Hierzu ist die im Vakuumsteuergerät 22 angeordnete Verarbeitungseinrichtung 32 vorgesehen, die über die interne Kommunikationsschnittstelle 17 mit dem Steuermodul 12 in elektrisch kommunizierender Verbindung steht. Die Kommunikationsschnittstelle 17 kann exemplarisch für einen Datenaustausch mit dem Steuermodul 12 gemäß dem I/O-Link-Protokoll oder einem anderen Busprotokoll oder alternativ als Multipol-Verbindung ausgebildet sein. Das Steuerventil 24 kann in einer ersten, in der 3 dargestellten Schaltstellung für eine Druckluftversorgung des Ejektors 23 vorgesehen sein, so dass an dem Sauganschluss 29 und somit auch am Fluidausgang 31 ein Unterdruck anliegt, mit dem die in der 1 dargestellten Vakuumgreifer 4 am Werkstück 2 festgesaugt werden können. In einer zweiten Schaltstellung des Steuerventils 24 ist eine Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 für ein schnelles Ablegen des Werkstücks 2 vorgesehen. In einer dritten Schaltstellung des Steuerventils 24 sind die Verbindungen zwischen dem Fluidarischluss 23 und dem Fluidausgang 31 blockiert. Die Verarbeitungseinrichtung 32 ist elektrisch mit dem Drucksensor 33 verbunden, der seinerseits in kommunizierender fluidischer Verbindung mit der zum Fluidausgang 31 führenden Fluidleitung 30 steht. Mit Hilfe des Drucksensors 33 kann der tatsächlich am Fluidausgang 31 anliegende Fluiddruck ermittelt werden, um eine vorteilhafte Ansteuerung des Steuerventils 24 vornehmen zu können. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Verarbeitungseinrichtung als baulich getrennter Bestandteil des Vakuumsteuergeräts ausgebildet oder ist im Steuermodul integriert.
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Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform eines als Vakuumsteuergerät 42 ausgeführten Vakuummoduls 10 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezeichnungen wie beim Vakuumsteuergerät 22 benutzt. Das Vakuumsteuergerät 42 umfasst ebenfalls eine Verarbeitungseinrichtung 32, einen Drucksensor 33 und einen Fluidausgang 31. Abweichend vom Vakuumsteuergerät 22 sind beim Vakuumsteuergerät 42 zwei Fluidanschlüsse 43, 44 vorgesehen, die einer Druckluft- bzw. Vakuumversorgung in das Vakuumsteuergerät 42 dienen. Den beiden Fluidanschlüssen 43, 44 ist jeweils ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Steuerventil 45, 46 zugeordnet, wobei jedes der Steuerventile 45, 46 mit der Verarbeitungseinrichtung 32 elektrisch gekoppelt ist. Die Verarbeitungseinrichtung 32 kann die Steuerventile 45, 46 derart ansteuern, dass wahlweise die am Fluidanschluss 43 bereitgestellte Druckluft oder der am Fluidanschluss 44 bereitgestellte Unterdruck an den Fluidausgang 31 bereitgestellt wird. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass beide Steuerventile 45, 46 von der Verarbeitungseinrichtung 32 in die jeweilige Sperrstellung geschaltet werden, so dass kein Fluidstrom zwischen den Fluidanschlüssen 43, 44 und dem Fluidausgang 31 vorliegt.
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Aus dem in 5 dargestellten zeitlichen Ablaufschema für den Betrieb einer Vakuumgreifeinrichtung 1 geht hervor, in welcher Weise eine vorteilhafte Ansteuerung des in 4 dargestellten Vakuumsteuergeräts 42 vorgenommen werden kann. Auf der Abszissenachse des Schaubilds ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinatenachse ist der Druck p aufgetragen.
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Zu einem Zeitpunkt t0 sind beide Steuerventile 45, 46 in die Sperrstellung geschaltet, so dass weder ein Vakuum noch ein Überdruck am Fluidausgang 31 anliegen. Dementsprechend ist der vom Drucksensor 33 gemessene Druck gleich dem Umgebungsdruck p0.
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Zum Zeitpunkt t1, der auch als erster Ansteuerungszeitpunkt bezeichnet wird und als Beginn eines sich zeitlich zwischen t1 und t10 erstreckenden Ansteuerungszyklus angesehen werden kann, wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 ein Steuersignal an das Steuerventil 46 ausgegeben, um eine Vakuumbeaufschlagung des Fluidausgangs 31 zu bewirken. Das Steuersignal ist als schwarzer Balken in der Zeile B der 5 symbolisiert, der zum Zeitpunkt t1 beginnt. Aufgrund von elektrischen und/oder mechanischen und/oder fluidischen Trägheiten tritt ein zeitlicher Verzug zwischen der Ausgabe des Steuersignals durch die Verarbeitungseinrichtung 32 und einer tatsächlichen Änderung des Drucks am Fluidausgang ein, so dass der Wirkzeitpunkt, zu dem beispielsweise eine vorgebbare Druckänderung Δp1 tatsächlich eingetreten ist, im vorliegenden Fall zum Zeitpunkt t2 vorliegt. Diese zeitliche Differenz t2–t1 wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 durch Auswertung des elektrischen Sensorsignals des Drucksensors 33 ermittelt und als Verzögerungszeit td1 gespeichert.
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In gleicher Weise und ergänzend oder alternativ zur Bestimmung der ersten Verzögerungszeit td1 kann eine weitere zeitliche Differenz td2 zwischen der in Zeile A eingezeichneten Ansteuerung des Steuerventils 46 zum Zeitpunkt t6 und dem zugehörigen Wirkzeitpunkt t8 berechnet werden, zu dem sich ausgehend von dem zum Zeitpunkt t6 vorliegenden Druck eine vorgebbare Druckdifferenz Δp2 eingestellt hat. Durch die Druckbeauschlagung des Vakuumgreifers 4, die mit dem Steuersignal ab dem Zeitpunkt t6 eingeleitet wird, effektiv jedoch aufgrund interner Verzögerungen, beispielsweise im Steuerventil 46 erst ab einem Zeitpunkt t7 tatsächlich beginnt, findet ein rascher Abbau des Vakuums im Vakuumgreifer 4 statt.
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Der Wert td2 kann ebenso wie der Wert td1 in der Verarbeitungseinrichtung 32 gespeichert werden. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 32 derart eingerichtet, dass sie einen Vergleich der aktuell ermittelten Werte für td1 und td2 mit vorausgegangenen, insbesondere mit unmittelbar vorausgegangenen Werten für td1 und td1 ermöglicht und bei Vorliegen einer Abweichung eine Korrektur der Ansteuerungsdauer, insbesondere für das Steuersignal zur Belüftung des Vakuumgreifers 4 ab dem Zeitpunkt t6, ermöglicht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer Vergrößerung der zeitlichen Differenz td2 beim aktuellen Ansteuerungszyklus verglichen mit dem vorausgegangen Ansteuerungszyklus für den nachfolgenden Ansteuerungszyklus eine Verlängerung der Ansteuerungsdauer für das Steuerventil 46 vorgesehen wird.
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Neben einem Vergleich der aktuellen Werte td1 und td2 mit den Werten aus einem vorausgegangenen Ansteuerungszyklus kann auch ein Vergleich der aktuellen Werte für td1 und/oder td2 mit Werten für td1 und/oder td2, die bei einer Inbetriebnahme der Vakuumgreifeinrichtung 1 ermittelt wurden, vorgenommen werden, um eine Diagnosefunktion für die Vakuumgreifeinrichtung 1 zu verwirklichen. Mit dieser Diagnosefunktion kann ein Alterungsprozess der Vakuumgreifeinrichtung 1 nachverfolgt werden, der sich insbesondere in vergrößerten Werten td1 und/oder td2 niederschlägt. Vorzugsweise wird vom Vakuumsteuergerät 42 eine Meldung ausgegeben, sobald eine Differenz zwischen einem bei der Inbetriebnahme als Referenzwert gespeicherten Wert td1 und/oder td2 und einem aktuellen Wert für td1 und/oder td2 einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
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Der Vakuumabbau im Vakuumgreifer 4 ist an sich zu Zeitpunkt t9 abgeschlossen, allerdings ist die Ansteuerungsdauer für das Steuerventil 46 so gewählt, dass dieses über den Zeitpunkt t9 hinaus geöffnet bleibt und somit im Vakuumgreifer 4 ein geringfügiger Überdruckaufbau stattfindet, der das Ablegen des gegebenenfalls sehr leichten und möglicherweise am Vakuumgreifer 4 anhaftenden Werkstücks erleichtert. Die Verlängerung der Ansteuerungsdauer kann also exemplarisch vorgesehen werden, um ein Erreichen eines vorgebbaren, wenngleich geringen, Überdruckniveaus im Vakuumgreifer 4 zu gewährleisten, wie es in der 5 zum Zeitpunkt t10 angegeben ist.
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Bei dem in 5 dargestellten Ansteuerungszyklus für den Vakuumgreifer 4 tritt dieser zu einem Zeitpunkt t3 in Kontakt mit dem Werkstück 2, so dass ein rascher Aufbau eines Vakuums in dem vom Vakuumgreifer 4 und dem Werkstück 2 begrenzten Hohlraum und somit auch ein Aufbau einer Haftkraft zwischen Vakuumgreifer 4 und Werkstück 2 erfolgt.
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Ab dem Zeitpunkt t3 ermittelt die Verarbeitungseinrichtung 32 fortlaufend die eingetretene Änderung des Drucks, also die zeitliche Ableitung des Drucks oder Druckänderungsgeschwindigkeit. Exemplarisch kann vorgesehen sein, nach Verstreichen einer Zeitdauer, innerhalb derer die Druckänderungsgeschwindigkeit zuverlässig ein vorgebbares Niveau überschritten hat, ein Statussignal durch die Verarbeitungseinrichtung 32 auszugeben. Dies ist exemplarisch zum Zeitpunkt t4 der Fall. Das Statussignal, das exemplarisch in der Zeile D der 5 dargestellt ist, kann beispielsweise über das interne Kommunikationssystem an das Steuermodul 12 und von dort über das externe Kommunikationssystem 15 an die Maschinensteuerung 13 weitergeleitet werden. Anhand dieses Statussignals kann in der Maschinensteuerung 13 beispielsweise die Ansteuerung der Linearsteller 5 ausgelöst werden. Zwischen der Ausgabe eines entsprechenden Ansteuersignals durch die Maschinensteuerung 13 und einer tatsächlichen Bewegung der Linearsteller 5 liegt ebenfalls eine zeitliche Differenz vor, in der ein weiterer Druckabfall am Vakuumgreifer stattgefunden hat, wodurch sich die Haltekräfte erhöhen. Daher ist es möglich, das Statussignal bereits zu einem Zeitpunkt auszugeben, zu dem noch keine ausreichenden Haltekräfte zwischen den Vakuumgreifern 4 und dem Werkstück 2 vorliegen, da bis zu einer tatsächlichen Beschleunigung des Werkstücks 2 die Haltekräfte ein ausreichendes Niveau erreicht haben werden.
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Im Gegensatz dazu erfordert ein Erreichen eines vorgebbaren Druckniveaus als Auslöser für ein gleichartiges Statussignal eine längere Wartezeit, da im Gegensatz zur Druckänderungsgeschwindigkeit erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt eine zuverlässige Aussage darüber getroffen werden kann, ob das Werkstück 2 von den Vakuumgreifern 4 sicher gehalten ist. Der Zeitpunkt, zu dem ein druckbasiertes statussignal ausgegeben werden könnte, ist in der 5 mit t5 bezeichnet. Offensichtlich ergibt sich durch die Analyse der Druckänderungsgeschwindigkeit ein Zeitvorteil für das Anheben des Werkstücks 2, so dass eine entsprechende Vakuumgreifeinrichtung 1 effizienter betrieben werden kann.
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Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen werden, anstelle der im vorausgegangenen Ansteuerungszyklus ermittelten zeitlichen Differenz td2 die zu Beginn der Unterdruckbeaufschlagung des Fluidausgangs im aktuellen Ansteuerungszyklus ermittelte Verzögerungszeit td1 für ein sicheres und rasches Ablegen des Werkstücks 2 einzusetzen. Beim Ablegen des Werkstücks 2 besteht die Problematik darin, dass eine Bewegung der Vakuumgreifer 4 erst dann erfolgen sollte, wenn das Werkstück 2 zuverlässig abgelegt ist. Um dies sicherzustellen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, nach einer Belüftung oder einer Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 eine Wartezeit vorzusehen, innerhalb derer keine Bewegung der Vakuumgreifer 4 erfolgt. Diese Wartezeit muss so gewählt werden, dass alle elektrischen, mechanischen und fluidischen Trägheiten berücksichtigt sind, die zwischen der Verarbeitungseinrichtung 32, dem Steuerventil 45, 46, dem Fluidausgang 31 und den Vakuumgreifern 4 auftreten können. Um diese Wartezeit zu verkürzen, wird von der Verarbeitungseinrichtung 32 bei der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4, die exemplarisch zu einem Zeitpunkt t6 von der Verarbeitungseinrichtung 32 synchron zu einer Abschaltung des Vakuums erfolgt, die Verzögerungszeit td1 berücksichtigt, die bei der Vakuumbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 von der Verarbeitungseinrichtung 32 ermittelt wurde. Mit dieser Verzögerungszeit, die in der 5 als zeitliche Differenz zwischen dem Zeitpunkt t6 und dem Beginn des Druckanstiegs in den Vakuumgreifern zum Zeitpunkt t7 sichtbar ist, steht der Verarbeitungseinrichtung 32 eine Information zu Verfügung, anhand derer der Zeitpunkt t8, zu dem ein weitgehender, insbesondere vollständiger, Abbau des Vakuums an den Vakuumgreifern 4 erfolgt ist, exakter bestimmt werden kann. Damit kann die Zeitspanne von der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 bis zu einer Relativbewegung zwischen den Vakuumgreifern 4 und dem Werkstück 2 verkürzt werden.
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Ergänzend oder alternativ kann die Verarbeitungseinrichtung 32 auch das Drucksignal des Drucksensors 33 überwachen, um bei Erreichen eines vorgebbaren Mindestdrucks, insbesondere des Umgebungsdrucks, ein Statussignal an die Maschinensteuerung 13 bereitzustellen, anhand dessen eine Bewegung der Linearsteller 5 eingeleitet werden kann. In vorteilhafter Weise kann bei der Belüftung oder Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4 eine Verzögerungszeit td2 ermittelt werden, die sich als zeitliche Differenz zwischen dem Schaltzeitpunkt t6 für das Steuerventil 45, vorliegend zur Druckbeaufschlagung der Vakuumgreifer 4, und dem Erreichen eines vorgebbaren Mindestdrucks, exemplarisch zum Zeitpunkt t8, an den Vakuumgreifern 4 ergibt. Diese Verzögerungszeit td2 kann von der Verarbeitungseinrichtung 32 ebenfalls berücksichtigt werden, um zu einem möglichst frühen Zeitpunkt die Ausgabe des Statussignals an die Maschinensteuerung 13 vorzunehmen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Vakuumgreifer 4 zu einem Zeitpunkt vom Werkstück 2 abgehoben werden, zu dem noch eine nennenswerte Haltekraft vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007061820 A1 [0002]
- DE 102007058114 A1 [0003]
