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Die Erfindung betrifft eine Winkelausgleichseinheit für eine Handhabungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Handhabungseinrichtungen (Handlingsysteme) werden in der Automatisierungstechnik und in der Antriebstechnik eingesetzt, um beispielsweise den Materialfluss von oder zu einer Wirkstelle zu ermöglichen. Typische Handhabungseinrichtungen sind programmgesteuert, z. B. Industrieroboter oder Einlegegeräte.
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Handlingsysteme und Handlingmodule werden beispielsweise in der Lineartechnik verwendet. Es können mit Hilfe von Linearführungen und unterschiedlichen Linearantrieben so genannte Portalroboter zu Handlingzweicken aufgebaut werden. Es sind auch Handhabungseinrichtungen mit so genannten „Pick-and-place”-Anwendungen bekannt, die mittels eines Greifers Bauteile o. dgl. aufnehmen und am Zielort platzieren. Dazu kommen auch Positioniersysteme zum Einsatz.
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Die Greifer sind an den entsprechenden Handhabungseinrichtungen wie bspw. Roboterarmen, Linearantrieben oder Rotationsantrieben befestigt. Dabei besteht die Gefahr, dass es beim Greifen der Werkstücke aus den verschiedensten Gründen zu Problemen kommt, beispielsweise wenn die zu greifenden Werkstücke nicht genau genug positioniert sind oder sich verklemmt haben. Bereits eine Schräglage der Werkstücke in einem Behälter kann zu Schwierigkeiten bei der Entnahme führen.
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Kollisionsschutzvorrichtungen weisen üblicherweise einen großflächigen Kolben auf, der in einem Gehäuse angeordnet ist. Der Kolben liegt stirnseitig auf der Randfläche des Gehäuses auf und wird dort über einen Dichtring abgedichtet. Mit einem im Gehäuse erzeugten pneumatischen oder hydraulischen Druck kann die Auslösekraft der Schutzvorrichtung eingestellt werden. Wird bei einer Kollision am Werkzeug eine größere Kraft wirksam als erwünscht, so wird der Kolben von der Dichtfläche abgehoben und der Druck im dahinter liegenden Kolbenraum bricht zusammen. Durch eine schlagartige Belastung muss somit nur eine einstellbare Haltekraft überwunden werden. Danach ist der Kolben auf der Seite des Werkzeugs kraftfrei im Bereich des Kolbenraums beweglich.
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Somit bewegt sich der Kolben bei Steigerung einer eingeleiteten Kraft erst dann, wenn die pneumatische oder hydraulische Gegenkraft kleiner ist als die Summe aus eingeleiteter Kraft und Verformungskraft des Dichtrings. Dies hat in der Regel einen Notstopp zur Folge.
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Zur Aufnahme der Werkstücke können auch optische Sensoren eingesetzt werden. Diese Sensoren dienen der Lageerkennung der aufzunehmenden Teile. Die Position im Raum, also beispielsweise eine Schräglage, kann von diesen Sensoren aber üblicherweise nicht erkannt werden.
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Bei der Aufnahme von Teilen durch Hebesysteme, die beispielsweise über einen Magnet oder Vakuumsauger verfügen, können die genannten schräg liegenden Teile schlecht aufgenommen werden. Um die Aufnahme zu erleichtern, offenbart beispielsweise die
DE 1 200 498 C eine Hebevorrichtung mit einem Hebemagnet und einem Saugnapf, die starr miteinander verbunden sind.
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Die
DE 199 51 703 C2 offenbart eine Vorrichtung, bei der in einem Gehäuse ein Kolben mit einem Magnet pneumatisch bewegt wird. Hierfür wird der Kolben abwechselnd an seinen Kolbenflächen mit Druckmedium beaufschlagt. In diese von den Kolbenflächen begrenzten Zylinderräume münden Druckleitungen, über die das Druckmedium zugeführt wird. Die Ausgestaltung der Vorrichtung mit zwei Zylinderräumen und die Anordnung von zwei Druckleitungen ist aufwändig und verursacht hohe Herstellungskosten.
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Bekannt ist auch eine Kollisionsschutzvorrichtung (
DE 10 2007 038 922 ) für ein von einer Handhabungseinrichtung geführtes Werkzeug. Dabei weist diese Kollisionsschutzvorrichtung mindestens eine gewölbte Membran in einer Halterung auf. An dieser Membran ist eine Anschlussstelle für eine Befestigung der Handhabungseinrichtung oder des Werkstücks angeordnet. Die Schutzvorrichtung lässt sich dabei zwischen die Handhabungseinrichtung und dem Werkstück einbauen. Die Membran weist ein Maß an Steifigkeit aus, durch das sie bei Einwirken einer Kraftkomponente so lange in einem mechanisch stabilen Zustand bleibt, bis die Kraftkomponente eine Grenzkraft überschreitet, ab der sich die Membran schlagartig auf die andere Seite wölbt.
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Nachteilig an dieser Membran ist, dass zwar der Greifer vor Kollisionen mit dem beispielsweise in einer Schieflage liegenden Werkstück geschützt wird, die Aufnahme des schief liegenden Werkstücks selbst jedoch nicht ermöglicht wird und somit die Aufgabe des Greifers, nämlich einen Gegenstand zu heben und zu transportieren, dadurch nicht erfüllt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Winkelausgleichseinheit für eine Handhabungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige Handhabung von Werkstücken ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Winkelausgleichseinheit für eine Handhabungseinrichtung offenbart. Die Winkelausgleichseinheit ist dabei als Schnittstelle zwischen der Handhabungseinrichtung und einem Werkzeug, insbesondere einer Hebeeinrichtung, angeordnet.
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Die Winkelausgleichseinheit ist mechanisch ausgebildet und weist elastische Rückstellelemente auf. Die Rückstellkraft am Rückstellelement kann dabei gummielastisch, federelastisch oder über ein elastisches Feststoffgelenk aufgebaut werden. Das Rückstellelement kann dabei beispielsweise als Balgkissen ausgebildet sein. Das Balgkissen ist ein elastisches Kissen, das mit einem gasförmigem oder geleeartigem Füllstoff gefüllt ist. Das Rückstellelement kann auch als gummielastische Kugel ausgebildet sein. In einem Ausführungsbeispiel ist das Rückstellelement als Schenkelfeder ausgebildet.
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Die Handhabungseinrichtung soll mit der Hebeeinrichtung, beispielsweise mit einem angeordneten Magnet, Vakuumsauger o. dgl. durcheinander bzw. schräg liegende Teile, beispielsweise Schrauben, aufnehmen.
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Der dazu notwendige Winkelausgleich wird über die mechanische Winkelausgleichseinheit mit Rückstellelementen ermöglicht, die zwischen der Handhabungseinrichtung, einem Roboter o. dgl. und einer Hebe- oder Greifeinrichtung angeordnet werden kann. Die Winkelausgleichseinheit weist eine in der zentrischen Mittelachse pendelnd geführte Führungskugel auf. Die Führungskugel kann sich um die zentrische Mittelachse Z in der X oder Y-Ebene pendelnd bewegen.
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Die Rückstellung der gekippten Position wird beim Anheben in Richtung der Z-Achse über die oben genannten elastischen Rückstellelemente wieder ausgerichtet.
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Dabei kann ein Winkelausgleich in der genannten Art alleine zur Verfügung gestellt werden.
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Der Winkelausgleich kann auch mit einer Einfederung in die Z-Achse erfolgen.
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Alternativ wird der Winkelausgleich mit einem pneumatisch/mechanischen 0-Positionsspeicher erzielt.
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Der Winkelausgleich kann des weiteren mit der Einfederung in die Z-Achse und mit einem pneumatisch/mechanischen 0-Positionsspeicher erzielt werden.
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Die Funktion des pneumatisch/mechanischen 0-Positionsspeichers ist dabei so ausgebildet, dass die Speicherfunktion pneumatisch über einen Kolben betätigt wird. Eine Kolbenstange ist dabei mit einem Konus ausgebildet. Ein Gegenkonus ist in eine Führungskugel eingearbeitet. Der Konus greift in den Gegenkonus ein. Dabei wird eine formschlüssige Verbindung erzielt. Dies ermöglicht die Zentrierung der Einheit in der 0-Position.
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Ein eingebautes Federelement bewirkt, dass beim Ausfall der zugeführten Energie die energielose Kolbeneinheit in der zentrierten 0-Position gehalten wird. Das Federelement ist insbesondere als Druckfederelement ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Winkelausgleichseinheit hat dabei den Vorteil, dass die Funktion als federelastischer Ausgleich in der Z-Achse erfolgt. Daher muss beim Aufsetzen der Winkelausgleichseinheit die Anfahrposition nicht exakt ausgeführt werden, da eine Überfederung vorhanden ist, die einen Kollisionsschutz darstellt.
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Des weiteren kann das Handhabungssystem gezielt um ein gewolltes Maß überbrückt werden und bietet so erhöhte Sicherheit.
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Bei ggf. falscher Programmierung des Handhabungssystems wird eine Beschädigung des Handhabungssystems verhindert, dies erhöht die Sicherheit und senkt die Kosten.
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Es werden Beschädigungen am gesamten Handhabungssystem beispielsweise beim Einfahren neuer Produkte verhindert.
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Durch die rein mechanische Ausbildung der Winkelausgleichseinheit ist kein zusätzliches Betriebsmedium wie beispielsweise Druckluft erforderlich. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau und damit eine kostengünstige Fertigung sowie eine wenig aufwändige Montage. Die Winkelausgleichseinheit lässt sich zwischen beliebigen Handhabungseinrichtungen und Werkzeugen einsetzen, bei denen das Werkzeug, also beispielsweise die Hebeeinrichtung, durch die Handhabungseinrichtung geführt wird und ein Winkelausgleich zur Entnahme von Werkstücken oder Teilen benötigt wird. Beispiele für Handhabungseinrichtungen sind Linear- oder Rotationsantriebe oder Roboter, bei denen das Werkzeug am Roboterarm oder einer Führungsachse befestigt wird.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt eine Winkelausgleichseinheit im Schnitt,
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2 zeigt die Winkelausgleichseinheit in Seitenansicht von außen,
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3 nach 2 stellt die Winkelausgleichseinheit in Seitenansicht von außen in gekippter Stellung dar,
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4 nach 2 zeigt die Winkelausgleichseinheit in Seitenansicht in in die andere Richtung zu 3 gekippt dar,
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5 stellt die Winkelausgleichseinheit mit dem Ausgleich in der Z-Achse im Schnitt dar,
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6 zeigt die Winkelausgleichseinheit mit 0-Positionsspeicher mit einem Druckfederelement im Schnitt und
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7 stellt die Winkelausgleichseinheit im Schnitt dar.
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In 1 ist eine Winkelausgleichseinheit 100 dargestellt. Die Winkelausgleichseinheit 100 weist Rückstellelemente 1 auf. Das Rückstellelement 1 kann dabei als Schenkelfeder, als gummielastische Kugel oder als elastisches Kissen, das mit gasförmigem oder geleeartigem Füllstoff gefüllt wird, ausgebildet sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Rückstellelement 1 als Schenkelfeder ausgebildet.
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Die Winkelausgleichseinheit 100 weist des weiteren einen Verriegelungskolben (0-Positionskolben) 2 auf. Der Verriegelungskolben 2 weist einen Konus 3a auf, der in einen Gegenkonus 3b zur 0-Positionsfindung des Verriegelungskolbens 2 linear verschiebbar angeordnet ist.
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Des weiteren weist die Winkelausgleichseinheit 100 eine Führungskugel 4 auf. Die Führungskugel 4 ist dabei aus einem Metall ausgebildet und bildet einen so genannten „Centerpoint”, also einen Gelenkmittelpunkt für die auszuführende Kippbewegung. In die Führungskugel 4 ist der Gegenkonus 3b eingearbeitet.
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Eine Pendel- beziehungsweise Anbauplatte 5 ist pendelnd an der Führungskugel 4 gelagert bzw. aufgehängt. Diese Anbauplatte 5 ist für die Anbringung von Werkzeugen bzw. Handhabungselementen geeignet ausgebildet.
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Die Winkelausgleichseinheit 100 weist des weiteren einen ersten Kolbenraum 6a für die zugeführte pneumatische Energie auf. Dieser Kolbenraum 6a dient als Energiekammer zur Verriegelung. Ein zweiter Kolbenraum 6b dient als Energiekammer zum Entriegeln.
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In einem Bauraum 7 kann ein Druckfederelement zur 0-Positionsverriegelung bei einem Energieausfall angeordnet werden.
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Des weiteren weist die Winkelausgleichseinheit 100 eine Anbauseite 8 für Roboter oder Handhabungseinheiten auf. Diese Handhabungseinheiten können beispielsweise Achsmodule sein.
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Zur Verbindung der Führungskugel 4 mit der Anbauplatte 5 dient eine Verbindungsschraube 9. Durch die pendelnde Aufhängung der Anbauplatte 5 an der Führungskugel 4 werden sowohl die Führungskugel 4 als auch die Verbindungsschraube 9 und die Anbauplatte 5 bewegt.
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Eine verstellbare Lagerschale 10 ist als einstellbares Lagerspiel für die Führungskugel 4 ausgebildet.
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Der Pfeil A zeigt die Bewegungsrichtung der im Bauraum 7 angeordneten Sicherungselemente, beispielsweise dem Druckfederelement zur 0-Positionsverriegelung, falls ein Energieausfall eintritt.
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Die Pfeile B stellen schematisch die Schaukelbewegung der Winkelausgleichseinheit 100 dar. Die Winkelausgleichseinheit 100 kann sich um die zentrische Mittelachse Z in einer x- oder y-Ebene pendelnd bewegen.
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Die Speicherfunktion wird über das pneumatisch betätigte Kolbenelement, also den Verriegelungs- bzw. 0-Positionskolben 2, erzeugt. Der Verriegelungskolben 2 weist den Konus 3a auf, der in den Gegenkonus 3b, der in der Führungskugel 4 angeordnet ist, einfährt. Dadurch entsteht eine formschlüssige Verbindung, die ermöglicht, dass die Winkelausgleichseinheit 100 in der 0-Position gehalten und zentriert wird.
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2 zeigt die Winkelausgleichseinheit 100 in einer Seitenansicht. Von außen sichtbar sind die Rückstellelemente 1, die Anbauplatte 5 sowie die Anbauseite 8 für Roboter oder die Handhabungseinheit. Die Pfeile B stellen die Schaukelbewegung der Winkelausgleichseinheit 100 dar. Das Rückstellelement 1 ist dabei als Schenkelfeder ausgebildet.
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In 3 nach 2 ist die Winkelausgleichseinheit 100 ein einer in eine Richtung gekippte Stellung dargestellt.
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In 4 nach 2 ist die Winkelausgleichseinheit 100 in die andere Richtung gegenüber der Darstellung in 3 gekippt.
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5 stellt die Winkelausgleichseinheit 100 mit einem Ausgleich in der Z-Achse Z dar. Dargestellt sind die Rückstellelemente 1 sowie die metallische Führungskugel 4, die den Centerpoint bzw. Gelenkmittelpunkt für die Kippbewegung bildet.
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Des weiteren dargestellt ist die Pendel- bzw. Anbauplatte 5. Durch die Pendelbewegung wird die Führungskugel 4, die Verbindungsschraube 9 sowie die Anbauplatte 5 bewegt. In einem beweglichen Führungsgehäuse 12 findet der Z-Achsausgleich statt. Das bewegliche Führungsgehäuse 12 ist linear verschiebbar ausgebildet. Ein Grund- bzw. Aufbaugehäuse 13 hingegen ist nicht beweglich, sondern starr ausgebildet. Die Pfeilrichtung B zeigt schematisch die Schaukelbewegung.
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Die Z-Achsausgleichsfunktion wird über ein mechanisches Energiespeicherelement im Bauraum 7, beispielsweise ausgebildet als Druckfederelement 14, ermöglicht. Im Grund- und Aufbaugehäuse 13 wird das bewegliche Führungsgehäuse 12 in linearer Z-Richtung um einen bestimmten Weg bewegt. Durch die mechanische Verbindung des beweglichen Führungsgehäuses 12, der Führungskugel 4 und der Anbauplatte 5 über die Verbindungsschraube 9 werden auch diese Teile linear in Z-Richtung bewegt.
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Durch die Funktion des federelastischen Ausgleichs in der Z-Achse ergeben sich viele Vorteile. Beim Aufsetzen der Winkelausgleichseinheit 100 muss somit bei der Anwendung die Anfahrposition nicht exakt ausgeführt werden, da eine Bewegung in der Z-Achsenrichtung vorhanden ist. Dies stellt daher einen Kollisionsschutz und einen Zerstörungsschutz der Winkelausgleichseinheit 100 dar.
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Beim Anfahren kann das System aus Winkelausgleichseinheit 100 und einem Handhabungseinheit sowie beispielsweise einem Greifarm gezielt um ein gewolltes Maß aus Sicherheitsgründen „überdruckt” werden. Bei einer ggf. fehlerhaften Programmierung des Systems wird eine Beschädigung der Winkelausgleichseinheit 100 verhindert. Dies erhöht die Sicherheit und senkt die Kosten. Des weiteren werden Beschädigungen am System sowie beim Anfahren bzw. Einfahren neuer Produkte bzw. labiler Werkstücke oder Teile durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Winkelausgleichseinheit 100 in dieser Ausbildung verhindert. Des weiteren werden Beschädigungen an fein bearbeiteten Oberflächen von Werkstücken verhindert.
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Das Gehäuse kann dabei eine Verdrehsicherung umfassen. Daher ist ein Stift im Gehäuse angeordnet, der verhindert, dass sich das Führungsgehäuse 12 zum Grundgehäuse 13 verdreht (in Rotationsrichtung). Die Aufnahmepostition soll sich hinsichtlich der Rotation zur Abnahmeposition nicht verändern.
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In 6 ist die Winkelausgleichseinheit 100 mit 0-Positionsspeicher mit einem Druckfederelement 14 dargestellt. Das Druckfederelement 14 ist im Bauraum 7 angeordnet. Der Pfeil A gibt dabei die Bewegungsrichtung in Richtung der Z-Achse Z (gestrichelt) an.
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Der Verriegelungskolben 2 weist dabei den Konus 3a auf, der in dieser Darstellung nicht in den Gegenkonus 3b eingreift, der stationär in die Führungskugel 4 eingearbeitet ist. Der Konus 3a und der Gegenkonus 3b dienen der 0-Positionsfindung. Der Verriegelungskolben bzw. Positionskolben 2 ist in Richtung der Z-Achse Z linear verschiebbar angeordnet. So kann der Verriegelungskolben 2 so lange in Richtung A der Z-Achse Z linear verschoben werden, bis die 0-Position ermittelt ist und der Konus 3a in den Gegenkonus 3b der Führungskugel 4 eingreift.
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Der erste Kolbenraum 6a dient als Energiekammer zum Verriegeln, der zweite Kolbenraum 6b dient als Energiekammer zum Entriegeln.
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Die Speicherfunktion wird über den Verriegelungskolben 2 oder bei Energieausfall über das eingebaute mechanische Energiespeicherelement 14, das im Bauraum 7 angeordnet ist, erzielt. Der Verriegelungskolben 2 weist den Konus 3a auf, der in den Gegenkonus 3b der Führungskugel 4 einfährt und dadurch eine formschlüssige Verbindung eingeht. Dadurch wird die Winkelausgleichseinheit 100 in einer 0-Position gehalten und zentriert.
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Beim Ausfall der zugeführten Energie bewirkt das eingebaute Druckfederelement 14 im Bauraum 7, dass die energielose Kolbeneinheit, der Verriegelungskolben 2, in die zentrierte 0-Position gedrückt und dort gehalten wird.
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Durch diese Funktion des Druckfederelements 14 kann die Winkelausgleichseinheit 100 bei hohen Beschleunigungen und Verzögerungen sowie bei Schockbewegungen in der 0-Position gehalten werden.
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Es kann auch ein Winkelausgleich mit einer Einfederung in die Z-Achse und dem pneumatisch/mechanischen 0-Positionsspeicher erfolgen.
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In 7 ist die Winkelausgleichseinheit 100 im Schnitt dargestellt. Im Grundgehäuse 13 sind die Lagerschale 10, die Führungskugel 4 sowie die Verbindungsschraube 9 angeordnet. Rückstellelemente 1 dienen aufgrund ihrer Elastizität der Rückstellung in die 0-Position. Die Anbauplatte 5 ist pendelnd über die Verbindungsschraube 9 an der Führungskugel 4 gelagert und kann durch die Pendelbewegung in Richtung der Pfeile B zusammen mit der Verbindungsschraube 9 und der Führungskugel 4 bewegt werden. Die Anbauseite 8 dient der Verbindung zu einem Roboter oder einer Handhabungseinheit.
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Die „Wippausgleichsfunktion”, also der Winkelausgleich, der Pendel bzw. Ausgleichsplatte 5 wird durch die elastischen Elemente 1 wieder in die Ausgangsposition zurückgestellt. Die Winkelausgleichsfunktion wird über die Führungskugel 4 und das Verbindungselement 9 auf die Ausgleichsplatte 5 durch die zentrale Mittelachse Z gelenkt. Mit der zentralen Lagerschale 10 kann sowohl die Leichtgängigkeit als auch das Lagerspiel eingestellt werden.
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Die Winkelausgleichseinheit 100 hat dabei den Vorteil, dass Werkstücke bzw. Teile, die sich ungeordnet in einem Behälter befinden, also beispielsweise in Schräglage durcheinander gemischt, einfacher aufgenommen und ausgerichtet bzw. geordnet werden können. Die erfindungsgemäße Winkelausgleichseinheit 100 ermöglicht damit eine kostengünstige und einfache Möglichkeit, derartig angeordnete Teile zu greifen, zu entnehmen und zu ordnen bzw. zu befördern.
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Die Winkelausgleichseinheit 100 kann dabei auch mit der Kombination der beschriebenen Funktionen ausgebildet sein. Die Winkelausgleichseinheit 100 kann universell und flexibel in der Automation und im Maschinenbau für vielfältige Aufgaben eingesetzt werden.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rückstellelement
- 2
- Verriegelungskolben [0-Positionskolben]
- 3a
- Konus
- 3b
- Gegenkonus
- 4
- Führungskugel
- 5
- Anbauplatte
- 6a
- erster Kolbenraum
- 6b
- zweiter Kolbenraum
- 7
- Bauraum
- 8
- Anbauseite
- 9
- Verbindungsschraube
- 10
- Lagerschale
- 12
- Führungsgehäuse
- 13
- Grundgehäuse
- 14
- Druckfederelement
- 100
- Winkelausgleichseinheit
- A
- Bewegungsrichtung im Bauraum 7
- B
- Schaukelbewegung
- C
- Bewegungsrichtung im Führungsgehäuse 12
- Z
- Z-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1200498 C [0008]
- DE 19951703 C2 [0009]
- DE 102007038922 [0010]
