DE102015009998B4

DE102015009998B4 - Sauggreifer für Objekte mit glatten Oberflächen sowie dazugehöriges Verfahren und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102015009998B4
Application number: DE102015009998.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Griebel; Christian Keller; Lena Zentner
Original assignee: J Schmalz GmbH
Current assignee: J Schmalz De GmbH
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: DE102015009998A1

Abstract

Sauggreifer (1) für Greifobjekte (12) mit glatten Oberflächen, der einen einseitig offenen, von einer dreiteiligen, reversibel verformbaren Mantelstruktur (5) gebildeten Hohlraum (2) aufweist, wobei die obere Teilstruktur (3) offen ist und die untere Teilstruktur (7) mit einem Greiferboden (4) flächig verschlossen ist und die obere Teilstruktur (3) form- und/oder kraftschlüssig an einer Halterung (24) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Hohlraums (2) Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Kontaktes angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen monolithischen geschlossenen Sauggreifer, mit dem glatte Greifobjekte mit flacher oder gewölbter Oberfläche gegriffen, hantiert und transportiert werden können, wobei mit Hilfe einer inhärenten Sensorik zwischen erfolgreichen oder gescheiterten Greifprozessen unterschieden werden kann. Durch seine stoffliche und geometrische Nachgiebigkeit können mit dem vorgeschlagenen, reversibel verformbaren Sauggreifer ungenaue Positionen zum Greifobjekt ausgeglichen werden. Außerdem kann durch die Überwindung von Adhäsionskräften das gegriffene Greifobjekt aktiv abgestoßen bzw. abgelegt werden. Das Medium zur Unter- sowie Überdruckerzeugung im Maschinenraum (Saugmedium) ist durch die geschlossene Ausgestaltung des Sauggreifers hierbei stets von dem das Greifobjekt umgebenden Medium im Prozessraum (Umgebungsmedium) getrennt, so dass sich der Sauggreifer besonders für Anwendungen in Reinräumen eignet. Weiterhin ist die Vorrichtung in der Verpackungsindustrie zum Greifen, Manipulieren und Transportieren von medizinischen und pharmazeutischen Produkten sowie auch in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie geeignet. Für die Anwendung in der Verpackungsindustrie von medizinischen und pharmazeutischen Produkten, wie bspw. Vials, Spritzen, Injektionsflaschen, Infusionsflaschen oder Pen-Gläser, sind die Standards für Hygiene ohne Ausnahme einzuhalten. Die Verwendung von herkömmlichen Sauggreifern stellt dabei ein entscheidendes Hygienerisiko dar, da eine räumliche Trennung der unterdruckerzeugenden Medien zwischen Prozess- und Maschinenraum nicht gegeben ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Greifen, Manipulieren und Transportieren eines Greifobjektes mit glatter Oberfläche mit einem derartigen Sauggreifer und eine Verwendung von derartigen Sauggreifern.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Sauggreifer werden in offene und einseitig geschlossene Sauggreifer eingeteilt, wobei einseitig geschlossene Sauggreifer eine zum Greifobjekt gerichtete Membran aufweisen oder aber kappenartig ausgeformt sein können, so dass ein Ausgangssaugvolumen entsteht, nachdem der Sauggreifer luftdicht auf dem Greifobjekt aufsitzt. Sie können monolithisch oder hybrid (mehrteilig) aufgebaut sein. Eine Volumenveränderung des Saugraumes nach Kontakt mit dem Greifobjekt kann passiv über die Eigensteifigkeit der Struktur oder aktiv mittels eines Antriebes geschehen.
Derartige Sauggreifer können sich nach den Prinzipien der Faltung, der Dehnung, des Abrollens oder einer Kombination daraus verformen. Eine Verbesserung der Abdichtung zwischen Prozess- und Saugraum kann über Dichtkanten oder Dichtlippen erfolgen, die wiederum oberflächenstrukturiert oder unstrukturiert sind. Das Saugelement kann mit und ohne Falten ausgeführt sein, welche jeweils äquatoriale und radiale Versteifungen aufweisen können.
Die aus dem Stand der Technik bekannten, offenen Sauggreifer können monolithisch (aus einem Stück bestehend) sein (z. B.: Saugnapf DE 41 36 359 A1 , Faltenbalgsauggreifer DE 200 18 695 U1 ) oder auch hybrid (mehrteilig) sein (z. B.: Sauggreifer und Abstützelement eines Sauggreifers DE 20 2007 002 876 U1 , Sauggreifer DE 20 2011 101 231 U1 ). Jedoch können offene Sauggreifer die Trennung von Maschinenraum und Prozessraum nicht gewährleisten.
Die aus dem Stand der Technik bekannten, einseitig geschlossen Sauggreifer können ebenfalls monolithisch (z. B.: Gummi-Saugglocke für Akupunktur und Massage manuell bedienbar, DE 298 09 041 U1 ) oder hybrid (z. B. One-piece, dual-material suction cup US 6 143 391 A , suction cup EP 1 847 723 A1 ; Vakuumbefsetigungselement DE 20 2004 021 246 U1 ) aufgebaut sein. Die monolithische Lösung aus DE 298 09 041 U1 besitzt eine gefaltete rotationssymmetrische Struktur, die ein Anfangsvolumen innerhalb der Glocke aufweist. Wird dieser auf die betreffende Akupunkturstelle aufgesetzt und durch eine externe Kraft zusammengefaltet, so entweicht ein Teil dieses Volumens durch den entstehenden Überdruck. Nach Entfernung der externen Kraft ist die Saugglocke bestrebt in ihren Ausgangszustand zu gelangen. Hierdurch entsteht ein Unterdruck innerhalb der Saugglocke. Es stellt sich dabei ein Gleichgewichtszustand zwischen der Rückstellkraft der Saugglocke und der Wirkung des Druckunterschiedes ein. Mit dieser Saugglocke ist allerdings ein aktives Lösen vom Greifobjekt nicht realisierbar.
Bei den hybriden Bauformen der einseitig geschlossenen Sauggreifer, die vorzugsweise als Befestigungselemente eingesetzt werden, wird eine elastische Membran auf das Greif- bzw. Befestigungsobjekt aufgesetzt. Das Volumen zwischen Greifobjekt und elastischer Membran muss für einen erfolgreichen Sauggreifvorgang abgeschlossen sein. Für diesen Zweck liegt ein um mehrere Größenordnungen steiferes Material auf dem Rand der Membran an. Hierdurch wird in diesem Randbereich das Abdichten während des Saugvorgangs gewährleistet und das Ausgangvolumen somit begrenzt und eingeschlossen. Über verschiedene Schraub- oder Klemmmechanismen kann eine Kraft erzeugt werden, mit der die Membran in ihrem Zentrum angehoben wird. Hierdurch wird das Ausgangsvolumen vergrößert und somit die Saugwirkung entfaltet. Derartige Sauggreifer bestehen folglich aus mehreren Bauteilen und sind daher komplex aufgebaut.
Ein einseitig geschlossener Sauggreifer mit einer zum Greifobjekt gerichteten Membran ist z. B. aus DE 19 28 727 A (Arbeitsverfahren und Einrichtung zum hängenden Transportieren oder kontinuierlichen Fördern von Fördergut) bekannt. Dieser besteht aus einer ersten Saugkammer, deren Druck über eine Anschlussmöglichkeit eingestellt werden kann. Eine zweite Saugkammer entsteht, wenn der Sauggreifer auf das Greifobjekt aufsetzt und zwischen Membran und Greifobjekt ein abgeschlossener Raum entsteht. Über eine Druckänderung in der ersten Saugkammer wirkt auf die Membran eine Kraft, die wiederum zur Druckänderung in der zweiten Saugkammer führt, wodurch eine Saugkraft zwischen Sauggreifer und Greifobjekt entsteht. Bekanntlich kann diese Saugwirkung maximiert werden, indem das Anfangsvolumen der zweiten Kammer gegen Null geführt wird. Wird die Lösung aus DE 298 09 041 U1 (Gummi-Saugglocke für Akupunktur und Massage manuell bedienbar) zweckentfremdet verkehrtherum angewendet, so entstehen ebenfalls zwei Saugkammern und die Vorrichtung ist mit oben beschriebenen Ablauf anwendbar. Mit beiden vorgeschlagenen Lösungen kann jedoch nicht der Greifstatus detektiert werden.
Überdies verfügen einige der bekannten Sauggreifer über einen aktiven Ablösemechanismus. Damit werden beim Ablösen wirkende Adhäsionskräfte überwunden oder die Saugwirkung aktiv beendet. Solche Ablösemechanismen sind aus JP H09- 210 042 A (suction cup separating method) oder aber auch aus US 6 143 391 A (One-piece, dual-material suction cup) bekannt. Hierbei werden über unterschiedliche Mechanismen (unsymmetrische Anordnungen wie Hebel etc.) Kräfte auf den Rand der Sauggreiferlippe aufgebracht. In der Folge wird diese partiell angehoben oder verschoben und ein Leckvolumenstrom hervorgerufen, der die Saugwirkung beendet. Aber auch diese Lösungen weisen keinerlei Möglichkeiten zur automatischen Detektion des Greifstatus auf.
DE 10 2005 051 201 A1 , US 2012 / 0 193 500 A1 und DE 10 2007 045 816 A1 zeigen jeweils Sauggreifer mit Merkmalen des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind demnach keine Sauggreifer bekannt, die während des Greifens, Manipulierens und Transportierens eines Greifobjektes mit glatter Oberfläche zusätzlich den Greifstatus kontinuierlich anzeigen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und einen monolithischen, geschlossenen Sauggreifer und ein dazugehöriges Verfahren und eine entsprechende Verwendung bereitzustellen, mit denen es auf einfache Art und Weise gelingt, glatte Greifobjekte mit flacher oder gewölbter Oberfläche zu sauggreifen, wobei das Medium zur Druckerzeugung im Maschinenraum von dem das Greifobjekt umgebenden Medium im Prozessraum getrennt ist und ungenaue Positionen zwischen Sauggreifer und Greifobjekt ausgeglichen werden und das gegriffene Greifobjekt aktiv und gezielt vom Sauggreifer wieder abgelegt bzw. abgelöst wird und zusätzlich der Greifstatus kontinuierlich erfasst wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sauggreifer mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 - verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sauggreifers
2- verschiedene Ansichten einer beispielhaften Sauggreifer-Halterung
3- ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sauggreifers, der auf einer Halterung nach 2 befestigt ist, im unverformten Zustand mit einem zylindrischen Greifobjekt zum Zeitpunkt des Zusammentreffens
4 - den Sauggreifer während des Greifprozess eines zylindrischen Greifobjektes jeweils in der Schnittansicht:
- A - D: Greifobjekt ideal zum Sauggreifer positioniert
- E - F: Greifobjekt mit einer von der idealen Position zum Sauggreifer abweichenden Position
5- verschieden Ausführungsformen des Sauggreifers:
- A: als gekippter Halbschnitt
- B - F: in Halbschnittansichten
6- verschiedene Zustände des Sauggreifers bei Unterdruck im Maschinenraum (Hohlraum):
- A: mit angesaugtem Greifobjekt
- B: ohne Greifobjekt
7- Verformungen des Sauggreifers für einen ersten automatisierten Anwendungsfall beim Greifen und Ablegen eines Greifobjektes mit dem dazugehörigen Druckverlauf im Maschinenraum und dem Verlauf des Greifstatussignals
8- Verformungen des Sauggreifers mit dem dazugehörigen Druck- und Greifstatusverlauf für ein weiteres Anwendungsszenarium für Automaten
9- Verformungen des Sauggreifers mit dem dazugehörigen Druck- und Greifstatusverlauf für einen Greifprozess mit Rast

Mit dem erfindungsgemäßen Sauggreifer können glatte Greifobjekte mit flacher oder gewölbter Oberfläche gegriffen, transportiert und wieder gezielt aktiv abgelegt werden, wobei das Medium zur Druckerzeugung im Maschinenraum von dem das Greifobjekt umgebenden Medium im Prozessraum komplett abgetrennt ist und größere Abweichungen der Greifobjektposition ausglichen werden und zusätzlich der Greifstatus mit Hilfe einer inhärenten Sensorik kontinuierlich detektiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sauggreifers ist in 1 dargestellt. Der Sauggreifer (1) ist ein einseitig offenes, zylinderförmiges Hohlraumelement. Er ist monolithisch ausgeführt und verfügt über eine dreigeteilte Mantelstruktur (5), die einen Hohlraum (2) umschließt. Die obere, offene Teilstruktur (3) hat eine Höhe von h_E und eine Wandstärke d_E und dient der Einspannung und Befestigung des Sauggreifers an einer Halterung mit dem Durchmesser D_H. Eine umlaufende Wulst mit dem Durchmesser D_W und der Höhe h_W unterstützt über einen Form- und Kraftschluss die axiale Sicherung des Sauggreifers (1) an der Halterung und seine Abdichtung mit dem Ziel der einwandfreien Trennung des Mediums zur Unterdruckerzeugung im Maschinenraum (Hohlraum (2)) von dem das Greifobjekt umgebenden Medium im Prozessraum.
Die Mantelstruktur (5) umfasst weiterhin eine mittlere, faltenbalgförmig ausgeführte Teilstruktur (6) mit der Höhe h_F und eine untere Teilstruktur (7) mit der Höhe h_A, wobei diese untere Teilstruktur (7) mit einem Greiferboden (4) mit der Dicke d_M flächig verschlossen ist. Der Greiferboden (4) weist vorzugsweise eine ebene, kreisrunde Fläche (8) auf, kann allerdings auch uneben, ellipsenförmig oder vieleckig mit und ohne Abrundungen ausgeführt sein. Der Punkt (19) der größten Verformbarkeit des Greiferbodens (4) fällt in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Mittelpunkt der kreisrunden Greiferbodenfläche (8) zusammen. Die Längsachse (20) des Sauggreifers (1) im unverformten Zustand steht in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Greiferbodenfläche (8). Weiterhin ist auf der Innenseite des Greiferbedens (4) stoffschlüssig eine elektrisch leitfähige Schicht (23) aufgebracht, die vorzugsweise einen Durchmesser D_L, der kleiner als der Innendurchmesser des Sauggreifers D_Si ist, und die Dicke d_L aufweist. Die Dicke d_L dieser leitfähigen Schicht (23) sollte so gewählt werden, dass einerseits eine zur elektrischen Kontaktfindung genügend große Leitfähigkeit gewährleistet wird und andererseits die biegeelastischen Eigenschaften der Membran nicht ungünstig beeinflusst werden. Die mittlere Teilstruktur (6) besteht aus jeweils n Falten (dargestellt sind n = 3). Die Falten sowie die Übergänge zu den Teilstrukturen (7) und (3) bilden gemeinsam die Innen- und Außenseite der Mantelstruktur (5). Die Falten lassen sich über ihre Neigungswinkel α₁, α₂, α₃ und ß ihre Höhen h_F1, h_F2 und h_F3 und ihre Dicken d_F1, d_F2 und d_F3 charakterisieren.
Die Radien r_li mit i = 1,2,3 und I für im Hohlraum (2) gelegen, sowie r_Ai mit A für außerhalb des Hohlraums (2) gelegen, sowie r_lM, T_AM, r_IE und r_AE sind für günstige mechanische Spannung so zu wählen, das ein tangentenstetiger Verlauf der Mantelstruktur von einer zur nächsten Teilstruktur bzw. von einer zur nächsten Falte entsteht. Im Extremfall können diese Radien jedoch den Wert Null annehmen.
Die Winkel α_i mit i = 1,2,3 und der Winkel β (Winkel zwischen dem Greiferboden und der Wandung der unteren Teilstruktur (7)) sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich groß. Die Außenabmessungen des vorzugsweise rotationssymmetrischen Sauggreifers (1) sind durch seinen Außendurchmesser Ds und durch seine Höhe hs gegeben. Die Höhe des Sauggreifers h_S setzt sich aus der Einspannhöhe h_E, der Höhe der mittleren Teilstruktur (6) h_G, der Höhe der unteren Teilstruktur (7) h_A und der Dicke des Greiferbodens (4) d_M zusammen. Der monolithisch ausgeführte Sauggreifer (1) befindet sich fertigungsbedingt im Grund- bzw. Ausgangszustand im mechanisch spannungslosen Zustand und ist somit frei von plastischer Verformung.
In 2 sind verschiedene Ansichten einer über ein additives Herstellungsverfahren hergestellten Halterung für den erfindungsgemäßen Sauggreifer gezeigt. Die Halterung besteht aus einem Anschlussteil für Saugmittel (29), einem Werkzeugansatzteil (33), einem Sauggreifer-Befestigungsabschnitt (34) und einem konischen Teil (35). Über das Anschlussteil für Saugmittel (29) kann die Sauggreifer-Halterung (24) an eine Maschine kraftschlüssig befestigt werden. Das Werkzeugansatzteil (33) besitzt abgeflachte Seitenflächen, sodass die Sauggreifer-Halterung (24) mittels eines Werkzeuges an einer Maschine befestigt werden kann. Zusätzlich weist dieses Werkzeugansatzteil (33) eine umlaufende Nut (31), im einfachsten Fall für O-Ringe, auf, durch den eine saugmitteldichte Verbindung zwischen Sauggreifer-Halterung (24) und Maschine geschaffen werden kann. Weiterhin sind in diesem Teil die Kanäle für die elektrischen Signalleitungen (27) vorgesehen. Diese können, wie dargestellt, eine Vertiefung (30) für eine Abdichtung (26) aufweisen, um eine Trennung zwischen Maschinen- und Prozessraum in diesen Kanälen zu gewährleisten. Der Sauggreifer-Befestigungsabschnitt (34) weist die Negativform des Sauggreifers (1) und somit einen Teil der Sauggreifer-Kernform auf. Hierdurch kann eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen Sauggreifer (1) und Sauggreifer-Halterung (24) gewährleistet werden, die zum einen der axialen Sicherung des Sauggreifers (1) und zum anderen der Trennung zwischen Maschinen- und Prozessraum dient. Über den konischen Teil (35) der Sauggreifer-Halterung (24) kann der Abstand zwischen den elektrischen Signalleitungen (27), die in dieser Figur nicht dargestellt sind, und der Greiferbodenfläche (8) bzw. der leitfähigen Schicht (23) eingestellt werden. Am unteren Ende der konischen Teilstruktur (35) enden die Kanäle (27) für die elektrischen Signalleitungen. Zusätzlich können Vertiefungen zur Arretierung der elektrischen Signalleitungen (28) dort vorhanden sein. Alle vier Teile der Sauggreifer-Halterung (24) werden von mindestens einem Kanal für Saugmittel (32) durchzogen, der den Hohlraum (2) mit dem Maschinenraum verbindet. Dieser Kanal für Saugmittel (32) kann unterschiedliche Formen und Verläufe aufweisen, wie in der 2 beispielhaft dargestellt.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sauggreifer (1), aufgesteckt auf eine Sauggreifer-Halterung (24) im unverformten Zustand mit einem Ausschnitt eines zylindrischen Greifobjektes (12) in einer Seiten- und Schnittansicht zum Zeitpunkt ihres mechanischen Kontaktes dargestellt, wobei die mittlere Teilstruktur (6) in 1 mit einer ersten Falte (9), einer zweiten Falte (10) und einer dritten Falte (11)) detaillierter ausgeführt ist. Die Symmetrieachse (21) des zylindrischen Greifobjektes (12) fällt hier mit der Oberflächennormalen (22) des Greifobjektes im zeitlich ersten Berührungspunkt zusammen. Auch die Längsachse (20) des Sauggreifers (1) und der Punkt (19) der größten Verformbarkeit des Greiferbodens (4) liegen hier ebenfalls auf der Symmetrieachse (21) des zylindrischen Greifobjektes (12), wodurch eine vorteilhafte Stellung von Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) zum Zeitpunkt des Kontaktes und für den Greifprozess gegeben ist (ideale Position). Weiterhin ist in die Kanäle für die elektrische Signalleitung (27) jeweils eine elektrische Signalleitung (25) eingeführt. Die elektrischen Signalleitungen (25) sind am in Richtung Hohlraum (2) weisenden Ende der Kanäle für die elektrische Signalleitung (27) über eine Vertiefung (28) in der Sauggreifer-Halterung (24) arretiert. Die Verbindung des Hohlraumes (2) (Maschinenraum) über die Kanäle für die elektrische Signalleitung (27) mit dem Prozessraum ist durch ein Abdichtungsmittel (26) getrennt, das sich in der Vertiefung für eine Abdichtung (30) (vgl. 2) befindet. Hierdurch ist der Hohlraum (2) ausschließlich über das Anschlussteil für Saugmittel (29) und den Kanal für Saugmittel (32) befüll- bzw. entlehrbar. Im unverformten Zustand des Sauggreifers (1) ist der Abstand a_EB zwischen elektrischer Signalleitung (25) und elektrisch leitfähiger Schicht (23), wie dargestellt, größer Null, so dass der Stromkreis nicht geschlossen ist.
Die 4 zeigt den Sauggreifer (1) in verschiedenen Verformungszuständen während eines Greifprozesses von einem zylindrischen Greifobjekt (12) jeweils in der Schnittansicht, wobei in 4 A-D das Greifobjekt (12) ideal zum Sauggreifer (1) positioniert ist und in 4 E-F sich das Greifobjekt (12) in keiner idealen Greifobjekt-Sauggreifer Position befindet. Im letzteren Fall fällt die Längsachse des Sauggreifers (20) nicht mit der Oberflächennormalen des Greifobjektes (22) zusammen. Weiterhin sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit lediglich die Abschnitte der elektrischen Signalleitungen (25) dargestellt, die der elektrisch leitfähigen Schicht (23) zugewandt sind. Um ein günstiges Verformungsverhalten im Saugbetrieb zu erreichen, ist erfindungsgemäß die geometrische Ausgestaltung (z. B. Wandstärken, Winkel, Querschnittsgeometrie) der einzelnen Teilstrukturen und/oder deren Teilbereiche unterschiedlich (vgl. 1 Schnittansicht). Hierdurch sind den einzelnen Falten (9), (10) und (11), der unteren Teilstruktur (7) und dem Greiferboden (4) gezielt einzelne Funktionen zuordenbar, wodurch dem Sauggreifer in der Geometrie beinhaltete, inhärente Funktionen verliehen werden. In ihrer Summe gestalten diese inhärenten Funktionen das teilweise das multifunktionale Verhalten des Sauggreifers (1).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Sauggreifers ist die Wandstärke d_M seines Greiferbodens (4) kleiner als die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7). Die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7) ist jedoch so groß zu wählen, dass bei einem Kontakt des Greiferbodens (4) mit einem Greifobjekt (12) die untere Teilstruktur (7) nicht kollabiert, gleichzeitig jedoch ein Anschmiegen des Greiferbodens (4) an das Greifobjekt (12) gewährleistet wird (vgl. 4 A).
Der Druck p_i im Hohlraum (2) (Saugmediumdruck) entspricht zu diesem Zeitpunkt noch dem Druck P_A der Umgebung (Umgebungsmediumdruck). Das Volumen zwischen dem Greiferboden (4) und dem Greifobjekt (12) entspricht nahezu dem Wert Null. Durch die Eigensteifigkeit des Sauggreifers (1) entsteht über den Rand der unteren Teilstruktur (7) und Teilen der Bodenfläche (8) eine Kraftwirkung auf das Greifobjekt (12). Bei zylindrischen Greifobjekten (12) bildet sich ein nahezu elliptischer, Kontaktflächenring aus, bei einem nicht gewölbten Greifobjekt eine kreisrunde Kontaktfläche bzw. Kontaktflächenring. Der Greiferboden (4) übernimmt somit die Anschmiegefunktion des Sauggreifers (1) an das Greifobjekt (12) und die untere Teilstruktur (7) übernimmt die Spannfunktion des Greiferbodens (4).
Weiterhin ist die Wandstärke d_F1 der ersten Falte (9) kleiner zu wählen als die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7). Mit der Wandstärke d_F1 der ersten Falte (9) kann das Verformungsverhalten des Sauggreifers (1) so eingestellt werden, dass bei zunehmender axialer Einwirkung einer externen Kraft auf den Sauggreifer (1) (die z.B. beim weiteren Heranführen des Greifobjektes (12) an den Sauggreifer (1) entsteht) diese erste Falte (9) derart verformt wird, dass sie sehr nachgiebig für an den Greiferboden (4) angreifende, radiale Kräfte wird (vgl. 4 C). Dies wird durch eine kinematische Instabilität bzw. instabiles Bewegungsverhalten der ersten Falte (9) hervorgerufen. Folglich ist eine Verkippung der Bodenfläche (8) zur Längsachse des Sauggreifers (20) über diese erste Falte (9) leicht möglich (vgl. 4 E und 3F), wodurch Abweichungen von der idealen Greifobjektposition ausgeglichen werden können. Indizien für eine von der idealen Greifobjektposition abweichenden Position sind zum einen, dass die Längsachse (20) des Sauggreifers nicht mit der Oberflächennormalen (22) des Greifobjektes (12) im zeitlich ersten Berührungspunkt zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) zusammenfällt, und zum andern, dass der zeitlich erste Berührungspunkt zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) nicht mit dem Punkt (19) der größten Verformbarkeit im Greiferboden (4) identisch ist. Die erste Falte übernimmt somit die Funktion, Abweichungen von der idealen Greifobjektposition auszugleichen.
Die Wandstärken d_F2 und d_F3 der zweiten und dritten Falte (10, 11) sind hingegen größer zu wählen als die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7) und die Wandstärke d_F1 der ersten Falte (9). Hierdurch wird erreicht, dass durch die axial angreifende Kraft während der Zustellbewegung vom Sauggreifer (1) bzw. dem Greifobjekt (12) sich zuerst der Greiferboden (4) an das Greifobjekt (12) anschmiegt, dann die erste Falte (9) deformiert wird und anschließend sich die Wandung der unteren Teilstruktur (7) über die deformierte, erste Falte (9) an die zweite Falte (10) anlegen kann (vgl. 4 D und 4 F). Durch das Anlegen der Wandung der unteren Teilstruktur (7) und der beiden Falten (9) und (10) ist die Anordnung aus Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) gegenüber radial zur Greiferlängsachse (20) angreifenden Kräften (wie z. B. Trägheitskräfte infolge hoher Beschleunigungen) stabiler.
Wird in der Folge der Hohlraum (2) evakuiert, entsteht eine Saugkraft zischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12). Die Verjüngung zwischen der zweiten und dritten Falte (10) und (11) lässt in diesem Zustand jedoch geringfügige Ausgleichsbewegungen zu, die ebenso beim Ansaugen eines Greifobjektes (12) mit mehreren Sauggreifern (1) durch unsymmetrisch wirkende Kräfte entstehen können. Die zweite Falte (10) übernimmt somit die Funktion eines Widerlagers gegenüber axial zum Sauggreifer (1) wirkenden äußeren Kräften. Die aus der zweiten (10) und dritten Falte (11) gebildete Verjüngung übernimmt die Funktion eines räumlichen, stoffschlüssigen Kugelgelenkes zum Ausgleich radial zum Sauggreifer (1) wirkender Kräfte.
Um das Greifobjekt (12) gezielt abzulegen, kann der Hohlraum (2) mit einem Überdruck beaufschlagt werden (vgl. 4 B). Hierdurch wölbt sich der Greiferboden (4) in Richtung Greifobjekt (12), wodurch vorteilhaft das Überwinden von Adhäsionskräften bei Greifobjekten mit sehr geringem Gewicht unterstützt wird. Somit wird die im Saugprozess flächige Berührung zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) über eine Berührung im Punkt (19) der größten Verformbarkeit im Greiferboden (4) zwischen dem nun konvex geformten Greiferboden (4) und der ebenen bzw. gewölbten Oberfläche des Greifobjektes (12) gelöst. Der Greiferboden (4) übernimmt also zusätzlich die Funktion des aktiv steuerbaren Ablegens eines Greifobjektes (12).
Bei allen in 4 A-F aufgezeigten Verformungszuständen des Sauggreifers (1) kommt es während eines Greifprozess nicht zu einem Kontakt zwischen den angedeuteten, elektrischen Signalleitungen (25) und der elektrisch leitfähigen Schicht (23). Der elektrische Stromkreis ist somit nicht geschlossen.
Die 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sauggreifers (1) in Halbschnittansichten, wobei die in 5 A dargestellte Ansicht zur besseren Veranschaulichung gekippt ist.
Im Herstellungsprozess (z. B. beim Spritzgießen oder einem generativen Verfahren) kann der Sauggreifer (1) für die Sensorisierung aus leitenden und nichtleitenden Elastomeren aus einem Stack gefertigt bzw. aufgebaut werden. Die beiden Elastomere sollten möglichst die gleiche Shore-Härte A aufweisen, damit das Verformungsverhalten des Sauggreifers (1) nicht ungünstig verändert wird. Werden nun Abschnitte des erfindungsgemäßen Sauggreifers (1) aus leitfähigem Elastomer derart aufgebaut, dass bei einer mechanischen Kontaktschließung zwischen dem Greiferboden (4) und der innenliegenden Wandung der unteren Teilstruktur (7) auch ein elektrischer Kontakt geschlossen wird und somit ein geschlossener Stromkreis entsteht, so verfügt der Sauggreifer (1) auch über eine inhärente Sensorik, wodurch seine Steuerung oder Regelung realisierbar ist. Eine mögliche Anordnung von aus leitfähigem Elastomer gefertigten, leiterbahnförmigen Abschnitten (14) und (15) und aus nicht leitfähigem Elastomer gefertigten Abschnitten (16) in der Mantelstruktur (5) sowie einem leitfähigen Abschnitt (17) und nichtleitfähigen Abschnitt (18) in dem Greiferboden (4) im Innern eines Sauggreifers (1), der in einem gekippten Halbschnitt dargestellt ist, zeigt die 5 A. Die 5 B und 5 F zeigen jeweils Ausführungsbeispiele, bei denen der Greiferboden (4) komplett aus einem gefertigten Abschnitt leitfähigen Elastomers (17) besteht. Dies hat den Vorteil, dass bei kommerziellen Herstellungsverfahren (Herstellung von Klebeverbindungen etc.) der aus leitfähigem Elastomer bestehende Greiferboden (4) stoffschlüssig an die Unterseite der unteren Teilstruktur (7) angebracht werden kann. Vorteilhaft ist ebenso, dass bei metallischen Werkstücken der Strom I_G , der den Greifstatus anzeigt, nicht radial innerhalb des Greiferbodens (4) fließt, sondern auch axial durch den Greiferboden (4) über das metallische Werkstück fließen kann. Weiterhin kann, wie in 5 C und 5 D gezeigt, der Greiferboden (4) aus einem leitfähigen Elastomer gefertigten Abschnitt (17) und einem nicht leitfähigen Elastomer gefertigten Abschnitt (18) derart bestehen, dass ein mögliches Greifobjekt (12) während des Greifprozesses nicht mit dem aus leitfähigem Elastomer gefertigten Abschnitt (17) in Berührung kommt. Ebenso ist es möglich, das ein Ausführungsbeispiel mit leiterbahnförmigen Abschnitten (14) und (15) in der Mantelstruktur (5) aus leitfähigem Elastomer eine elektrisch leitfähige Schicht (23) (vorzugsweise aus leitfähigem Elastomer gefertigt) aufweist, die stoffschlüssig auf dem Greiferboden (4) aufgebracht ist (vgl. 5 E).
Die 6 zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele des Sauggreifers (1) mit einem im Hohlraum (2) anliegenden Unterdruck zum einen mit (vgl. 6 A) und zum anderen ohne Greifobjekt (12) (vgl. 6 B und 6 C). Damit lassen sich die Unterschiede bei der mechanischen und somit elektrischen Kontaktschließung der Teilstrukturen des Sauggreifers (1) zur Identifizierung des Greifstatus aufzeigen: Bei Unterdruck im Hohlraum (2) legt sich die Wandung der unteren Teilstruktur (7) über die erste Falte (9) an die zweite Falte (10) an. Für den Fall, dass kein Greifobjekt (12) gegriffen wurde, wölbt sich der Greiferboden (4) stark nach innen, so dass er in mechanischen Kontakt mit der innenliegenden Wandung der unteren Teilstruktur (7) tritt (siehe 6 B). Hierdurch wird gleichzeitig der elektrische Stromkreis wie in 6 B über die elektrischen Signalleitungen (25) und der elektrisch leitfähigen Schicht (23) oder wie in 6 C über die leiterbahnförmigen, aus leitfähigem Elastomer bestehenden Abschnitte (14) und den aus leitfähigem Elastomer gefertigten Abschnitt (17) des Greiferbodens (4) geschlossen. Aus dem Fließen eines elektrischen Stromes I_G kann auf den Greifstatus rückgeschlossen werden. In diesem Zustand (Sauggreifer mit Unterdruck ohne Greifobjekt) treten die größten Dehnungen innerhalb des Greiferbodens (4) auf, die über die Formgebung, hier konkret der Winkel β, die Wandstärke d_M und dem Innendurchmesser des Sauggreifers D_Si (vgl. 1), begrenzt werden, wodurch die Dauerfestigkeit positiv beeinflusst wird.
In den 7, 8 und 9 ist ein Sauggreifer (1) ohne leiterbahnförmige Abschnitte (14) in der Mantelstruktur (5) jedoch mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (23) auf dem Greiferboden (4) dargestellt. Weiterhin sind zur Wahrung der Übersichtlichkeit von den Elementen der Sauggreifer-Halterung (24) nur die Abschnitte der elektrischen Signalleitungen (25) dargestellt, die der elektrisch leitfähigen Schicht (23) zugewandt sind.
In 7 ist ein Anwendungsszenarium für Automaten dargestellt. Gezeigt sind eine zeitliche Abfolge der Sauggreiferverformungen und der dazugehörige Verlauf des Drucks p_i(t) innerhalb des Hohlraums (2) sowie der dazugehörige Verlauf des Stromes I_G(t), der den Greifstatus anzeigt. Im Ausgangszustand zum Zeitpunkt t₁ befindet sich der Sauggreifer (1) im mechanisch spannungslosen Zustand. Die angedeuteten elektrischen Signalleitungen (25) der Sauggreifer-Halterung (24) und die elektrisch leitfähige Schicht (23), formschlüssig aufgebracht auf die Innenfläche des Greiferbodens (4), haben einen Abstand a_EB . Der Stromkreis ist somit nicht geschlossen, folglich fließt keine Strom (I_G = 0). Der Druck p_i innerhalb des Hohlraums (2) entspricht dem Druck p_a außerhalb des Sauggreifers (1). Zum Zeitpunkt t₂ wird der Druck p_i in dem Hohlraum (2) auf das Niveau p_i = pmin verringert. Der Sauggreifer (1) zieht sich um einen Weg s (Hubbereich des Sauggreifers) zusammen. Nun kann der Sauggreifer (1) über ein Greifobjekt (12) positioniert werden, wobei sich die dem Sauggreifer (1) zugewandte Oberfläche des Greifobjektes (12) innerhalb des Hubbereiches s befinden muss. Erfolgt nun im Zustand p_i = pmin eine Abfrage des Greifzustandes, so wird ein Strom I_G angezeigt mit I_G > 0, da die elektrischen Signalleitungen (25) der Sauggreifer-Halterung (24) und die elektrisch leitfähige Schicht (23) in mechanischen und somit elektrischen Kontakt stehen. Somit ist der Abstand zwischen diesen Teilkomponenten a_EB = 0.
Wird dann zu einem Zeitpunkt t₃ ein Druckausgleich zwischen dem Hohlraum (2) und der Umgebung herbeigeführt, ist der Sauggreifer (1) aufgrund seiner elastischen Eigenschaften bestrebt in seine Ausgangslage zurückzukehren. Hierbei trifft der Sauggreifer (1) auf die ihm zugewandte Oberfläche des Greifobjektes (12), wodurch sich der Greiferboden (4) an die Oberflächenkrümmung des Greifobjektes (12) anschmiegt. Einen Ausgleich einer von der idealen Position des Greifobjektes (12) abweichenden Position kann der Sauggreifer (1) über die erste Falte (9) der mittleren Teilstruktur (6) bewerkstelligen. Durch den eingestellten Druck von p_i = p_a wirkt eine Kraft in Richtung der dem Sauggreifer (1) zugewandten Oberfläche des Greifobjektes (12), wodurch sich eine Kontaktfläche bzw. ein Kontaktflächenring ausbildet und das Volumen zwischen Greifobjekt (12) und Greiferboden (4) dem Wert Null angenähert wird. Der Sauggreifer funktioniert nur dann, wenn eine Anfangskraft zwischen ihm und dem Greifobjekt existiert, wodurch ein Kontaktflächenring entsteht, der ein minimales Anfangsvolumen zwischen Greifobjekt (12) und Greiferboden (4) einschließt, bevor ein Unterdruck im Hohlraum (2) angelegt wird. Diese Anfangskraft kann zum einem entstehen, indem sich ein Greifobjekt im Hubbereich s des Sauggreifers (1) befindet und der Sauggreifer (1) über seine Eigensteifigkeit eine Kraft passiv ausübt. Zum anderen kann durch gezielte Bahnführung des Sauggreifers (1) und des Greifobjektes (12) zueinander eine Kraft aktiv erzeugt werden (vergleiche hierzu 8). Üblicherweise ist während des Ansaugprozesses die Geschwindigkeit des Greifobjektes (12) und des Sauggreifers (1) gleich groß, so dass die Relativgeschwindigkeit zum Zeitpunkt des Ansaugens nahezu dem Wert Null entspricht (es wird hierbei von Bewegungen mit Rast gesprochen). Mit Hilfe der realisierbaren Ausgleichsfunktion der Greifobjektposition (Adaptation an die Greifobjektposition) (vergleiche 4 E und 4 F) ist prinzipiell auch ein Ansaugen beim Vorbeifahren möglich (vergleiche hierzu 9). Das Kriterium, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Greifobjekt (12) und Sauggreifer (1) den Wert Null betragen soll, muss mit der erfindungsgemäßen Lösung nicht mehr streng eingehalten werden, so dass von dem Wert Null abweichende Relativgeschwindigkeiten zulässig sind. Dies bedeutet, dass die Oberflächennormale (22) des Greifobjektes (12) im zeitlich ersten Berührungspunkt zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) nicht mit der Längsachse (20) des Sauggreifers (1) identisch sein muss und das der Punkt (19) der größten Verformbarkeit im Greiferboden (4) nicht mit dem zeitlich ersten Berührungspunkt zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) zusammenfallen muss. Hierdurch müssen bewegte, zu greifende Massen weniger abgebremst bzw. beschleunigt werden, wodurch sich Energieeinsparungspotenzial eröffnet.
Wird nun zu einem Zeitpunkt t₄ der Druck p_i im Hohlraum (2) auf p_min gesenkt, so entfaltet sich die gewünschte Saugwirkung und das Greifobjekt (12) kann transportiert werden. Nun wird im Gegensatz zum Zustand, dargestellt zum Zeitpunkt t₂, wegen des vorhandenen Greifobjektes (12) kein mechanischer Kontakt zwischen den elektrischen Signalleitungen (25) in der Sauggreifer-Halterung (24) und der elektrisch leitfähigen Schicht (23) erreicht. Somit fließt im Zustand p_i = p_min kein Strom I_G (I_G = 0), wodurch ein erfolgreicher Greifstatus angezeigt wird. Im Falle dass das Greifobjekt (12) durch Verlust der Saugwirkung während eines Positionswechsels des Greifobjektes (12) verloren geht, so tritt der zum Zeitpunkt t₂ dargestellte Zustand ein, der elektrische Kontakt wird geschlossen und der Verlust des Greifobjektes wird über einen fließenden Strom I_G mit 30 I_G > 0 angezeigt.
Ist die Position, an der das Greifobjekt (12) abgelegt werden soll, erreicht, so wird der Druck p_i im Hohlraum (2) zum Zeitpunkt t₅ gezielt auf pmax erhöht, wobei p_max > p_a ist. In der Folge wölbt sich der Greiferboden (4) konvex in Richtung des Greifobjektes (12), wodurch dieses gezielt abgelegt wird. Adhäsive Kräfte zwischen Greifobjekt (12) und Sauggreifer (1) werden somit gezielt und aktiv überwunden. Anschließend wird zum Zeitpunkt t₆ der Druck p_i im Hohlraum (2) an den Umgebungsdruck p_a angeglichen. Der Sauggreifer (1) befindet sich dann wieder in seiner Ausgangslage.
In 8 ist ein weiteres Anwendungsszenarium für Automaten dargestellt. Gezeigt sind eine zeitliche Abfolge der Sauggreiferverformungen und der dazugehörige Verlauf des Drucks p_i(t) innerhalb des Hohlraums (2) sowie der dazugehörige Verlauf des Stromes I_G(t), der den Greifstatus anzeigt. Im Ausgangszustand zum Zeitpunkt t₁ befindet sich der Sauggreifer (1) im mechanisch spannungslosen Zustand. Der Druck p_i innerhalb des Hohlraums (2) entspricht dem Druck p_a außerhalb des Sauggreifers (1). Der Greiferboden (4) befindet sich gegenüber einer glatten Oberfläche des Greifobjektes (12) in einem Abstand a. Die angedeuteten elektrischen Signalleitungen (25) der Sauggreifer-Halterung (24) und die elektrisch leitfähige Schicht (23), formschlüssig aufgebracht auf die Innenfläche des Greiferbodens (4), haben einen Abstand a_EB . Der Stromkreis ist somit nicht geschlossen, folglich fließt kein Strom (I_G = 0), zum Zeitpunkt t₂ und t₃ wird, im Unterschied zum Anwendungsszenarium aus 7, der Druck im Hohlraum (2) beibehalten. Hingegen wird zum Zeitpunkt t₂ mit Hilfe einer Relativbewegung zunächst der Abstand a überwunden. Im weiteren Verlauf der Bewegung, zum Zeitpunkt t₃, wird die obere Teilstruktur (3) weiter dem Greifobjekt (12) angenähert, bspw. durch eine Translation um den Weg s₂, der größer sein muss als der Abstand a. Hierdurch entsteht eine Kraft zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12), wodurch sich eine Kontaktfläche bzw. ein Kontaktflächenring zwischen Greiferboden (4) und Greifobjektes (12) ausbildet und das Volumen zwischen Greifobjekt (12) und Greiferboden (4) dem Wert Null angenähert wird. Der Greiferboden (4) schmiegt sich an die Oberfläche des Greifobjektes (12) an. (Prinzipiell ist der Kontakt zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) sowie die Verformung des Sauggreifers (1) über einen Anstieg des Druckes p_i innerhalb des Hohlraums (2) zum Zeitpunkt t₃ detektierbar. Ursache für den passiven Druckanstieg ist, dass bei der Verformung des Sauggreifers (1) nach Kontakt das Volumen innerhalb des Hohlraumes (2) gegenüber dem Volumen im spannungslosen Ausgangszustand verringert wird. Dieser passive Druckanstieg kann für die Steuerung der Relativbewegung von Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) verwendet werden. Der passive Druckanstieg ist im p_i(t) Verlauf jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt.) Der weitere Verlauf zum Zeitpunkt t₄ bis t₆ entspricht dem des Anwendungsszenariums aus 7.
In 9 sind für einen Greifprozess ohne Rast die zeitlich Abfolge der Sauggreiferverformungen und der dazugehörige Verlauf des Drucks p_i(t) innerhalb des Hohlraums (2) sowie der dazugehörige Verlauf des Stromes I_G(t), der den Greifstatus anzeigt, dargestellt. Die angedeuteten elektrischen Signalleitungen (25) der Sauggreifer-Halterung (24) und die elektrisch leitfähige Schicht (23), formschlüssig aufgebracht auf die Innenfläche des Greiferbodens (4), haben einen Abstand a_EB . Der Stromkreis ist somit nicht geschlossen, folglich fließt keine Strom (I_G = 0). Bei dem dargestellten Greifprozess ist die Geschwindigkeit der oberen Teilstruktur (3) des Sauggreifers (1) stets größer Null und die Darstellung zeigt das Greifen beim Vorbeifahren. Zum Zeitpunkt t₁ bis t₄ wird der Druck p_i innerhalb des Hohlraumes (2) des Sauggreifers (1) nicht aktiv verändert. Zum Zeitpunkt t₁ bewegt sich der Sauggreifer (1) auf das Greifobjekt (12) zu, wobei der Abstand a zwischen beiden Bauteilen bis zum Zeitpunkt t₂ auf den Wert Null verringert wird. Hierbei fällt die Oberflächennormale (22) des Greifobjektes (12) im zeitlich ersten Berührungspunkt von Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) nicht mit der Längsachse (20) des Sauggreifers (1) zusammen. Der Punkt (19) der größten Verformbarkeit des Greiferbodens (4) fällt nicht mit dem zeitlich ersten Berührungspunkt von Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) zusammen. Zum Zeitpunkt t₃, bewegt sich die obere Teilstruktur (3) weiter auf das Greifobjekt (12) zu. Hierdurch entsteht eine Kraft zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12), wodurch sich der Sauggreifer (1) verformt und sich an das Greifobjekt (12) anschmiegt. Zusätzlich bildet sich eine Kontaktfläche bzw. ein Kontaktflächenring zwischen Greiferboden (4) und Greifobjektes (12) aus und das Volumen zwischen Greifobjekt (12) und Greiferboden (4) wird dem Wert Null angenähert. (Auch hierbei kommt es zu einem geringen passiven Druckanstieg im Hohlraum (2), der zur Zeitpunktsteuerung der Druckverringerung innerhalb des Hohlraumes (2) verwenden werden kann. Dieser passive Druckanstieg ist zur Vereinfachung in dieser Abbildung nicht dargestellt.) Zum Zeitpunkt t₄ wird die Position des Sauggreifers (1) so verändert, dass die Längsachse (20) des Sauggreifers (1) mit der Symmetrieachse (21) des dargestellten zylindrischen Greifobjektes (12) zusammenfallen (ideale Position zum Greifen). Nun kann zu einem Zeitpunkt t₅ der Druck p_i auf pmin verringert werden, wodurch sich die Saugwirkung entfaltet und das Greifobjekt (12) gegriffen wird. Die obere Teilstruktur muss zu diesem Zeitpunkt nicht anhalten, da die Nachgiebigkeit des Sauggreifers (1) das Greifen beim Vorbeifahren ermöglicht. Zum Zeitpunkt t₆ wird das Greifobjekt (12) transportiert. Hierbei muss der Unterdruck p_i = pmin im Hohlraum (2) erhalten bleiben. Da in den Darstellungen vom Zeitpunkt t₅ und t₆ mit p_i = p_min das Greifobjekt (12) erfolgreich gegriffen wurde, ist der Strom I_G gleich Null (I_G = 0) und zeigt somit den erfolgreichen Greifvorgang an.
Die mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der monolithisch aufgebaute und somit einfach zu fertigende, nachgiebige Sauggreifer multifunktionelle Eigenschaften aufweist. Diese multifunktionellen Eigenschaften werden einerseits durch die unterschiedliche geometrische Ausgestaltung der einzelnen Teilstrukturen und/oder deren Teilbereiche und anderseits aus der Nachgiebigkeit des verwendeten Materials (reversible Verformbarkeit) und dessen funktionelle Anordnung in Teilbereichen aus leitfähigen und nicht leitfähigen Bereichen erreicht. Durch die gezielte Auslegung der geometrischen Abmessungen der Teilstrukturen zueinander wird die Reihenfolge der im Greifvorgang ablaufenden Prozessschritte über Anschmiegen des Greiferbodens an das Greifobjekt, Ausgleich von Abweichungen der Greifobjektposition bis hin zum axialen Stabilisieren des gesamten Sauggreifers durch Anlegen der einzelnen Teilstrukturen aneinander (beim Anlegen eines Unterdruckes), bestimmt. Darüber hinaus sind Ausgleichsbewegungen für radial zum Sauggreifer wirkende Kräfte möglich. Durch die monolithische Bauweise ist der Aufwand bei der Montage und Herstellung sowie bei der Wartung der Vorrichtung auf ein Minimum reduziert, wodurch seine Verwendung in Reinräumen von besonderem Interesse ist. Darüber hinaus kann der Grad der Multifunktionalität des erfindungsgemäßen Sauggreifers durch die gleichzeitige Verwendung von nicht leitfähigen und leitfähigen Elastomeren in verschiedenen Abschnitten des Greiferbodens und/oder seiner Mantelstruktur weiter erhöht werden. Es kann über das mechanische und gleichzeitige elektrische Kontaktschließen das erfolgreiche Greifen eines Greifobjektes überwacht werden. Dies kann einerseits über das Kontaktschießen der elektrisch leitfähigen Anordnungen im oder auf der Innenfläche des Greiferbodens mit den elektrisch leitfähigen Anordnungen (elektrische Signalleitungen) in der Saugreiter-Halterung oder andererseits über das Kontaktschließen elektrisch leitfähiger Anordnungen auf oder im Greiferboden mit leitfähigen Anordnungen in der Mantelstruktur des Sauggreifers, welcher dann elektrisch leitfähig an einer Sauggreifer-Halterung (bspw. über Schleifkontakte) befestigt ist, erfolgen.
Mit dem glatten, dünnwandigen Greiferboden wird das Medium zur Unter- und Überdruckerzeugung im Maschinenraum (Hohlraum) vom dem das Greifobjekt umgebenden Medium im Prozessraum getrennt. Hierdurch wird die Kontamination des Prozessraumes sowie des Greifobjektes durch das Medium im Hohlraum oder durch Partikel, die sich im Maschinenraum befinden, während eines Greifprozesses, wie z. B. bei der Handhabung von pharmazeutischen Glasprodukten oder in Reinräumen, auf ein Minimum reduziert. Außerdem wird ein Anschmiegen an glatte Greifobjektoberflächen (wie bspw. Glas) unter geringstem Lufteinschluss gewährleistet, wodurch eine optimale Saugkraftentfaltung ermöglicht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Sauggreifer kann vorteilhafterweise ein aktiv gesteuerter Ablöseprozess realisiert werden. Dabei wird das Greifobjekt vom Sauggreifer gezielt und schnell aktiv abgelegt, sobald ein schon geringfügiger Überdruck im Hohlraum eingestellt wird.
Der vorgeschlagene Sauggreifer arbeitet im Vergleich zu herkömmlichen Sauggreifern energieeffizienter, da das unter- bzw. überdruckerzeugende Medium nicht verloren geht. Der Unter- bzw. Überdruck kann bspw. über eine direkt angetriebene Zylinder/Kolbenanordnung erzeugt werden.
Beim Einsatz in der Pharma- bzw. Medizinprodukteindustrie sind Elastomere zu verwenden, die eine FDA (food and drug administration) Zulassung aufweisen.
Neben der aufgezeigten, kreisrunden ebenen Greiferbodenfläche sind ebenfalls unebene oder elliptische, vieleckige und ebenso abgerundete vieleckige Greiferbodenflächen denkbar. Außerdem kann der äußere Rand des Greiferbodens verschieden geformte Dichtkanten bzw. Dichtlippen aufweisen, mit denen das vorhandene Anfangsvolumen nahe dem Wert Null zwischen dem Greiferboden und dem Greifobjekt (kurz vor der Aufbringung eines Unterdrucks in dem Hohlraum) verbessert abgedichtet wird.
Um die Greifkräfte und die Greifsicherheit zu erhöhen, können mehrere erfindungsgemäße Sauggreifer matrixförmig angeordnet werden (Kaskadierung). Werden eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Sauggreifern matrixförmig angeordnet, wobei die Abmessungen der Sauggreifer um ein Vielfaches kleiner sind als das Greifobjekt, so können über die übermittelten Greifstatussignale der einzelnen Sauggreifer Rückschlüsse auf die Größe, Form und Lage des gegriffenes Greifobjektes gezogen werden.
Die maximalen Spannungen, die im Sauggreifer bei Unterdruck ohne Greifobjekt auftreten und die Lebensdauer des Sauggreifers im besonderen Maß bestimmen, können gezielt über seine geometrischen Größen derart eingestellt werden, so dass eine hohe Lebensdauer des Sauggreifers im Betrieb erreicht werden kann.
Die Länge des konischen Teils der Sauggreifer-Halterung kann auf einfache Art und Weise auf die Wölbung des Greifobjektes abgestimmt werden. Dabei ist zu verhindern, dass im Zustand p_i = pmax und einem erfolgreichen Greifprozess der elektrische Kontakt durch den Greiferboden geschlossen wird.
Werden sehr dünne elektrisch leitfähige Schichten verwendet, so können hierfür leitfähige Elastomere verwendet werden. Deren Leitfähigkeit kann bekanntlich über Kohlenstoff erhöht werden. Besonders geeignet stellen sich kleingeschnittene Kohlefasern mit einem Durchmesser im einstelligen µm Bereich heraus, die vor der Vulkanisation in das Elastomer eingearbeitet werden.
Werden mindestens zwei der leiterbahnförmigen Abschnitte der Mantelstruktur bis in den Greiferboden verlängert und durch nicht leitende Abschnitte des Greiferbodens voneinander getrennt, so kann im Falle des Greifens von leitfähigen Greifobjekten ein Stromkreis über das Greifobjekt geschlossen werden, so das ein Strom I_LG , der das Vorhandensein eines leitfähigen Greifobjektes anzeigt, fließt. Ist zusätzlich ein zweiter, separater Stromkreisschluss möglich, der über die Sauggreifer-Halterung und einer elektrisch leitfähigen Schicht auf oder im Greiferboden geschlossen werden kann, so dass ein Strom I_G , der den Greifstatus anzeigt, fließt, so kann über den ersten Stromkreis auf die Leitfähigkeit des Greifobjektes rückgeschlossen werden und über den zweiten Stromkreis auf den Greifstatus. Hierdurch ist auch das Lösen etwaiger Sortieraufgaben von leitfähigen und nicht leitfähigen Greifobjekten möglich.
Durch die gewählten, aufgezeigten Ausführungsbeispiele ist ein leichtes Auswechseln des Sauggreifers vom Sauggreifer im Versagensfall möglich. Es müssen keinerlei Kabel gelöst werden, so dass die Rüstzeit der Maschine auf ein Minimum begrenzt wird und hierdurch eine hohe Produktivität der Maschine erreicht wird.
Als elektrische Signalleitungen und zur besseren Kontaktschließung zwischen elektrisch leitfähiger Schicht und Signalleitungen, stellt sich ein feines Kupferdrahtnetz als besonders geeignet heraus.
Bezugszeichenliste

1: Sauggreifer
2: Hohlraum
3: obere Teilstruktur
4: Greiferboden
5: Mantelstruktur
6: mittlere Teilstruktur
7: untere Teilstruktur
8: Greiferbodenfläche
9: erste Falte
10: zweite Falte
11: dritte Falte
12: Greifobjekt (z. B. glatt und zylindrisch)
13: Kontaktstelle zwischen Greiferboden (4) und der Wandung der unteren Teilstruktur (7)
14, 15: leiterbahnförmiger Abschnitt in der Mantelstruktur (5) aus leitfähigem Elastomer
16: aus nicht leitfähigem Elastomer gefertigter Abschnitt des Greiferbodens (4)
17: aus leitfähigem Elastomer gefertigter Abschnitt des Greiferbodens (4)
18: aus nicht leitfähigem Elastomer gefertigter Abschnitt des Greiferbodens (4)
19: Punkt der größten Verformbarkeit im Greiferboden (4)
20: Längsachse des Sauggreifers (1)
21: Symmetrieachse des zylindrischen Greifobjektes (12)
22: Oberflächennormalen des Greifobjektes (12) im zeitlichen ersten Berührungspunkt von Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12)
23: elektrisch leitfähige schicht
24: Sauggreifer-Halterung
25: elektrische Signalleitung
26: Abdichtung
27: Kanal für die elektrische Signalleitung
28: Vertiefung zur Arretierung der elektrischen Signalleitung
29: Anschlussteil für Saugmedium
30: Vertiefung für eine Abdichtung
31: umlaufende Nut
32: Kanal für Saugmedium
33: Werkzeugansatzteil
34: Befestigungsabschnitt der Sauggreifer-Halterung für einen Sauggreifer
35: konischer Teil der Sauggreifer-Halterung
a: Abstand des Greiferbodens (4) vom Greifobjekt (12)
aEB: Abstand zwischen elektrischer Signalleitung und elektrisch leitfähiger Schicht
IG: Strom, der den Greifstatus anzeigt
ILG: Strom, der das Vorhandensein eines elektrisch leitfähigen Greifobjektes anzeigt
pa: Druck außerhalb des Sauggreifers (1)
pi: Druck innerhalb des Hohlraumes (2)
s: Hubbereich des Sauggreifers
S2: Weg (Translation des Sauggreifers)

Claims

Sauggreifer (1) für Greifobjekte (12) mit glatten Oberflächen, der einen einseitig offenen, von einer dreiteiligen, reversibel verformbaren Mantelstruktur (5) gebildeten Hohlraum (2) aufweist, wobei die obere Teilstruktur (3) offen ist und die untere Teilstruktur (7) mit einem Greiferboden (4) flächig verschlossen ist und die obere Teilstruktur (3) form- und/oder kraftschlüssig an einer Halterung (24) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Hohlraums (2) Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Kontaktes angeordnet sind.
Sauggreifer (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die drei Teilstrukturen der Mantelstruktur (5) und der Greiferboden (4) elektrisch leitende und elektrisch nichtleitende Abschnitte aufweisen.
Sauggreifer (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der elektrisch leitenden Abschnitte der Mantelstruktur (5) bis in den Greiferboden (4) verlängert und durch nichtleitende Abschnitte des Greiferbodens (4) voneinander getrennt sind.
Sauggreifer (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die drei Teilstrukturen der Mantelstruktur (5) elektrisch leitende und elektrisch nichtleitende Abschnitte aufweisen und der Greiferboden (4) vollständig aus einem leitfähigen Elastomer (17) besteht.
Sauggreifer (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Greiferbodenoberfläche (8) eine elektrisch leitfähige Schicht (23) aufweist und die Sauggreifer-Halterung (24) Kanäle (27) zur Positionierung und Verankerung von elektrischen Signalleitungen (25) in dem Hohlraum (2) aufweist.
Sauggreifer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke d_M des Greiferbodens (4) kleiner als die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7) ist und die Wandstärke d_A der Wandung der unteren Teilstruktur (7) größer als die Wandstärke d_F1 der ersten Falte (9) der mittleren Teilstruktur (6) und kleiner als die Wandstärken d_F2, d_F3 der zweiten (10) und dritten (11) Falte der mittleren Teilstruktur (6) ist.
Sauggreifer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass er monolithisch ausgeführt ist.
Sauggreifer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Greiferboden (4) kreisförmig, ellipsenförmig oder vieleckig mit oder ohne Abrundungen ausgeführt ist.
Verfahren zum Greifen, Manipulieren und Transportieren eines Greifobjektes (12) mit glatter Oberfläche mit einem Sauggreifer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei dem: • in einem ersten Schritt die mittlere und untere Teilstruktur (6 und 7) der Mantelstruktur (5) durch Einwirkung einer Kraft zwischen Sauggreifer (1) und Greifobjekt (12) reversibel verformt werden; • in einem zweiten Schritt der Hohlraum (2) mit Unterdruck beaufschlagt wird, so dass der Greiferboden (4) auf der Oberfläche des Greifobjektes (12) seine Saugkraft entfaltet und das Greifobjekt (12) gegriffen wird; • in einem dritten Schritt das Greifobjekt (12) manipuliert und/oder transportiert wird; und • in einem vierten Schritt das Greifobjekt (12) durch Erzeugung eines Überdrucks im Hohlraum (2) aktiv abgelöst und gezielt abgelegt wird. dadurch gekennzeichnet, dass der Greifstatus über die Öffnung oder Schließung der elektrischen Kontakte im Inneren des Hohlraums (2) kontinuierlich erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Greiferboden (4) durch Änderung der Position des Sauggreifers (1) zum Greifobjekt (12) oder bei Unterdruck im Hohlraum (2) durch Druckerhöhung im Hohlraum (2) an das Greifobjekt (12) angenähert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sauggreifer (1) und das Greifobjekt (12) vor dem Greifen mit verschiedenen Geschwindigkeiten in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung bewegen.
Verwendung einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Sauggreifern (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Greifen, Manipulieren und Transportieren von großen Greifobjekten (12) mit glatter Oberfläche dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der Greiferstatussignale die Größe, die Form und/oder die Lage des gegriffenen Greifobjektes (12) ermittelt werden.
Verwendung eines Sauggreifers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Greifen, Manipulieren und Transportieren von Greifobjekten (12) aus elektrisch leitfähigem Material.