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Die Erfindung betrifft einen Greifer, umfassend koordiniert bewegliche Greifelemente. Deren Antrieb kann z. B. als elektrodynamischer oder elektromagnetischer Antrieb mit mindestens einer Phase ausgeführt sein, wobei Spulen, Permanent- bzw. Dauermagnete oder weichmagnetische Flussleitstücke, aber auch Kombinationen aus diesen, beweglich angeordnet sein können und im Wesentlichen eine Linearbewegung vollführen. Bevorzugt bilden das bewegte Antriebselement und das Greifelement eine konstruktive Einheit, d. h. beide Elemente sind in diesem bevorzugten Fall einstückig miteinander verbunden, ungeachtet der Art der Verbindung.
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Aus dem Stand der Technik ist ein elektrischer Zweifinger-Parallelgreifer mit Lineardirektantrieb bekannt, der durch jeweils einen Antrieb für Greifelemente bestimmt ist. Diesen offenbart z. B. die Druckschrift
DE 10 2009 037 586 A1 . Nachteilig ist jedoch die aufwändige Technik mit vielen Teilen und einem großen Bauraumbedarf.
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Bekannt ist auch ein Linearantrieb, der über ein Getriebe auf beide Greifelemente wirkt (beschrieben z. B. in den Druckschriften
EP 2 581 179 A2 und
DE 10 2011 115 366 A1 ). Mit dieser Lösung sind jedoch Nachteile durch Reibverluste und dadurch vermindertem Wirkungsgrad verbunden, zudem sind viele Teile nötig, die zu hohen Kosten und einem großen Bauraumbedarf führen. Weiterhin ist die Regelbarkeit oder Steuerbarkeit der Greifkraft beeinträchtigt, hervorgerufen durch schwer erfassbare Reibverluste.
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Die Druckschrift
US 6 076 875 A1 beschreibt einen Greifer mit Lineardirektantrieben, jedoch mit bewegten Magnetspulen, deren Energieversorgung nur mit erhöhtem Aufwand gesichert werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind auch vielfältige elektrische Zweifinger-Parallelgreifer mit rotatorischem Motor sowie nachgeordnetem Untersetzungsgetriebe und Rotations-Translations-Umformer bekannt. Durch das Untersetzungsgetriebe ist die Dynamik derartiger Greifer jedoch begrenzt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach aufgebauten, kompakten Zweifinger-Parallelgreifer mit geringer Teilezahl, geringem Bauraumbedarf, hohem Wirkungsgrad während der Bewegung, hoher Dynamik der Greifelemente und guter Regel- oder Steuerbarkeit der Kraft anzubieten. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Steuer- oder Regelverfahren für einen Greifer anzubieten, der sicher positionierbar ist und ein Greifobjekt mit definierter Kraft halten kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Greifer, umfassend ein Greifergehäuse und mindestens zwei mittels elektrodynamischen Linearantriebs relativ zueinander koordiniert bewegliche Greifelemente. Das erste und das zweite Greifelement sind jeweils durch ein Teilelement des elektrodynamischen Linearantriebs angetrieben, so dass beim Antrieb eine gegenläufige Bewegung des ersten und des zweiten Greifelements entsteht. Der elektrische Linearantrieb ist als elektrodynamischer Lineardirektantrieb ausgeführt. Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Teilelement unmittelbar oder einstückig mit dem Greifelement verbunden ist. Als einstückige Verbindung wird jede Verbindung angesehen, die keine Bewegung zwischen den verbundenen Elementen zulässt. Bei dem erfindungsgemäßen Greifer handelt es sich um einen besonders einfach aufgebauten Greifer mit wenigen Teilen, denn es können Getriebe und/oder Bewegungsumformer entfallen. Der erfindungsgemäße Greifer ist sehr kompakt und zeichnet sich dadurch aus, dass er eine hohe Dynamik ermöglicht.
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Die Führung des Antriebs bzw. der Greifelemente erfolgt dabei in dem Greifergehäuse, das ebenso wie ein alternativ oder zusätzlich vorgesehenes Gestell zur Ableitung von Kräften dient. Eine synchrone Positionierung des ersten und des zweiten Greifelements zueinander wird folglich dadurch erreicht, dass die Teilelemente linear beweglich mechanisch miteinander und mit einem innerhalb eines Greifers angeordneten Gestell oder dem Greifergehäuse über eine mechanische Kopplungseinrichtung gekoppelt sind. Die Kopplungseinrichtung ist bevorzugt als ein Getriebe ausgeführt, das die Bewegung der beiden Greifelemente und zugleich der beiden Teilelemente des Lineardirektantriebs koordiniert. Das Greifelement und ein damit verbundenes bewegliches Antriebselement bilden nach einer vorteilhaften Ausführungsform die Koppel des Führungsgetriebes. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Greifelemente auch bei Unterschieden in den Reibkräften ihrer Führungen synchron zueinander und mit betragsmäßig gleicher Geschwindigkeit (in entgegengesetzte Richtung) bewegen.
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Eine erweiterte Funktionalität weisen Greifer auf, die aus einer erfindungsgemäßen Greiferbaugruppe für eine synchrone, entgegengerichtete Bewegung beider Backen bestehen und darüber hinaus einen, bevorzugt im gleichen Greifergehäuse seriell nachgeordneten, Linearantrieb für das Verfahren der gesamten ersten Baugruppe aufweisen. Derartige Greifer weisen die erweiterte Funktionalität "integrierte Linearachse" auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind Führungsgetriebe zur Bewegungsführung einer im Wesentlichen translatorischen Bewegung der Greifelemente auf einer Bewegungsachse vorgesehen. Diese führen auf unterschiedliche Weise die Bewegung der Greifelemente, immer jedoch ohne dass Gleitreibung oder Rollreibung auftritt, wie dies bei herkömmlichen Lineardirektantrieben mit einer Gleit- oder Wälzführung der Fall ist.
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Die Führungsgetriebe umfassen bevorzugt Parallelfederführungen, Doppelparallel-Federführungen, Wattsche Geradführungen, Parallelschwingen, Roberts’sche Geradführungen und/oder Tschebyscheffsche Geradführungen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Führungsgetriebe wenigstens ein elastisches Gelenk und/oder Getriebeglied umfassen, so dass die Führungsgetriebe eine geringe Steife in Bewegungsrichtung und eine hohe Steife quer zur Bewegungsrichtung aufweisen. Als Alternative hierzu ist es vorgesehen, dass ein weiteres Führungsgetriebe zu Einsatz kommt, das die hohe Steife quer zur Bewegungsrichtung unterstützt.
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Es ist vorgesehen, dass die Getriebeglieder Festkörpergelenke (beispielsweise auch Kreuzfedergelenke), Blattfedern und Drehgelenke umfassen.
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Eine weitere vorteilhafte Anordnung der mit mindestens einem elastischen Getriebeglied versehenen Führungsgetriebe zur im Wesentlichen translatorischen Führung mindestens zweier Greifelemente im Greifergehäuse ist in der Weise ausgeführt, dass die Führungsgetriebe nicht nur im bestromten, sondern auch im unbestromten Zustand im gesamten Verfahrbereich der Greifelemente eine Haltekraft auf das Greifobjekt ausüben oder eine definierte Ruhestellung der Greifelemente in einer ihrer Endlagen gewährleisten. Dies gilt für nachgiebige Führungen, bei denen in Bewegungsrichtung im ausgelenkten Zustand immer eine Rückstellkraft in Richtung unausgelenkten Zustand wirkt. Diese Rückstellkraft kann genutzt werden für Greiferfunktionen, z. B. für das Aufbringen einer Haltekraft im stromlosen Zustand oder mit reduziertem Strom oder zur Gewährleistung einer definierten Ruheposition der Greifelemente im stromlosen Zustand. Die gewünschte stromlose Haltekraft oder Ruheposition kann beispielsweise erreicht werden durch gegenüber dem Bewegungsbereich des Greifelements in Bewegungsrichtung versetzt angeordnete Anlenkpunkte des nachgiebigen Führungsgetriebes an das Greifergehäuse oder das Gestell, also durch dessen Vorspannung.
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Zur Erhöhung der Rückstellkräfte oder stromlosen Haltekräfte können die nachgiebigen Führungsgetriebe auch durch zwischen Gestell bzw. Greifergehäuse und Greifelement angeordnete zusätzliche, also dem nachgiebigen Führungsgetriebe parallelgeschaltete Federelemente, wie beispielsweise Schraubenfedern, ergänzt werden. Derartige Federn sind gleichfalls bei Greifern mit Gleit- oder Wälzführung der Greifelemente, also bei Verzicht auf Führungsgetriebe, möglich.
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Eine solche Anordnung ermöglicht einen energetisch effizienten Greiferbetrieb, da der den Greifelementen zugeordnete Lineardirektantrieb nur während des Greifens und Loslassens des Greifobjekts mit hoher Stromstärke bestromt werden muss. Während des Haltens des Greifobjekt kann die Stromstärke im Vergleich zu den Operationen "Greifen“ und "Loslassen" reduziert werden oder ein unbestromter Zustand eingestellt werden.
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Vorteilhafter Weise ist die mechanische Kopplungseinrichtung als eine Zahnstangen-Zahnrad-Paarung, eine Reibflächen-Reibrad-Paarung, mindestens ein Hebeltrieb und/oder ein nachgiebiges Führungsgetriebe mit Federelementen oder Festkörpergelenken ausgeführt. Hiervon umfasst ist auch ein doppelter Hebeltrieb, im Sinne einer doppelten Parallelkurbel, der nicht nur als Synchronisierungsvorrichtung, sondern auch als einfache Linearführungseinrichtung dienen kann. Hierzu wäre beispielsweise auf beiden Seiten des Magnetkreises ein identischer Hebeltrieb anzuordnen. Auf eine gesonderte Führung kann dann verzichtet werden.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Greifers wird eine im Wesentlichen synchrone Positionierung des ersten und des zweiten Greifelements zueinander dadurch erreicht, dass beide Teilelemente gegenüber dem Greifergehäuse jeweils durch ein nachgiebiges Führungsgetriebe im Wesentlichen translatorisch geführt werden und dass beide Führungsgetriebe eine in Bewegungsrichtung im Wesentlichen gleich große Steife aufweisen. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die beiden Greifelemente nicht miteinander, sondern jeweils nur mit dem Greifergehäuse verbunden sind. Durch die gleiche Steife der beiden nachgiebigen Führungsgetriebe und aufgrund actio = reactio stellt sich zumindest im eingeschwungenen Zustand eine im Wesentlichen gleich große Auslenkung beider Greifelemente ein. Wenn beide Teilelemente gleich schwer sind, dann ergeben sich auch während des Bewegungsvorgangs im Wesentlichen gleich große Auslenkungen beider Greifelemente.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn wenigstens eine eisenbehaftete oder eisenlose Wicklung ein erstes Teilelement und wenigstens ein Permanentmagnet mit oder ohne weichmagnetischen Rückschluss, d. h. unter Anwendung von unterschiedlichen möglichen Magnetkreisbauformen bzw. weichmagnetischen Rückschlüssen, ein zweites Teilelement bilden. Jedes Teilelement weist ein Greifelement auf oder ist mit einem Greifelement verbunden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind das erste und das zweite Teilelement bezüglich des Magnetkreises im Wesentlichen identisch ausgebildet und gegenüber wenigstens einer gestellfest angeordneten, eisenlosen oder eisenbehafteten Wicklung synchron zueinander in entgegengesetzte Richtung beweglich.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst zumindest ein bewegliches Teilelement des elektrischen Linearantriebs mindestens einen Permanentmagneten, eine Stromzufuhr an das bewegliche Teilelement ist in diesem Fall nicht erforderlich. Dies führt zu einer höheren mechanischen Robustheit durch Wegfall beweglicher Stromzuführungen zu bewegten Spulen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Kraftregelung oder Kraftsteuerung zwischen Greifelementen eines Greifers, wie er zuvor beschrieben wurde, wobei zur Kraftsteuerung der für die gewünschte Kraft erforderliche Strom zum Betrieb der Greifelemente entsprechend der gewünschten Sollkraft und der ermittelten aktuellen Position des Greifelements aus einer Kraft-Weg-Strom-Charakteristik des Antriebs inklusive Führung berechnet wird. Dadurch kann eine gewünschte Greifkraft realisiert werden, und zwar ohne dazu die Kraft durch einen aufwändigen Kraftsensor messen zu müssen. Die Kraft-Weg-Strom-Charakteristik des Antriebs inklusive Führung kann als Kennlinienfeld oder als mathematische Funktion vorliegen. Nichtlineare Zusammenhänge zwischen Kraft, Weg und Strom des Antriebs werden so berücksichtigt und die Greifkraft kann mit hoher Genauigkeit geregelt oder gesteuert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Positionierung der Greifelemente während des Schließens oder Öffnens des Greifers durch eine flachheitsbasierte Regelung erfolgt. Die Vorteile gegenüber einer klassischen, einfachen oder kaskadierten PID-Regelung bestehen darin, dass durch einen Trajektoriengenerator ein gewünschter Weg-Zeit-Verlauf (Trajektorie) erzeugt werden kann, wodurch beispielsweise ein schnelles und trotzdem sanftes Anfahren der Greifelemente an das Greifobjekt ermöglicht wird. Weiterhin kann ein Überschwingen während des Positionierens durch eine geeignet gewählte Trajektorie einfacher vermieden werden als mit einer PID-Regelung. Auch die Positionierzeit ist einfach einstellbar, z. B. für schnelles oder langsames Verfahren der Greifelemente.
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Günstig ist es auch, wenn die Greifelemente kraftgeführt sind und eine auf das Greifobjekt wirkende Haltekraft bestimmen. Vorteile ergeben sich, wenn in einem gegriffenen Zustand, wenn sich ein Greifobjekt zwischen den Greifelementen befindet und dieses gehalten wird, die Greifkraft kontrollierbar ist. Die Positionsführung und die Kraftführung umfassen dabei sowohl eine Positionssteuerung oder eine Positionsregelung bzw. eine Kraftsteuerung oder eine Kraftregelung.
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Vorteilhafter Weise wird der aus einer gewünschten Kraft und einer Istposition des Greifelements berechnete Strom direkt an den Linearantrieb des Greifelements gegeben. Der berechnete Strom dient einer Begrenzung der Kraft bei vorhandener Positionsregelung des Greifelements.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers, bei dem die Teilelemente des Lineardirektantriebs durch Hebeltrieb synchronisiert sind;
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2: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers, bei dem die Teilelemente durch unabhängige nachgiebige Führungsgetriebe gleicher Steife synchronisiert sind;
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3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers mit Lineardirektantrieb mit zwei im Wesentlichen magnetisch gleichen beweglichen Teilelementen und einem gestell- oder gehäusefesten weichmagnetischen Kern mit zwei Schenkeln;
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4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers mit Lineardirektantrieb mit zwei im Wesentlichen magnetisch gleichen beweglichen Teilelementen, einem gestellfesten weichmagnetischen Kern mit drei Schenkeln und mitbewegten weichmagnetischen Rückschlüssen; und
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5: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers mit Lineardirektantrieb mit zwei im Wesentlichen magnetisch gleichen beweglichen Teilelementen, einem gestell- oder gehäusefesten weichmagnetischen Kern mit drei Schenkeln und gestellfesten weichmagnetischen Rückschlüssen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers 1, bei dem die Teilelemente des Lineardirektantriebs 2 durch Hebeltrieb als Synchronisierungvorrichtung 4 synchronisiert sind. Die Synchronisierungvorrichtung 4 ist einerseits über ein gestellfestes Lager 3 mit dem Greifergestell oder -gehäuse 10 verbunden und über Loslager 5 mit den Teilelementen des Lineardirektantriebs 2.
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Mit den Teilelementen des Lineardirektantriebs 2 sind ebenfalls die Greifelemente 20, 21 einstückig verbunden. Das erste Greifelement 20 ist mit dem weichmagnetischen Kern 6 verbunden, der eine Wicklung 7, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Teilwicklungen, aufweist. Die Enden der Schenkel des weichmagnetischen Kerns 6 weisen in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ausgeprägte, gegenüber den Schenkeln verbreiterte Pole auf. Das zweite Greifelement 21 ist mit dem weichmagnetischen Rückschluss 8 verbunden, der einen Permanentmagneten 9 aufweist. Dieser Permanentmagnet kann, wie auch in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, zumindest zum Teil in den weichmagnetischen Rückschluss 8 eingelassen sein. Beide Teilelemente, der weichmagnetische Kern 6 und der weichmagnetische Rückschluss 8, sind in dem Greifergehäuse 10 jeweils über eine Linearführung 11 geführt.
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Wird die Wicklung 7 bestromt, so bewegen sich der weichmagnetische Kern 6 und der Permanentmagnet 9 mit dem Rückschluss 8 gegenläufig zueinander. Die gegenläufige Bewegung ist dabei über die Synchronisierungsvorrichtung 4 zwangsgeführt. Im Ergebnis bewegen sich die Greifelemente 20, 21 aufeinander zu oder voneinander weg, so dass ein Greifobjekt gegriffen oder losgelassen werden kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers 1, bei dem die Teilelemente des Lineardirektantriebs 2 durch unabhängige nachgiebige Führungsgetriebe gleicher Steife synchronisiert sind. Die nachgiebigen Führungsgetriebe werden dabei durch Blattfedern 12 gebildet, die einerseits gestellfest angeordnet und andererseits mit jeweils einem der Teilelemente des Lineardirektantriebs 2 verbunden sind. Wird die Wicklung 7 bestromt, bewegen sich der weichmagnetische Kern 6 und der weichmagnetische Rückschluss 8 mit dem Permanentmagneten 9 gegenläufig zueinander und bewegen entsprechend die Greifelement 20, 21. Die Steife der Blattfedern 12 sorgt für eine gleichmäßige Auslenkung und zugleich für eine Rückführung in den Ausgangszustand, wenn die Wicklung 7 nicht mehr bestromt wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers 1 mit Lineardirektantrieb 2 mit zwei im Wesentlichen magnetisch gleichen beweglichen Teilelementen. Hierbei sind im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen gestellfeste weichmagnetische Kernabschnitte 13 vorgesehen, die eine Wicklung 7, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Teilwicklungen, aufweisen. Die Enden der weichmagnetischen Kernabschnitte 6 weisen in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ausgeprägte, gegenüber der Mitte der Kernabschnitte verbreiterte Pole auf. Zwei bevorzugt gleichartig aufgebaute Teilelemente, die als weichmagnetischer Rückschluss 8 dienen und jeweils einen Permanentmagneten 9 aufweisen, sind mit jeweils einem der Greifelemente 20, 21 verbunden. Diese Teilelemente sind mittels Linearführungen 11 im Greifergehäuse 10 geführt. Wird nun die Wicklung 7 bestromt, bewegen sich die Permanentmagnete 9 und mit ihnen die verbundenen Teilelemente in der Weise gegenläufig, das wiederum die Greifelemente 20, 21 aus ihrer normalen Lage heraus bewegt werden und öffnen oder schließen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers 1 mit Lineardirektantrieb 2 mit zwei im Wesentlichen magnetisch gleichen, beweglichen Teilelementen. Hierbei weist der Antrieb im Unterschied zu dem in 3 dargestellten Greifer drei weichmagnetische Kernabschnitte 13 auf. Wiederum weisen deren Enden in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ausgeprägte, gegenüber der Mitte der Kernabschnitte verbreiterte Pole auf. Der mittlere Kernabschnitt ist mit einer Wicklung 7 versehen. Zwei bevorzugt gleichartig aufgebaute Teilelemente, die jeweils als weichmagnetischer Rückschluss 8 dienen und jeweils zwei in entgegengesetzte Richtung magnetisierte Permanentmagnete 9 aufweisen, sind mit jeweils einem der Greifelemente 20, 21 verbunden. Diese Teilelemente sind mittels Linearführungen 11 im Gehäuse 10 geführt. Wird nun die Wicklung 7 bestromt, bewegen sich die Permanentmagnete 9 und mit ihnen die verbundenen Teilelemente mit den bevorzugt einstückig verbundenen Greifelementen 20, 21 in der Weise gegenläufig, dass wiederum die Greifelemente 20, 21 aus ihrer normalen Lage heraus bewegt werden und öffnen oder schließen.
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Bei der in 5 schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers sind im Unterschied zu 4 die weichmagnetischen Rückschlüsse 8‘ gestellfest angeordnet und nur die Permanentmagnete 9 sind die beweglichen Teilelemente des Antriebs. Vorteile gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Minimierung der auf die beweglichen Teilelemente wirkenden magnetischen Querkräfte, kleinere bewegte Massen und die daraus resultierende höhere Dynamik. Die geringen Querkräfte auf die beweglichen Teilelemente des Antriebs sind besonders vorteilhaft für die Nutzung nachgiebiger Führungsgetriebe.
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Ein besonderer Vorteil der Ausführungsbeispiele gemäß 3, 4 und 5 liegt im Vergleich zu Antrieben mit bewegter Spule in einer höheren Wandlergüte, also z. B. eine bei gleicher Greifkraft kleinere erforderliche elektrische Leistung. Der Vorteil tritt insbesondere bei einphasigen Moving-Magnet-Antrieben mit eisenbehafteter Wicklung auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Greifer
- 2
- Lineardirektantrieb
- 3
- gestellfestes Lager
- 4
- Kopplungseinrichtung, Synchronisierungsvorrichtung
- 5
- Loslager
- 6
- weichmagnetischer Kern
- 7
- Wicklung
- 8
- weichmagnetischer Rückschluss (beweglich)
- 8‘
- weichmagnetischer Rückschluss (gestellfest)
- 9
- Permanentmagnet
- 10
- Greifergehäuse
- 11
- Linearführung
- 12
- Federelement, nachgiebiges Führungsgetriebe, Blattfeder
- 13
- gestellfester weichmagnetischer Kernabschnitt
- 20
- erstes Greifelement
- 21
- zweites Greifelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037586 A1 [0002]
- EP 2581179 A2 [0003]
- DE 102011115366 A1 [0003]
- US 6076875 A1 [0004]
