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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Die Erfindung betrifft auch einen Nadelgreifer gemäß Anspruch 10.
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Bekannt sind sogenannte Hubmagnetantriebe, welche eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes sowie einen in der Spule bzw. in dem von dem Magnetfeld der Spule durchsetzten Raum beweglich angeordneten Aktor, welcher unter der Wirkung des Magnetfeldes relativ zur Spule ein- und ausfahrbar ist. Hubmagnetantriebe finden insbesondere Verwendung in Vorrichtungen, welche mit einer Linearbewegung angetrieben werden.
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Ein Einsatzgebiet sind sogenannte Nadelgreifer, wie z.B. in der
DE 20 2011 110 569 U1 beschrieben. Dieser Nadelgreifer weist einen elektrisch gesteuerten Antrieb, z.B. Hubmagnet, mit einem axial verlagerbaren Aktor auf, sowie Greifnadeln, die zum Greifen eines von Nadeln durchdringbaren Werkstückes (z.B. Gewebe, Faserwerkstoffe) aus einem Greiferbasisteil ein- und ausfahrbar sind und hierzu mit dem Aktor des Antriebes gekoppelt sind. Die Zuverlässigkeit des Nadelgreifers hängt dabei von einem präzisen und störungsfreien Ein- und Ausfahren der Greifnadeln ab. Um ein sicheres Greifen zu ermöglichen, sollte stets die gewünschte Eindringtiefe in das zu greifende Werkstück erreicht werden. Weitere Einsatzfelder sind sogenannte Magnetgreifer, bei welchen ein Haltemagnet zum Greifen eines magnetischen oder magnetisierbaren Werkstückes in eine aktive Lage (z.B. nahe an einer Greiffläche) verschoben wird und zum Loslassen des Werkstückes wieder zurückgezogen wird. Hier können vergleichsweise große Vorschubkräfte und Rückzugkräfte erforderlich sein.
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Hubmagnetantriebe können auch als Stellantrieb für Ventile Verwendung finden. Insbesondere wenn mehrere Ventile gleichzeitig mit einem Antrieb betätigt werden sollen (z.B. in einer Ventilmatrix), können auch hier große Stellkräfte erforderlich sein.
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Eine Antriebsvorrichtung mit gekoppelten und mittels Magnetfeldern angetriebenen Oszillatoren, welche die strukturellen Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, ist in der
US 3 460 637 A beschrieben.
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Ein Problem der eingangs genannten Hubmagnetantriebe kann darin bestehen, dass der Aktor bei seiner Ein- und Ausfahrbewegung in Bereiche schwächerer Magnetfeldstärke bzw. geringerer Magnetfeldgradienten gelangt und daher die auf den Aktor wirkende Kraft abnimmt. Dieses Problem tritt insbesondere im Bereich der ausgefahrenen Endlage des Aktors auf, da der Aktor dann weit aus dem Spuleninnenraum heraus verlagert ist. Zur Vermeidung dieses Problems können größere Spulen oder stärkerer Magnete für die Aktoren verwendet werden. Dadurch werden die Antriebe groß, schwer, ggf. teuer und weisen eine unerwünschte Trägheit des Aktors auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hubmagnetantrieb zuverlässiger und energiesparender auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Antriebsvorrichtung ist insbesondere zum Antreiben eines Nadelgreifers oder Magnetgreifers durch lineares Einfahren- und Ausfahren eines Aktors ausgebildet. Die Antriebsvorrichtung umfasst eine Hauptantriebseinheit sowie eine der Hauptantriebseinheit zugeordnete Hilfsantriebseinheit. Beide Antriebseinheiten weisen je einen zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Lage linear verlagerbaren Aktor (Hauptaktor bzw. Hilfsaktor) auf. Außerdem sind beide Antriebseinheiten als Hubmagnetantriebe der eingangs angesprochenen Art ausgebildet (Hauptantriebseinheit mit Spuleneinrichtung zu Erzeugung eines Magnetfeldes zum Ein- und Ausfahren des Hauptaktors, und Hilfsantriebseinheit mit Spuleneinrichtung zu Erzeugung eines Magnetfeldes zum Ein- und Ausfahren des Hilfsaktors). Der Hilfsaktor ist mit einem Federmittel mit dem Hauptaktor gekoppelt.
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Mit der Antriebsvorrichtung kann verhindert werden, dass die für die Bewegung des Hauptaktors bereitgestellte Kraft in bestimmten Verfahrpositionen, insbesondere im Bereich der Endlage, unerwünscht abnimmt. Hierzu unterstützt die Hilfsantriebsvorrichtung die Hauptantriebsvorrichtung. Zum Ausfahren des Hauptaktors wird zunächst der Hauptaktor unbewegt gehalten (d.h. noch nicht ausgefahren) und der Hilfsaktor in Richtung seiner ausgefahrene Stellung bewegt. Dadurch kann das Federmittel gegenüber dem Hauptaktor auf Druck belastet werden und Energie speichern. Durch das Federmittel kann dann insbesondere im Endlagenbereich zusätzlich Kraft bereitgestellt werden. Wird daraufhin der Hauptaktor ausgefahren, so kann die in dem Federmittel gespeicherte Energie zur Unterstützung der Ausfahrbewegung genutzt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn für den Hauptaktor beispielsweise im Bereich seiner Endlage die Kraftwirkung durch das Magnetfeld der Spuleneinrichtung nachlässt. Wie bereits angesprochen, tritt dies z.B. bei einem mit einem Tauchmagneten versehenen Aktor auf, welcher aus der Spule herausbewegt wird und dadurch von verringerter Magnetfeldstärke bzw. verringertem Magnetfeldgradienten erfasst wird.
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Bei den eingangs genannten Anwendungsgebieten können kleinere und leichtere Aktoren und Spulen verwendet werden, und ein vergleichsweise schnell reagierender und kostengünstiger Antrieb realisiert werden.
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Der Hilfsaktor ist insbesondere derart mit dem Hauptaktor gekoppelt, dass das Federmittel bei Verlagerung des Hilfsaktors in die ausgefahrene Lage gegenüber dem Hauptaktor mit einer Druckspannung (d.h. unter Überwindung einer Federkraft gegen ein weiteres Zusammendrücken des Federmittels) beaufschlagt wird, so dass eine auf ein Ausfahren des Hauptaktors hin wirkende Hilfskraft auf den Hauptaktor ausgeübt wird. Vorteilhaft ist auch, wenn das Federmittel derart mit dem Hauptaktor und dem Hilfsaktor verbunden ist, dass bei Verlagerung des Hilfsaktors in seine eingefahrene Lage das Federmittel gegenüber dem Hauptaktor mit einer Zugspannung (d.h. unter Überwindung einer Federkraft gegen ein weiteres Auseinanderziehen des Federmittels) beaufschlagt wird, so dass eine auf ein Einfahren des Hauptaktors hin wirkende Hilfskraft auf den Hauptaktor ausgeübt wird.
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Hauptaktor und Hilfsaktor sind insbesondere linear entlang einer sogenannten Antriebsrichtung verlagerbar. Dabei sind Hauptaktor und Hilfsaktor vorzugsweise hintereinander entlang der Antriebsrichtung angeordnet und können insbesondere axial fluchtend angeordnet sein. Denkbar ist jedoch auch, dass das Federmittel gebogen verläuft, so dass Hauptaktor und Hilfsakor entlang abweichender Verlagerungsrichtungen einfahrbar und ausfahrbar sind. Dadurch können die verschiedenen Teile des Antriebs den Bauraumanforderungen gerecht angeordnet werden.
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Das Federmittel erstreckt sich insbesondere zwischen einem in Richtung der Hauptantriebseinheit weisenden Endabschnitts des Hilfsaktors und einem in Richtung des Hilfsantriebs weisenden Kopfabschnitt des Hauptaktors. Insbesondere ist das Federmittel mit dem Endabschnitt einerseits und dem Kopfabschnitt anderseits fest verbunden, so dass sowohl Zugspannungen als auch Druckspannungen aufgebaut werden können.
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Ist das Federmittel als Spiralfeder ausgebildet, so kann ein kompakter Aufbau insbesondere dadurch erreicht werden, dass sich die Spiralfeder um die Verlagerungsrichtung der Aktoren windet. Selbstverständlich können auch Wellenfedern, Blattfedern oder Biegefedern verwendet werden. Denkbar sind auch andere Arten von Federmittel, z.B. Gasdruckfedern oder Elastomerfedern. Die Aktoren können zur Bereitstellung des Federmittels auch mit einem elastischen Kunststoffmaterial miteinander verbunden sein.
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Die Spuleneinrichtung der Hauptantriebseinheit wölbt sich vorzugsweise um den Hauptaktor herum und ist zweiseitig entlang der Verlagerungsrichtung des Hauptaktors offen. Insbesondere ist die Spuleneinrichtung entlang der gemeinsamen Antriebsrichtung beider Aktoren offen. Dadurch ist es möglich, das Federmittel von einer offenen Seite her mit dem Hauptaktor zu verbinden, und dabei dessen Ein- und Ausfahren durch die andere offene Seite der Spuleneinrichtung zu ermöglichen. Insbesondere ist die Spuleneinrichtung als beidseitig offene Hohlspule (z.B. Zylinderspule) ausgestaltet, in welcher der Hauptaktor axial verlagerbar ist. Eine entsprechende Ausgestaltung kann auch für die Spuleneinrichtung der Hilfsantriebseinheit vorgesehen sein.
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Damit der Hauptaktor und/oder der Hilfsaktor in dem durch die zugeordnete Spuleneinrichtung erzeugten Magnetfeld bewegbar ist, kann der jeweilige Aktor einen magnetischen Tauchkern aufweisen, der in den vom Magnetfeld durchsetzten Magnetfeldraum (insbesondere in den Spuleninnenraum) eintaucht. Als Tauchkerne können Dauermagneten oder Elektromagneten verwendet werden.
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Um die für den Hauptaktor bereitstellbaren Hilfskräfte zu erhöhen, können mehrere Hilfsantriebseinheiten mit jeweiligen Hilfsaktoren vorgesehen sein, welche jeweils über ein Federmittel oder über ein gemeinsames Federmittel mit dem Hauptaktor gekoppelt sind.
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Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Nadelgreifer vorgeschlagen, mit einem Grundteil (z.B. Gehäuse) und mehreren aus dem Grundteil ausfahrbaren und einfahrbaren Greifnadeln zum Greifen eines Werkstückes. Der Nadelgreifer weist eine Antriebsvorrichtung mit einem linear verlagerbaren Aktor auf, welcher zum Einfahren und Ausfahren der Greifnadeln mit diesen gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird eine Antriebsvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art verwendet, wobei der Hauptaktor der Antriebsvorrichtung mit den Greifnadeln gekoppelt ist.
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Dadurch kann eine ausreichende Eindringtiefe der Nadeln in das Material gewährleistet werden. In jeder Lage der Greifnadeln, insbesondere im Bereich der voll ausgefahrenen Endlage, kann ausreichend Vorschubkraft und/oder Rückzugskraft für die Greifnadeln bereitgestellt werden. Ein Problem bei mit einfachen Hubmagneten angetriebenen Nadelgreifern besteht wie eingangs angesprochen darin, dass der mit der Nadelbewegung gekoppelte Hauptaktor im Bereich seiner ausgefahrenen Endlage oftmals keine ausreichende Kraft mehr durch das Magnetfeld der Spuleneinrichtung erfährt. Bei dem erfindungsgemäßen Nadelgreifer kann durch das Federmittel, welches durch den Hilfsaktor beispielsweise auf Druckspannung vorgespannt wird, eine ergänzende Kraft zur Verfügung gestellt werden.
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Die Bewegungskopplung der linearen Einfahr- und Ausfahrbewegung des Hauptaktors mit der Einfahr- und Ausfahrbewegung der Greifnadeln erfolgt z.B. mittels einer Umsetzungsmechanik. Diese setzt die lineare Bewegung des Hauptaktors in eine Bewegung der Greifnadeln um. Die Einfahr- und Ausfahrrichtung der Greifnadeln ist vorzugsweise schräg zu der Einfahr- und Ausfahrrichtung des Hauptaktors. Insbesondere ist denkbar, dass mehrere Greifnadeln oder mehrere Gruppen von Greifnadeln sich überkreuzend zueinander einfahren und ausfahren lassen, um ein Ablösen des Werkstückes zu verhindern. Die Kopplung der Bewegung von Hauptaktor mit den Greifnadeln kann z.B. mittels eines Ritzels erfolgen, welches einerseits mit einem Zahnstangenabschnitt des Hauptaktors und andererseits mit einem Zahnstangenabschnitt einer Greifnadel oder eines die Greifnadel tragenden Nadelschlittens in Eingriff steht. Denkbar ist auch die Kopplung mittels einer Schrägführung für in dem Grundteil des Greifers geführte Schlitten, an welchen die ein- und ausfahrbaren Greifnadeln angeordnet sind. Eine derartige Umsetzungsmechanik zur Bewegungskopplung zwischen Antriebsstange (d.h. Hauptaktor) und Greifnadeln ist beispielsweise in der
DE 20 2011 110 569 U1 beschrieben, deren diesbezügliche Offenbarung zum Gegenstand der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.
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Die Spuleneinrichtungen der Hauptantriebseinrichtung und der Hilfsantriebseinrichtung sind insbesondere ortsfest an dem Grundteil des Nadelgreifers angeordnet. Der Hauptaktor und der Hilfsaktor sind relativ zu dem Grundteil verlagerbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 skizzierte Darstellung eines Nadelgreifers mit erfindungsgemäßer Antriebsvorrichtung in neutraler Ausgangslage;
- 2 den Nadelgreifer gemäß 1 mit auf Druckspannung zwischen Hauptaktor und Hilfsaktor vorgespanntem Federmittel bei eingefahrener Stellung des Hauptaktors; und
- 3 den Nadelgreifer gemäß 1 und 2 mit ausgefahrener Stellung des Hauptaktors.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Der in den 1 bis 3 dargestellte Nadelgreifer 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das ein Grundteil des Nadelgreifers bildet, sowie eine Mehrzahl von aus dem Gehäuse 12 einfahrbaren und ausfahrbaren Greifnadeln 14. Zum Greifen eines Werkstückes sind die Greifnadeln 14 schräg zu einer Greiffläche 16 des Gehäuses 12 ausfahrbar (vgl. 3). Die Greifnadeln 14 sind hierzu an einem in dem Gehäuse 12 vertikal nach oben und unten verlagerbaren Träger 18 angeordnet. Dem Träger 18 ist eine nicht näher dargestellte Umsetzungsmechanik 20 zugeordnet, mittels der eine vertikale Bewegung des Trägers 18 in dem Gehäuse 12 in ein schräges Ein- und Ausfahren der Greifnadeln 14 aus dem Gehäuse umgewandelt wird. Hierzu können beispielsweise die Greifnadeln 14 an in Bezug auf den Träger 18 horizontal verlagerbaren Schlitten (nicht dargestellt) angeordnet sein, die bei vertikaler Bewegung des Trägers 18 mittels einer Schrägführung horizontal mit bewegt werden. Zum Bewegen des Trägers 18 ist eine Antriebsvorrichtung 22 vorgesehen. Diese umfasst im dargestellten Beispiel zwei Hubmagnetantriebe, nämlich eine Hauptantriebseinheit 24 und eine Hilfsantriebseinheit 26.
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Die Hauptantriebseinheit 24 und die Hilfsantriebseinheit 26 umfassen jeweils eine Spuleneinrichtung (hier: Hohlspule 28 der Hauptantriebseinheit 24 und Hohlspule 30 der Hilfsantriebseinheit 26) zur Erzeugung eines Magnetfeldes. In der Spuleneinrichtung 24 bzw. 26 ist jeweils ein Aktor (Hauptaktor 32 der Hauptantriebseinheit 24 und Hilfsaktor 34 der Hilfsantriebseinheit 26) linear verschiebbar angeordnet. Die Aktoren 32, 34 können z.B. magnetische Tauchkerne enthalten, wodurch aufgrund des Magnetfeldes ein Einfahren und Ausfahren möglich ist. Im dargestellten Beispiel sind die Aktoren 32 und 34 entlang einer Antriebsrichtung 36 axial fluchtend miteinander angeordnet. Die Antriebsrichtung 36 entspricht im dargestellten Beispiel der Richtung, in welcher der Träger 18 in dem Gehäuse 12 verlagerbar ist.
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Ein im dargestellten Beispiel als Spiralfeder ausgebildetes Federmittel 38 ist einerseits mit einem unteren Endabschnitt 40 des Hilfsaktors 34 und andererseits mit einem oberen Kopfabschnitt 42 des Hauptaktors 32 verbunden. Durch Bewegung des Hilfsaktors 34 in Richtung des Hauptaktors 32 kann daher das Federmittel 38 mit einer Druckspannung beaufschlagt werden. Umgekehrt kann durch Bewegung des Hilfsaktors 34 in Richtung von dem Hauptaktor 32 weg das Federmittel 38 mit einer Zugspannung beaufschlagt werden. Durch Beaufschlagung des Federmittels 38 mit Druckspannung oder Zugspannung kann in dem Federmittel 38 Energie gespeichert werden.
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Durch geeignetes Betreiben der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 22 kann über den Verfahrweg des Hauptaktors 32 eine höhere und bei geeigneter Auslegung im Wesentlichen konstante Vorschubkraft und/oder Rückzugkraft erzielt werden. Dadurch kann beispielsweise bei dem Nadelgreifer 10 sichergestellt werden, dass die Endlage mit maximal ausgefahrenen Greifnadeln auch bei widerstandsfähigen zu greifenden Werkstücken erreicht wird.
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Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren umfasst beispielsweise die folgenden Schritte:
- - Verfahren des Hilfsaktors 34 in eine ausgefahrene Lage in Richtung auf den Hauptaktor 32 hin, wobei der Hauptaktor 32 vorzugsweise in seiner eingefahrenen Lage verbleibt (vgl. Übergang von der in 1 dargestellten Konfiguration zu der in 2 dargestellten Lage).
- - Verfahren des Hauptaktors 32 in Richtung von dem Hilfsaktor 34 weg in seine ausgefahrene Lage, wobei der Hilfsaktor 34 in seiner ausgefahrenen Lage verbleibt (vgl. Übergang von der in 2 dargestellten Situation zu der in 3 dargestellten Situatuion).
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Im ersten Schritt wird durch das Zubewegen des Hilfsaktors 34 auf den Hauptaktor 32 das Federmittel 38 mit Druckspannung beaufschlagt. Zusätzlich zu der aufgrund des Magnetfeldes der Spuleneinrichtung 28 auf den Hauptaktor 32 wirkenden Kraft kann die in dem Federmittel 38 gespeicherte Energie zur Erzeugung einer Hilfskraft auf den Hauptaktors 32 zur Unterstützung der Ausfahrbewegung genutzt werden.
