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Die Erfindung geht aus von einer Transportvorrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2011/138448 ist bereits ein System zum Transportieren von Behältern zwischen unterschiedlichen Stationen bekannt, wobei die Behälter in Behälterträgern aufgenommen sind. Das System umfasst eine Steuereinheit, die den Transport der Behälterträger steuert, eine Transportfläche, die in Teilflächen unterteilt ist und auf der die Behälterträger beweglich anordenbar sind, und Antriebsmittel, wobei die Antriebsmittel durch die Steuereinheit angesteuert sind. Dieses System zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus, wie sie insbesondere zum Transport von Probenbehältern eines Laboranalysesystems gefordert ist.
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Aus der
DE 10 2007 025 822 A1 ist bereits ein kombinierbares Flächenelement mit einer Vielzahl von ansteuerbaren Wandlerelementen bekannt. Die mit der Vorrichtung gestalteten elektromagnetischen Kraftfelder dienen der gesteuerten Kraftwirkung für Bewegung von entsprechend ausgelegten Objekten. Bei den so bewegten Objekten kann es sich um eine Transportvorrichtung handeln, welche mehrere Rollelemente trägt zur Durchführung insbesondere logistischer Aufgaben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Transportvorrichtung insbesondere hinsichtlich der Systemsteifigkeit bei hoher mechanischer Flexibilität und geringem Wartungsaufwand weiter zu optimieren. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine geregelte Anpassung der Systemsteifigkeit insbesondere bei Belastung mit Kippmomenten, beispielsweise beim Durchfahren von Kurven erreichbar ist. Im Vergleich zu konventionellen Planarmotoren wird eine signifikante Verringerung der Stromaufnahme der Magnetspulen und magnetischer Störfelder erreicht. Infolge geringerer Spulenerwärmung kann auf eine zusätzliche Spulenkühlung gegebenenfalls verzichtet werden. Dadurch können auch kostengünstigere Leistungsteile aufgrund der niedrigeren Stromstärke verwendet werden. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Movergehäuse, mehrere Permantmagnete, die mit dem Movergehäuse verbunden sind, erreicht, wobei die Permanentmagnete einen mittleren Bereich des Movers freilassen, und in dem mittleren Bereich zumindest eine Stützrolle, vorzugsweise eine Schwenkrolle, angeordnet ist. Die die Stützrolle umgebenden Permanentmagneten stellen zum einen eine gute Steuerbarkeit vorzugsweise in einer Ebene sowie um eine Rotation um die Normale dieser Ebene sicher. Die Stützrolle stellt die Aufnahme mechanischer Kräfte sicher. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem an den Bedarfsfall flexibel anpassbar. Es kann eine geregelte Führungssteifigkeit erzielt werden bei spielfreiem Transport. Die Vorrichtung ist weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Zudem kann eine prozesssichere Detektion von festen Schmutzablagerungen erfolgen. Weiterhin ist kein mechanisches Führungssystem erforderlich. Es finden nur geringe Geräuschemissionen statt. Weiterhin können negative Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen den Movern möglich werden, wie dies beispielsweise bei Überholvorgängen mehrerer Mover möglich ist. Auch die Wartungskosten sind entsprechend gering.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mover rechteckförmig ausgebildet ist, und die Permanentmagnete an vorzugsweise vier Außenseiten angeordnet sind. Diese Anordnung lässt sich besonders einfach fertigen und eignet sich zu den oben genannten Zwecken aufgrund eines symmetrischen Aufbaus.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stützrolle zumindest eine Schwenklagerung und eine hiermit befestigte Laufrolle umfasst. Diese Art der Stützrolle wird am besten den flexiblen Bewegungsabläufen des Movers gerecht, insbesondere bei Drehbewegungen um eine Achse senkrecht zur Antriebsfläche. Zudem sind solche Stützrollen auch für andere Anwendungen am Markt erhältlich.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zwischen dem Permanentmagneten und dem Movergehäuse zumindest ein Rückschlussmittel, vorzugsweise eine Eisenrückschlussplatte, angeordnet. Dies optimiert den Feldlinienverlauf für eine effektive Ansteuerung des Movers.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest eine Folie vorgesehen, die auf der Antriebsfläche zwischen Antriebsfläche und Mover angeordnet ist. Damit kann gerade bei der Lösung mit einer Stützrolle die Antriebsfläche zuverlässig mechanisch geschützt werden. Es erfolgt eine dichte Versiegelung der Antriebsfläche, wie dies für hygienische Anforderungen in der Pharma- oder Lebensmittelindustrie notwendig sein kann. Zudem tritt ein Stabilisierungseffekt der Mover auf infolge anfänglicher plastischer Verformungen sich bildenden Spurrillen. Dieser Umformprozess ist nach relativ kurzer Laufzeit bis zur Erreichung eines entsprechend vergrößerten Traganteils der Stützrollen abgeschlossen. Die Folie dämpft darüber hinaus Schwingungen und Laufgeräusche.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, die Folie als Kunststofffolie, insbesondere als sterilisierbare Kunststofffolie, aus insbesondere Polyetherimit, auszubilden. Diese Folienart ist besonders robust und gerade zur Sterilisierung mit verschiedenen Verfahren geeignet. Damit eignet sich diese Folienart gerade für Anwendungen im Pharma- bzw. Lebensmittelbereich mit hohen Hygieneanforderungen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebsfläche zumindest eine Parkzone umfasst, die sich durch Mittel auszeichnet, die eine geringere magnetische Kraft auf den Mover aufbringen können. Besonders bevorzugt umfasst die Antriebsfläche zumindest eine Parkzone mit einer separaten Abdeckfolie. Dadurch wird in einfacher Weise der Austausch der Folie möglich, da die Mover in den Parkbereich gebracht werden können, wo sie den Folienwechsel nicht behindern. In diesem Bereich können zudem die Mover beispielsweise zur Wartungszwecken oder ähnliches leicht von der Antriebsfläche entfernt werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist zumindest ein Fixiermittel, insbesondere zumindest eine Öffnung zur Einwirkung eines Unterdrucks an der Unterseite der Folie vorzugsweise im Bereich der Antriebsfläche, vorgesehen, über das die Folie fixiert werden kann. Zur lagerichtigen Fixierung der Folie sind im Randbereich diskrete, noppenförmige Formschlusselemente vorgesehen. Damit wird eine reibungslose Bewegung der Mover sichergestellt, die nicht durch verrutschende Folien blockiert wird. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Unterdruck der Öffnung abschaltbar ausgebildet ist, um die Folie austauschen zu können. Damit erhöht sich die Wartungsfreundlichkeit der Anordnung.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Systemdarstellung der Vorrichtung,
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2 eine perspektivische Darstellung des Movers in der Ansicht von oben,
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3 eine perspektivische Ansicht des Movers von unten sowie
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4 eine perspektivische Ansicht einer Stützrolle, mit der der Mover ausgerüstet ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein Mover 20 dargestellt mit einer rechteckförmigen Grundform. Eine Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13 besteht aus mehreren Einzelteilen bzw. Kacheln 16. Die Kacheln 16 sind quadratisch bzw. rechteckförmig ausgebildet. Die Kacheln 16 besitzen im Wesentlichen eine planare Oberfläche und sind schichtweise aufgebaut. So umfasst die Kachel 16 eine Spulenebene 18, eine Sensorebene 22 sowie eine Leistungselektronikebene 24. Weiterhin ist ein Bus-System 26 vorgesehen, welches die Kacheln 16 mit einem nicht dargestellten Zentralrechner bzw. Prozessor verbindet. Außerdem ist eine Spannungsversorgung 28 vorgesehen mit zugehörigen Anschlüssen, über die die Leistungselektronikebene 24 bzw. die Spulenebene 18 und/oder die Sensorebene 22 mit Energie versorgt werden kann. Eine Grundplattform 10 beschreibt das Basiselement, worunter der Systemträger bzw. ein Maschinengestell verstanden wird. Die Grundplattform 10 kann bereits Steuerungskomponenten und Leistungselektronik aufnehmen. Optional könnte auch bereits die Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13 Bestandteil der Grundplattform 10 sein. Auf der Oberfläche der Grundplattform 10 sind auf der Antriebsfläche 13 die relativ hierzu beweglichen Mover 20 angeordnet. Hierzu erzeugt die Antriebsfläche 13 bzw. die Trägerplatte 12 eine Antriebskraft, die auf den Mover 20 wirkt und ihn in die gewünschte Bewegung versetzt. Die stationäre Antriebsfläche 13 ist vorzugsweise planar ausgeführt. Der Mover 20 ist so angesteuert, dass er zumindest in zwei Freiheitsgraden verschiebbar und/oder drehbar ist. Damit lassen sich unterschiedliche Positionen in flexibler Weise anfahren. Ein mittlerer Bereich des Movers 20, an dessen Unterseite keine Permanentmagnete 19 angeordnet sind, dient der Aufnahme zumindest einer Stützrolle 34. Auch andere Movergeometrien wären denkbar wie beispielsweise kreisförmige, ovale oder ähnliches, die jedoch im mittleren Bereich 31 die Stützrolle 34 aufnehmen.
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Der Mover 20 beschreibt das bewegbare Element der Vorrichtung. Zum einen dient der Mover 20 der Erzeugung einer Relativbewegung gegenüber der Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13. Weiterhin erzeugt der Mover 20 eine Kraft gegenüber der Trägerplatte 12 bzw. Antriebsfläche 13. Hierzu umfasst der Mover 20 zumindest ein Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds, insbesondere Magnete, vorzugsweise einen Permanentmagneten 19, der mit einem Wanderfeld erzeugenden Spulen 18 der Trägerplatte 12 bzw. der Antriebsfläche 13 zur Bewegungserzeugung zusammenwirkt. Hierbei wird ein Luftspalt zwischen der Trägerplatte 12 bzw. der Antriebsfläche 13 und dem Mover 20 ausgebildet, so dass eine berührungslose Bewegung des Movers 20 relativ zur Antriebsfläche 13 erfolgen kann. Weiterhin kann der Mover 20 Mittel zur Erkennung einer Position aufweisen. In 1 ist eine Folie 40 angedeutet, die über die Antriebsfläche 13 gelegt werden kann. Gestrichelt ist weiterhin im vorderen Bereich der Antriebsfläche 13 eine Parkzone 42 skizziert.
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In einer Ansicht der 2 ist der Mover 20 perspektivisch in semitransparenter Ansicht von oben mit Blick auf eine Stützrolle 34, vorzugsweise eine Schwenkrolle dargestellt. An der Unterseite des Movers 20 sind mehrere Permanentmagnete 19 angeordnet. Die Magnetpole benachbarter Permanentmagnete 19 unterscheiden sich. Im Wesentlichen besteht die Unterseite aus vier Feldern mit jeweils mehreren Permanentmagneten 19 abwechselnder Polarität. Der mittlere Bereich 31 des Movers 20 weist keine Permanentmagnete 19 auf. In diesem mittleren Bereich 31 ist vielmehr die Stützrolle 34 vorgesehen. Die Unterseite der Stützrolle 34 steht bezogen auf die Unterseite des Movers 20, die von den Permanentmagneten 19 gebildet wird, über, so dass eine entsprechende mechanische Auflage des Movers 20 über die Stützrolle 34 auf der Antriebsfläche 13 möglich ist. Der Mover 20 weist zudem ein Movergehäuse 30 auf, welches zur Modellierung des Magnetfeldes oberhalb von Eisenrückschlussplatten 32, die wiederum über den Permanentmagneten 19 angeordnet sind, liegt. An dem Movergehäuse 30 ist auch die Stützrolle 34 schwenkbar gelagert befestigt.
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In 4 ist die als Schwenkrolle ausgeführte Stützrolle 34 noch genauer dargestellt. Sie besteht aus einer Schwenklagerung 38 und einer damit verbundenen vorzugsweise balligen Laufrolle 36. Die Schwenklagerung 38 ist analog eines Rillenkugellager ausgebildet. An ihrem Rand umfasst sie eine Vertiefung, zur Aufnahme der Wälzkörper z.B. Kugeln. Durch exentrische Anordnung der Laufrollenachse zur Schwenkachse wird eine Schwenkbewegung bzw. Ausrichtung der Stützrolle 34 in Fahrtrichtung ermöglicht. Die gewünschte stabile und belastbare Führung des Movers 20 wird durch regelbare Abstoßungs- und Anzugskräfte zwischen dem mit Permanentmagneten 19 bestückten Mover 20 und den gestellfesten Magnetspulen 18 im Stator der Antriebsfläche 13 erzielt. Zur Verringerung der Wirbelstromverluste und signifikanten Verstärkung der Magnetfelder sind die Magnetspulen 18 vorzugsweise mit geblechten Eisenkernen versehen. Durch die konstanten Anziehungskräfte der Permanentmagnete 19 ist auch bei einer impulsartigen oder anhaltenden Unterbrechung der Stromversorgung, z.B. bei einem Notstopp, eine prozesssichere Fixierung der Mover 20 gewährleistet. Die Magnetkräfte werden hierbei gemäß den 2 bis 4 von der zentralen Schwenkrolle 34 bzw. Stützrolle aufgenommen und in das gestellfeste Primärteil (Statorplatte) bzw. Antriebsfläche 13 eingeleitet.
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Für eine signifikante Steifigkeitserhöhung der Moverführung ist für die mechanische Kopplung des Movermittelpunkts mit dem gestellfesten Stator von besonderer Bedeutung. Hierfür ist im Movermittelpunkt (mittlerer Bereich 31) die schwenkbare Laufrolle 36 angeordnet. Alternativ könnte eine frei drehbare Kugelrolle eingesetzt werden.
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Für die Konstanthaltung der Moverluftspalte ist es erforderlich, die magnetischen Feldstärken der von den Movern 20 temporär überdeckten Magnetspulen 18 lastabhängig, individuell anzupassen. Für die Feldregelung können zur Erfassung der aktuellen Luftspalte gestellfeste Hallsensoren vorgesehen sein. Die aktuellen Moverpositionen können vorzugsweise durch geeignete berührungslose Linearmesssysteme in x- und y-Richtung mit einer Auflösung von 0,01 mm und extrem kleiner Taktzeit absolut bestimmt werden. Hierzu können in der Kachel 16 entsprechende Positionssensoren 22 vorgesehen sein.
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Bei Kontrollfahrten mit niedriger Geschwindigkeit und möglichst kleinen Kippmomenten lassen sich anhaftende Verunreinigungen an der Schwenkrolle bzw. Statoroberfläche über kontinuierliche Messung der Moverluftspalte prozesssicher identifizieren.
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Zum Schutz der empfindlichen Oberfläche der Antriebsfläche 13 (Stator) ist eine als Verschleißteil ausgebildete ca. 1 mm dicke sterilisierbare Folie 40, vorzugsweise eine Kunststofffolie, vorgesehen. Die Folie 40 kann besonders bevorzugt aus Polyetherimid (PEI) bestehen. Die Folie 40 kann über einen minimalen Unterdruck an die Oberfläche der Antriebsfläche 13 angesaugt werden. Beispielsweise Vakuumöffungen dienen als Fixiermittel, um die Folie 40 im laufenden Betrieb einerseits unverrückbar zu fixieren, andererseits jedoch einen Austausch zu ermöglichen. Bei Abschaltung des Planarantriebs wird die Folie 40 durch die konservativen Lagerkräfte der Mover 20 unverrückbar fixiert.
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Zum Austausch der Folie 40 werden alle Mover 20 in eine mit einem unabhängigen, nicht mit der Folie 40 verbundenen, Folienstreifen abgedeckte Parkzone 42 verfahren. Die Schutzfolie 40 kann dann bei abgeschaltetem Unterdruck oder Vakuum problemlos ausgetauscht werden. Zur Erleichterung des Moveraustauschs und sicheren Vermeidung der Quetschgefahr sind die Eisenrückschlüsse der gestellfesten Magnetspulen 18 im Bereich der Parkzone 42 deutlich schwächer ausgebildet als in den Bereichen der aktiven Antriebsflächen 13.
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Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Statorversiegelung lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- – Signifikant geringere Stromaufnahme der Statorspulen durch festen Abstützpunkt im Moverzentrum
- – Signifikante Erhöhung der Führungssteifigkeit der Mover bei dynamischen bzw. statischen Kippmomenten
- – Detektierung von Verunreinigungen auf der Folie bzw. Stützrolle durch Überwachung der Moverluftspalte
- – Hermetisch dichte Versiegelung der Antriebsflächen 13
- – Leicht austauschbar
- – Mechanischer Schutz der Antriebsfläche 13
- – Zusätzlicher Stabilisierungseffekt der Mover 20 durch die infolge anfänglicher plastischer Verformungen sich bildenden Spurrillen. Dieser Umformprozess ist nach relativ kurzer Laufzeit bis zur Erreichung eines entsprechend vergrößerten Traganteils der Stützrollen 34 abgeschlossen.
- – Dämpfung von Schwingungen und Laufgeräuschen.
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Die Vorrichtung ist Bestandteil eines flexiblen Transportsystems für unterschiedliche Transportanwendungen, insbesondere in der Verpackungstechnik von beispielsweise Pharmazeutika oder Lebensmittel. Die Verwendung ist hierauf jedoch nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/138448 [0002]
- DE 102007025822 A1 [0003]
