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Die Erfindung betrifft eine Greifeinrichtung mit einem ersten und zweiten magnetischen Greifer sowie dritter Magneteinrichtung zur Ausübung von Tragkräften und Greifkräften zur zeitweiligen Festlegung eines Werkstücks.
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Greifeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Weise bekannt. Üblicherweise sind die bekannten Greifeinrichtungen aus formstabilen Komponenten hergestellt und weisen Einstellmittel auf, um eine Anpassung an unterschiedlich geformte Werkstücke sowie eine Einstellung von Greifkräften auf das zu greifende Werkstück zu ermöglichen. Sofern das zu greifende Werkstück druckempfindlich sein sollte, können auch elastische Greifmittel eingesetzt werden, die in unmittelbaren Kontakt mit dem zu greifenden Werkstück stehen und die eine Begrenzung von Greifkräften, die auf das Werkstück ausgeübt werden, gewährleisten sollen.
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Exemplarisch ist hierzu die
DE 10 2007 017 417 B4 zu nennen, die eine mehrgliedrige Aktuatoreinheit mit mehreren in einer Reihe aufeinanderfolgend angeordneten biegesteifen Arbeitsglieder offenbart, wobei die Arbeitsglieder unter Bildung einer Gliederkette derart gelenkig miteinander verkettet sind, dass sie in einer Arbeitsebene relativ zueinander verschwenkbar sind und wobei sich entlang mindestens eines mehrere der Arbeitsglieder enthaltenden Gliederverbundes ein biegeflexibles Zugelement erstreckt, das an dem mindestens einen Gelenkbereich des Gliederverbundes vorbeiläuft, so dass seine eine Zugkraft hervorrufende Aktivierung ein Krümmen dieses Gliederverbundes herbeiführen kann, wobei das Zugelement von einem mittels Fluidkraft betätigbaren, einen sich bei Fluidbeaufschlagung seines Innenraumes verkürzenden Kontraktionsschlauch aufweisenden Kontraktionsantrieb gebildet ist, wobei die Aktuatoreinheit einen beweglichen Finger bilden kann und aus mehreren, insbesondere fingerartig gestaltete Aktuatoreinheiten beispielsweise die Finger einer menschlichen Hand nachgebildet werden können.
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Die
DE 20 2013 003 510 U1 offenbart eine Manipulatorvorrichtung mit einem an einer Positioniereinrichtung angeordneten Manipulatorkopf, der eine erste Komponente in Form einer zur mechanischen Verbindung mit der Positioniereinrichtung dienenden Halteeinheit und eine zweite Komponente in Form eines von der Halteeinheit gehaltenden Endeffektors aufweist und wobei eine der beiden Komponenten eine aus supraleitendem Material bestehende supraleitende Kopplungseinheit mit einer zugeordneten, eine Kühlung bis mindestens zur Sprungtemperatur des supraleitenden Materials ermöglichenden Kühleinrichtung aufweist und die andere der beiden Komponenten eine permanentmagnetische Kopplungseinheit aufweist, wobei der Endeffektor durch Interaktion der beiden Kopplungseinheiten unter Belassung eines definierten Luftspaltes berührungslos von der Halteeinheit gehalten ist.
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Aus der
DE 198 08 738 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Lagerung von Massen, Messaufbauten oder Produktionsvorrichtungen bekannt, bei der eine Kombination aus Magneten und mindestens zwei unterschiedlichen Supraleitermaterialien, welche aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften eine gezielte Beeinflussung des Schwingungs- bzw. Dämpfungsverhaltens des Gesamtsystems ermöglichen, vorgesehen ist.
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Die
JP H07-45429 A offenbart eine Vorrichtung, bei der ein bewegliches Teil mit einem Permanentmagneten ausgerüstet wird und ein Hochtemperatur-Supraleiter an einem festen Teil angeordnet wird. Um eine Spaltsteuerung zu bewirken, ist ein Elektromagnet vorgesehen, mit dem ein Betrag eines magnetischen Flusses gesteuert wird, der an einer dem Permanentmagneten abgewandten Oberfläche an den Hochtemperatursupraleiter bereitgestellt wird.
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Aus der
US 5 631 618 A ist eine Elektromagnetanordnung bekannt, die sich in einer ersten Richtung erstreckt und eine Dickenabmessung in einer zweiten Richtung aufweist, wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung ist, und wobei die Elektromagnetanordnung die folgenden Komponenten umfasst: eine Vielzahl von benachbarten Elektromagnetsegmenten, die sich in mindestens einer Dimension mit einem ausgewählten Wicklungsmuster erstrecken und eine Einrichtung zum selektiven Anlegen eines variierenden Stroms an die Wicklungen des elektromagnetischen Segments, wobei die Wicklungsmuster derart sind, daß die Stromdichte für die Segmente sowohl in der ersten als auch in der zweiten Richtung variiert.
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Die
US 5 270 678 A offenbart ein magnetisches Spannfutter, das ein Paar von langgestreckten Polelementen umfasst, um einen magnetischen Kontakt mit einem Werkstück entlang paralleler Linien zu schaffen. Vorzugsweise sind die Enden der Polelemente segmentiert und ermöglichen eine Höhenverstellung, um Werkstücke aufzunehmen, die nicht vollständig flach sind. Die Polelemente erstrecken sich entlang der Seiten einer länglichen Basisplatte mit einem Raum dazwischen. Zwischen jedem Polelement und der Basisplatte liegt eine relativ dünne Schicht aus permanentmagnetischem Material, die der Entmagnetisierung widersteht. Ein schaltbarer permeabler Magnet ist zwischen den Polelementen oberhalb der Basisplatte vorgesehen und ist von einer Spule umgeben, die dazu vorgesehen ist, die Polarisation der Polenden entweder zu unterstützt oder zu reduzieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Greifeinrichtung bereitzustellen, mit der ein kraftbegrenztes Ergreifen von Werkstücken ermöglicht wird, ohne dass hierzu die Greifmittel aus elastischem Material hergestellt sein müssen.
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Diese Aufgabe wird für eine Greifeinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei umfasst die Greifeinrichtung einen ersten Greifer, der für eine Einleitung einer Greifkraft auf ein Werkstück ausgebildet ist und der eine erste Magneteinrichtung umfasst, einen zweiten Greifer, der für eine Einleitung einer Greifkraft auf ein Werkstück ausgebildet ist und der eine zweite Magneteinrichtung umfasst, eine dritte Magneteinrichtung, die für magnetische Wechselwirkungen mit der ersten und der zweiten Magneteinrichtung zur Ausübung von Tragkräften und Greifkräften auf die erste und zweite Magneteinrichtung ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Magneteinrichtung unterschiedliche magnetische Magnetfeldlinienverläufe einer jeweils zugeordneten Permanentmagnetanordnung und/oder Magnetspulenanordnung und/oder unterschiedliche Magnetfeldprägungen eines Supraleiters aufweisen und wobei die dritte Magneteinrichtung einen Magnetfeldlinienverlauf einer Permanentmagnetanordnung und/oder einer Magnetspulenanordnung und/oder eine Magnetfeldprägung aufweist, die derart an die erste und zweite Magneteinrichtung angepasst sind, dass die erste und die dritte Magneteinrichtung ein Festlager bilden und dass die zweite und die dritte Magneteinrichtung ein Loslager bilden. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass die Greifeinrichtungen auf das dasselbe Werkstück wirken.
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Bei einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Magneteinrichtung und die zweite Magneteinrichtung jeweils eine Permanentmagnetanordnung und/oder eine Magnetspulenanordnung umfassen, wobei die erste Magneteinrichtung einen anderen Magnetfeldlinienverlauf als die zweite Magneteinrichtung aufweist. Ferner ist bei dieser ersten Ausführungsform vorgesehen, dass die dritte Magneteinrichtung einen Supraleiter umfasst, dessen Magnetfeldprägung, also eine im Supraleiter gewissermaßen gespeicherte Feldlinienverteilung eines bei einer Abkühlung des Supraleiters auf oder unter seine Sprungtemperatur einwirkenden Magnetfelds, die auch als Pinning bezeichnet werden kann, auf die unterschiedlichen Magnetfeldlinienverläufe der ersten und zweiten Magneteinrichtungen angepasst ist. Aufgrund der magnetischen Wechselwirkungen zwischen der ersten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung wird ein Festlager gebildet, bei dem innerhalb eines vorgebbaren Greifkraftintervalls lediglich geringfügige Relativbewegungen zwischen der ersten und der dritten Magneteinrichtung möglich sind und erst bei Überschreitung des Greifkraftintervalls eine Verlagerung der ersten Magneteinrichtung gegenüber der dritten Magneteinrichtung in eine neue Vorzugsposition erfolgen kann. Aufgrund der magnetischen Wechselwirkungen zwischen der zweiten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung wird ein Loslager gebildet, bei dem in genau einer Raumrichtung eine freie Linearbeweglichkeit der zweiten Magneteinrichtung gegenüber der dritten Magneteinrichtung vorliegt, während in allen anderen Raumrichtungen allenfalls geringfügige Relativbewegungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen möglich sind, da ansonsten Reaktionskräfte des Supraleiters auftreten, die weitergehende Relativbewegungen abseits der genau einen Raumrichtung zumindest innerhalb eines vorgebbaren Kraftintervalls unterbinden. Hierdurch kann eine vorteilhafte Greifeinrichtung gebildet werden, bei der der erste Greifer ortsfest elastisch gelagert ist und der zweite Greifer durch eine geeignete Antriebseinrichtung relativ zum ersten Greifer verlagert werden kann, damit die beiden Greifer das zu greifende Werkstück einspannen bzw. freigeben können.
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Bei einer alternativen zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Magneteinrichtungen der Greifer jeweils einen Supraleiter aufweisen und die dritte Magneteinrichtung mit der Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetspulenanordnung ausgestattet ist. Dabei unterscheiden sich die Magnetfeldprägungen der beiden Supraleiter im Hinblick auf den jeweiligen Magnetfeldlinienverlauf, der während der Abkühlung der Supraleiter durch eine externe Magneteinrichtung auf die jeweiligen Supraleiter eingeprägt wird. Während die erste Magneteinrichtung auf einen Magnetfeldlinienverlauf eines ersten Teilbereichs der dritten Magneteinrichtung angepasst ist und mit diesem Teilbereich ein Festlager bildet, ist die zweite Magneteinrichtung auf einen Magnetfeldlinienverlauf eines zweiten Teilbereichs der dritten Magneteinrichtung angepasst und bildet mit diesem Teilbereich ein Loslager mit genau einem linearen Freiheitsgrad der Bewegung. Hierdurch wird ebenfalls eine vorteilhafte Greifeinrichtung gebildet, bei der der erste Greifer ortsfest elastisch gelagert ist und der zweite Greifer durch eine geeignete Antriebseinrichtung relativ zum ersten Greifer verlagert werden kann, um das zu greifende Werkstück einzuspannen bzw. freizugeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Greifeinrichtung ist vorgesehen, dass der oder die Supraleiter für einen Betrieb der Greifeinrichtung auf oder unter einer Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des Supraleiters temperiert wird oder werden und dass der oder die Supraleiter während einer Abkühlung auf oder unter die Sprungtemperatur mit wenigstens einem externen Magnetfeld beaufschlagt werden, dessen Magnetfeldlinienverlauf dem Magnetfeldlinienverlauf der wenigstens einen Magneteinrichtung entspricht, die die Permanentmagnetanordnung und/oder die Magnetspulenanordnung aufweist. Durch diese Maßnahme wird in dem supraleitenden Material der Magnetfeldlinienverlauf des wenigstens einen externen Magnetfelds gewissermaßen „gespeichert”, wobei dieser Speichervorgang auch als „Pinning” bezeichnet wird und darin resultiert, dass nachfolgend bei Aufrechterhaltung der Temperierung auf oder unterhalb der Sprungtemperatur für den Supraleiter magnetische Wechselwirkungen zwischen dem Supraleiter der einen Magneteinrichtung und der Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetspulenanordnung der anderen Magneteinrichtung auftreten. Diese Wechselwirkungen gestalten sich derart, dass der Supraleiter exakt diejenige Position gegenüber der anderen Magneteinrichtung anstrebt, die seiner Position gegenüber dem externen Magnetfeld während des Abkühlungsvorgangs entspricht. Bei geeigneter Anordnung dieses externen Magnetfelds nimmt der Supraleiter einen vorgebbaren, konstanten Abstand, der auch als Schwebespalt bezeichnet wird, gegenüber der anderen Magneteinrichtung ein. Der Schwebespalt ermöglicht eine reibungsfreie Relativbewegung zwischen den beiden Magneteinrichtungen. Zudem kann vorgesehen sein, die beiden Magneteinrichtungen in unterschiedlichen Raumabschnitten anzuordnen, die durch eine Trennwand voneinander abgetrennt sind, wobei die Trennwand im Schwebespalt angeordnet werden kann, sofern sie keine oder nur geringe Beeinträchtigungen hinsichtlich der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen mit sich bringt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung der ersten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung für eine relative Positionierung der ersten Magneteinrichtung gegenüber der dritten Magneteinrichtung in wenigstens einer Vorzugsposition, insbesondere in wenigstens zwei unterschiedlichen und gleichwertigen Vorzugspositionen, ausgebildet sind.
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In der wenigstens einen Vorzugsposition treten stärkere magnetische Wechselwirkungen als in anderen relativen Positionen der beiden Magneteinrichtungen auf, so dass die erste und die dritte Magneteinrichtung anstreben, diese Vorzugsposition relativ zueinander einzunehmen. Bei einer Auslenkung des ersten Greifers aus dieser Vorzugsposition treten Reaktionskräfte des Supraleiters hervor, die dieser Auslenkung entgegenwirken. Dementsprechend wird eine Greifkraftaufbringung auf ein Werkstück ermöglicht, wobei aufgrund der magnetischen Kopplung der ersten und der dritten Magneteinrichtung eine gewisse Elastizität vorliegt, die sich vorteilhaft auf den Greifvorgang auswirkt. Ferner können die erste und die dritte Magneteinrichtung jeweils Greifkräfte nur bis zu einer konstruktiv bedingten maximalen Greifkraft auf das Werkstück ausüben, so dass die Greifeinrichtung einen inhärenten Überlastschutz für das Werkstück aufweist. Diese Eigenschaft der Greifeinrichtung ist insbesondere dann von Interesse, wenn eine mechanische Bearbeitung des Werkstücks vorgesehen ist, bei der möglicherweise auftretende Kraftspitzen während der Bearbeitung zu einer Beschädigung des Werkstücks führen könnten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung der ersten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung in wenigstens einer Raumrichtung, vorzugsweise in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, eine regelmäßige Teilung aufweisen. Hierdurch können die beiden Magneteinrichtungen in zumindest einer Raumrichtung, vorzugsweise in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, in einer Vielzahl von Vorzugspositionen angeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sämtliche Vorzugspositionen zumindest nahezu, insbesondere vollständig, gleichwertig sind.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magneteinrichtungen einander gegenüberliegende, vorzugsweise geometrisch ähnliche, insbesondere ebene, Oberflächenbereiche aufweisen und aufgrund der Tragkräfte durch einen Schwebespalt voneinander beabstandet sind. Durch diese Maßnahme kann gewährleistet werden, dass homogene magnetische Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen vorliegen, um eine vorteilhafte räumliche Ausrichtung der Magneteinrichtungen zueinander zu gewährleisten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung der ersten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung zumindest bereichsweise entsprechend einem Halbach-Array ausgebildet sind. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Gestaltung der beiden Magneteinrichtungen erreichen, da bei Ausgestaltung des Magnetfeldlinienverlaufs und der Magnetfeldprägung gemäß einem Halbach-Array besonders hohe lokale Flussdichten auf kleinem Raum erzielt werden können. Bei einer Grundform des Halbach-Array ist vorgesehen, flusserzeugende Komponenten wie Permanentmagnete und/oder Magnetspulen in einer vorgegebenen Ausrichtung zueinander anzuordnen, bei der benachbarte flusserzeugende Komponenten zu einer gegenseitigen Flussverstärkung führen und damit die gewünschten hohen lokalen Flussdichten gewährleisten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung der zweiten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung für eine freie lineare Positionierung der zweiten Magneteinrichtung gegenüber der dritten Magneteinrichtung ausgebildet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zweite und die dritte Magneteinrichtung jeweils längs der vorgesehenen Bewegungsachse erstreckte Magnetbereiche aufweisen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die dem zweiten Greifer zugeordneten Magnetbereiche, insbesondere Magnetprägebereiche, längs der Bewegungsachse eine größere Ausdehnung aufweisen als die Magnetbereiche der dritten Magneteinrichtung.
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Vorteilhaft ist es, wenn die erste Magneteinrichtung eine erste Permanentmagnetanordnung und/oder eine erste Magnetspulenanordnung mit dem vorgebbaren Magnetfeldlinienverlauf umfasst und wenn die zweite Magneteinrichtung eine zweite Permanentmagnetanordnung und/oder eine zweite Magnetspulenanordnung mit dem vorgebbaren Magnetfeldlinienverlauf umfasst und wenn die dritte Magneteinrichtung den Supraleiter mit den beiden unterschiedlich ausgebildeten Magnetprägebereichen umfasst. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Greifeinrichtung ist lediglich eine Kühlung der vorzugsweise ortsfest ausgebildeten, dritten Magneteinrichtung erforderlich. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der dritten Magneteinrichtung eine Kühleinrichtung, insbesondere eine elektrische Kühleinrichtung, zugeordnet ist. Dabei kann es sich vorzugsweise um einen elektrisch betriebenen Stirling-Motor handeln, der zur Wärmeabfuhr aus dem Supraleiter vorgesehen ist. Bei einer Ausgestaltung der ersten und zweiten Magneteinrichtung ausschließlich mit Permanentmagneten benötigen diese keine eigenständige Energieversorgung. Sofern wenigstens einer dieser Magneteinrichtungen eine Magnetspulenanordnung zugeordnet sein sollte, ist hierfür hingegen eine Versorgung mit elektrischer Energie vorzusehen, die vorzugsweise von einer Ansteuereinrichtung bereitgestellt wird, die für eine selektive oder globale Ansteuerung der jeweiligen Magnetspulen ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Supraleiter wenigstens eine Magnetspule zugeordnet ist, die für eine Beeinflussung der magnetischen Wechselwirkungen mit wenigstens einer der anderen Magneteinrichtungen, insbesondere zur Veränderung der Tragkraft und/oder der Greifkraft, ausgebildet ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, während einer Einspannung des Werkstücks einen Einfluss auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magneteinrichtungen zu nehmen, um den Einspannvorgang zu erleichtern, insbesondere durch Reduzierung der Greifkraft mit Hilfe eines magnetischen Gegenfelds zur Schwächung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magneteinrichtungen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem zweiten Greifer eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die für eine Relativbewegung der zweiten Magneteinrichtung gegenüber der ersten Magneteinrichtung und der dritten Magneteinrichtung ausgebildet ist. Hiermit kann eine Veränderung der zwischen dem ersten und dem zweiten Greifer auftretenden Greifkräfte und/oder eine Verlagerung des in der Greifeinrichtung aufgenommenen Werkstücks zwischen unterschiedlichen Bearbeitungspositionen vorgenommen werden, wobei diese Bearbeitungspositionen vorteilhaft den Vorzugspositionen der beiden Magneteinrichtungen zueinander entsprechen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung für eine kontaktlose Einkopplung von Antriebskräften auf den zweiten Greifer ausgebildet ist und eine Magnetspulenanordnung sowie eine Permanentmagnetanordnung umfasst, die für eine Bereitstellung von Antriebskräften an den zweiten Greifer ausgebildet sind. Hierdurch kann die gewünschte Verlagerung des zweiten Greifers relativ zur dritten Magneteinrichtung in gleicher Weise unter Einhaltung eines Spalts, in dem insbesondere eine Trennwand angeordnet ist, vorgenommen werden. Dabei sind die Magnetspulenanordnung und die Permanentmagnetanordnung der Antriebseinrichtung in der Art eines elektrischen Linearantriebs oder Drehantriebs ausgebildet und der Magnetspulenanordnung ist eine Ansteuereinrichtung zur Bereitstellung von Spulenströmen zugeordnet, die für eine Steuerung oder Regelung der relativen Lage des Greifers gegenüber der dritten Magneteinrichtung ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Ausdehnung einer der dritten Magneteinrichtung zugewandten Oberfläche der ersten und zweiten Magneteinrichtung kleiner als eine Ausdehnung einer der ersten und zweiten Magneteinrichtung zugewandten Oberfläche der dritten Magneteinrichtung ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte Gestaltung des Greifers ermöglicht, der sich mit seiner zugeordneten Magneteinrichtung über die flächenmäßig größer ausgebildete dritte Magneteinrichtung zwischen den unterschiedlichen Vorzugspositionen bewegen kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Greifeinrichtung mit einem ersten Greifer, dem eine erste Magneteinrichtung zugeordnet ist, mit einem zweiten Greifer, dem eine zweite Magneteinrichtung zugeordnet ist, sowie mit einer als Grundkörper ausgebildeten dritten Magneteinrichtung,
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2 eine Draufsicht auf einen Magnetfeldlinienverlauf, wie er für die dritte Magneteinrichtung gemäß der 1 vorgesehen ist,
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3 eine Draufsicht auf einen Magnetfeldlinienverlauf, wie er für die erste Magneteinrichtung gemäß der 1 vorgesehen ist,
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4 eine Variante für die dritte Magneteinrichtung, bei der bereichsweise zwischen den Magnetprägebereichen Magnetspulen angeordnet sind, und
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5 eine Ansicht von unten auf den zweiten Greifer mit zugeordneter Antriebseinrichtung.
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Die 1 zeigt eine Greifeinrichtung 1, die zur zeitweiligen Festlegung eines nicht dargestellten Werkstücks ausgebildet ist und die einen ersten Greifer 2 zur Einleitung einer Greifkraft auf das nicht dargestellte Werkstück mit einer ersten Magneteinrichtung 3, einen zweiten Greifer 4 zur Einleitung einer Greifkraft auf das nicht dargestellte Werkstück mit einer zweiten Magneteinrichtung 5 sowie eine dritte Magneteinrichtung 6 umfasst. Die Magneteinrichtungen 3, 5, 6 sind für magnetische Wechselwirkungen zur Ausübung von Tragkräften und Greifkräften auf die Greifer 2, 4 und das gegebenenfalls von den Greifern 2, 4 gehaltene, nicht dargestellte Werkstück ausgebildet.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die erste Magneteinrichtung 3 eine Permanentmagnetanordnung 7 mit einem vorgebbaren Magnetfeldlinienverlauf 8 umfasst, wie er in der 3 näher dargestellt ist, und dass die zweite Magneteinrichtung 5 eine Permanentmagnetanordnung 9 mit einem vorgebbaren Magnetfeldlinienverlauf 10 umfasst, wie er in der 5 näher dargestellt ist.
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Beispielhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die dritte Magneteinrichtung 6 einen Supraleiter 11 aufweist, der mit einer auf die Magnetfeldlinienverläufe 8 und 10 der Permanentmagnetanordnungen 7 und 9 gemäß der 2 angepassten Magnetfeldprägung 12 versehen ist.
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Die Magneteinrichtungen 3, 6 sind hinsichtlich ihres Magnetfeldlinienverlaufs 8 und ihrer Magnetfeldprägung 12 derart aufeinander angepasst, dass die erste Magneteinrichtung 3 gegenüber der dritten Magneteinrichtung 6 in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen 15, 16 jeweils Vorzugspositionen zueinander einnehmen kann, die jeweils in konstanter Teilung 18, 19 längs der jeweiligen Raumrichtungen 15, 16 angeordnet sind.
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Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die dritte Magneteinrichtung 6, die den Supraleiter 11 umfasst, an einer Kühleinrichtung 20 aufgenommen ist, die beispielhaft quaderförmig ausgebildet ist und in der ein oder mehrere nicht näher dargestellte, insbesondere elektrisch betreibbare, Kühlaggregate untergebracht sind, um den Supraleiter 11 auf oder unterhalb seiner Sprungtemperatur zu temperieren. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Supraleiter 11 um eine ebene Platte aus einem Werkstoff, der bei Abkühlung auf oder unter eine materialspezifische Sprungtemperatur supraleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise Yttriumbariumkupferoxid (YBCO). Dementsprechend ist eine Kühlung des Supraleiters 11 auf eine Temperatur unterhalb von 92 Kelvin erforderlich, um die supraleitenden Eigenschaften dieses exemplarisch angeführten Materials nutzen zu können.
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Durch die nachstehend näher beschriebene Ausgestaltung des Magnetfeldlinienverlaufs 8 und der Magnetfeldprägung 12 schwebt der erste Greifer 2 in einer dritten Raumrichtung 17, insbesondere im Abstand von einigen Millimetern, oberhalb des Supraleiters 11 und kann beispielsweise durch manuelle Einwirkung eines nicht dargestellten Bedieners zwischen den unterschiedlichen Vorzugspositionen, die mit Teilungen 18, 19 längs der Raumrichtungen 15, 16 angeordnet sind, bewegt werden. In der jeweiligen Vorzugsposition stellt sich eine besonders starke magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Magneteinrichtungen 3, 6 ein, so dass die beiden Magneteinrichtungen 3, 6 stets bestrebt sind, diese Vorzugsposition beizubehalten. Bei einer Auslenkung der ersten Magneteinrichtung 3 gegenüber der dritten Magneteinrichtung 6 stellt der Supraleiter 11 unter der Voraussetzung einer geeigneten Magnetfeldprägung 12, die lediglich bei Einhaltung oder Unterschreitung der materialspezifischen Sprungtemperatur aufrechterhalten wird, Reaktionskräfte bereit, durch die die ursprüngliche Vorzugsposition wieder erreicht werden soll. Dieser Effekt kann zur Aufbringung von Greifkräften genutzt werden, indem der erste Greifer 2 für die Einspannung des nicht dargestellten Werkstücks aus seiner jeweiligen Vorzugsposition ausgelenkt wird und dadurch die gewünschte Greifkraft aufgrund der Rückstellungswirkung des Supraleiters 11 aufbringen kann. Somit bildet der erste Greifer 2 mit der dritten Magneteinrichtung 6 ein elastisches Festlager, das Greifkräfte bis zu einer konstruktiv bedingten, durch die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magneteinrichtungen 3, 6 begrenzten Greifkraft-Intervallgrenze aufnehmen kann. Hierzu weist der Supraleiter 11 der dritten Magneteinrichtung 6 einen in 2 dargestellten Teilbereich 23 der Magnetfeldprägung 12 auf, der den Magnetfeldlinienverlauf 8 des ersten Greifers 2 abbildet, wobei der Teilbereich 23 eine größere Oberfläche aufweist als die erste Magneteinrichtung 3 des ersten Greifers 2. Hierdurch wird ermöglicht, dass der erste Greifer 2 sowohl in der Raumrichtung 15 als auch in der Raumrichtung 16 mehrere Vorzugspositionen einnehmen kann. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform entspricht die Oberfläche des Teilbereichs der Magnetfeldprägung exakt der Oberfläche der ersten Magneteinrichtung, wodurch ein Festlager mit genau einer Vorzugsposition gebildet wird.
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Rein exemplarisch umfasst der erste Greifer 2 ein Greifmittel 21, das beispielhaft als L-förmiger Ausleger aus einem formstabilen Material, beispielsweise einem Metall, hergestellt ist. An einer Stirnseite des Greifmittels 21 ist eine prismatische Ausnehmung 22 ausgebildet, mit der ein vorteilhaftes Greifen des nicht näher dargestellten Werkstücks erfolgen kann.
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Der zweite Greifer 4 mit der zugeordneten Magneteinrichtung 5 ist hingegen zur Ausbildung eines Loslagers mit einem, insbesondere genau einem, linearen Freiheitsgrad der Bewegung gegenüber der dritten Magneteinrichtung 6 vorgesehen und weist hierzu die in 5 näher dargestellte Permanentmagnetanordnung 9 auf. Diese Permanentmagnetanordnung 9 umfasst exemplarisch drei Stabmagnete 25, deren längste Kante 26 parallel zu einer Bewegungsrichtung ausgerichtet ist, die durch einen Bewegungspfeil 27 dargestellt ist. Rein exemplarisch sind jeweils benachbart angeordnete Stabmagnete 25 mit gegensinniger Polung zueinander ausgerichtet. Der von den Stabmagneten 25 hervorgerufene Magnetfeldlinienverlauf 10, wie er schematisch in der 5 dargestellt ist, findet sich in einem zweiten Teilbereich 24 der Magnetfeldprägung 12 für den Supraleiter 11 wieder, wie dies in der 2 dargestellt ist. Durch diese exemplarische Gestaltung der zweiten Magneteinrichtung 5 und des Teilbereichs 24 der Magnetfeldprägung 12 wird ein Loslager mit genau einem linearen Freiheitsgrad der Bewegung bereitgestellt, so dass der zweite Greifer 4, der ebenfalls mit einem nicht dargestellten Schwebespalt über den Supraleiter 11 schwebt, reibungsfrei längs des Bewegungspfeils 27 verschoben werden kann.
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Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist der Supraleiter 11 mit einer Magnetfeldprägung 12 versehen, die in die beiden Teilbereiche 23 für das Festlager und 24 für das Loslager aufgeteilt ist. Dabei können die Teilbereiche 23, 24 während der Abkühlung des Supraleiters 11 auf oder unter seine Sprungtemperatur durch Auflegen von entsprechend ausgerichteten Stabmagneten mit Magnetprägebereichen versehen werden, die an die Magnetfeldlinienverläufe 8, 10 der beiden Greifer 2, 4 angepasst sind.
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Jedes der in 2 dargestellten kleinen Kästchen repräsentiert exemplarisch einen Stabmagneten 28, der beispielsweise aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt ist und der einen entsprechenden Magnetprägereich in den Supraleiter 11 einprägen kann. Die Buchstaben N und S bezeichnen den Nordpol bzw. Südpol und damit einen senkrecht zur Darstellungsebene gemäß der 2 ausgerichteten magnetischen Fluss eines derartigen Stabmagneten 28. Die Richtungspfeile 30 bezeichnen jeweils einen parallel zur Darstellungsebene der 2 ausgerichteten magnetischen Fluss eines entsprechend ausgerichteteten Stabmagnets 28. Durch die Anordnung der Stabmagnete 28 in der Art eines Halbach-Array lässt sich eine besonders kompakte Anordnung unterschiedlicher magnetischer Flußrichtungen und somit einen besonders vorteilhaften Magnetfeldlinienverlauf für den ersten Teilbereich 23 erzielen, der in den Supraleiter 11 während seiner Abkühlung auf oder unter seine Sprungtemperatur eingeprägt werden kann.
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Der zweite Teilbereich 24 der Magnetfeldprägung 12 wird in identischer Weise durch Auflegen von Stabmagneten 25 entsprechend dem zweiten Greifer 4 während der Abkühlung des Supraleiters 11 auf oder unter seine Sprungtemperatur als Magnetfeldprägung 12 in den Supraleiter 11 eingeprägt.
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Der in der 3 dargestellte erste Magnetfeldlinienverlauf 8 für die Permanentmagnetanordnung 7 des Greifers 2 ist in korrespondierender Weise zur Magnetfeldprägung 12 des ersten Teilbereichs 23 gemäß der 2 ausgebildet und umfasst exemplarisch eine Anordnung von Stabmagneten 31, die als Halbach-Array angeordnet sind. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass zwischen den Stabmagneten 31 auch Lücken vorgesehen sind, die bei der Ausführungsform gemäß der 3 beispielhaft mit Füllelementen 32, beispielsweise aus Kunststoffmaterial oder Aluminium, ausgefüllt werden können, um an einer Unterseite des in 1 dargestellten Greifers 2 eine ebene Oberfläche 33 der ersten Magneteinrichtung 3 zu gewährleisten.
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Bei einer in 4 dargestellten Variante für die dritte Magneteinrichtung 36 sind zwischen den Magnetprägebereichen 37 in den jeweiligen Lücken Magnetspulen 38 angeordnet, die jeweils separat mit einer, insbesondere in der Kühleinrichtung 20 integrierten, nicht dargestellten Ansteuereinrichtung elektrisch verbunden sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Supraleiter in der Art eines Lochblechs mit regelmäßig angeordneten Ausnehmungen ausgebildet ist, wobei die Magnetspulen 38 in den Ausnehmungen angeordnet sind. Mit Hilfe der nicht dargestellten Ansteuereinrichtung kann jede der Magnetspulen 38 einzeln elektrisch angesteuert werden, um wahlweise eine Abschwächung oder Verstärkung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen der dritten Magneteinrichtung 36 und dem Greifer 2 mit der zugeordneten Magneteinrichtung 3 bewirken zu können. Mit dieser Maßnahme kann beispielsweise bedarfsgerecht eine Verstärkung der Greifkraft zur Durchführung eines mechanischen Bearbeitungsprozesses am gegriffenen Werkstück oder eine Abschwächung der Greifkraft für ein Einspannen oder Ausspannen des Werkstücks hervorgerufen werden.
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Vorzugsweise sind die Magnetspulen 38 ebenfalls aus einem Material mit supraleitenden Eigenschaften, insbesondere Yttriumbariumkupferoxid, hergestellt, so dass die Magnetspulen 38 bei Abkühlung auf oder unter ihre Sprungtemperatur keinen ohmschen Widerstand aufweisen und damit besonders energieeffizient betrieben werden können.
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Dem in der 5 näher dargestellten zweiten Greifer 4 ist eine Antriebseinrichtung 52 zugeordnet, die für eine Einleitung von linearen Bewegungskräften längs des Bewegungspfeils 27 auf den Greifer 4 ausgebildet ist. Abweichend vom ersten Greifer 2 umfasst der zweite Greifer 4 die aus den Stabmagneten 25 gebildete Permanentmagnetanordnung 9, die einen linearen Freiheitsgrad der Bewegung ermöglicht und alle anderen Freiheitsgrade der Bewegung zumindest nahezu vollständig beschränkt.
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Die Antriebseinrichtung 52 umfasst eine Magnetanordnung 59, die exemplarisch mit Hilfe eines Verbindungsstabs 60 örtlich beabstandet zur Permanentmagnetanordnung 9 angeordnet ist und rein exemplarisch zwei gegensinnig ausgerichtete Stabmagnete 61 umfasst. Oberhalb der Magnetanordnung 59 ist eine Spulenanordnung 62 angebracht, die eine Vielzahl von Magnetspulen 63 umfasst. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Magnetspulen 63 mit senkrecht zur Darstellungsebene der 5 ausgerichteten Wicklungsachsen sowohl in einer Längsrichtung als auch in einer Querrichtung mit jeweils gleicher Teilung angeordnet sind und jeweils einzeln von einer nicht dargestellten Antriebssteuerung mit elektrischer Energie versorgt werden können. Bei geeigneter Energieversorgung einzelner Magnetspulen 63 kann eine Krafteinwirkung auf den zweiten Greifer 4 entlang des Bewegungspfeils 27 ausgeübt werden, um den Greifer 4 frei in linearer Weise gegenüber dem mit entsprechender Magnetprägung 12 versehenen Teilbereich 24 des Supraleiters 12 zu bewegen. Hiermit kann zum einen eine Verlagerung des zweiten Greifers 4 gegenüber dem ersten Greifer 2 zur Durchführung eines Greifvorgangs für ein nicht dargestelltes Werkstück erzielt werden, zum anderen kann vorgesehen werden, eine vom Greifer 4 auf das nicht dargestellte Werkstück ausgeübte Greifkraft zu beeinflussen, insbesondere zu vergrößern oder zu verkleinern, um eine Bearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen oder ein Einspannen oder Ausspannen des Werkstücks in die bzw. aus der Greifeinrichtung zu erlauben.
