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Die Erfindung betrifft eine Greifeinrichtung 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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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 sind ein Greifer, der für eine Einleitung einer Greifkraft auf ein Werkstück ausgebildet ist und der eine erste Magneteinrichtung umfasst, sowie eine zweite Magneteinrichtung, die für magnetische Wechselwirkungen mit der ersten Magneteinrichtung zur Ausübung von Tragkräften und Greifkräften auf die erste Magneteinrichtung ausgebildet ist, vorgesehen, wobei eine der Magneteinrichtungen eine Permanentmagnetanordnung mit einemvorgebbaren magnetischen Magnetfeldlinienverlauf umfasst und wobei die andere Magneteinrichtung einen Supraleiter aufweist, der mit einer auf den Magnetfeldlinienverlauf angepassten Magnetfeldprägung versehen ist, die für eine relative Positionierung der Magneteinrichtungen in wenigstens einer Vorzugsposition ausgebildet ist und wobei wenigstens einer der Magneteinrichtungen ein Magnetstellmittel zugeordnet ist, das für eine lokale Einleitung eines magnetischen Flusses auf wenigstens eine der Magneteinrichtungen zur Einleitung einer Schwenkbewegung auf den Greifer ausgebildet ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Greifeinrichtung ist vorgesehen, dass die Magneteinrichtung, die den Supraleiter aufweist, für einen Betrieb der Greifeinrichtung auf oder unter eine Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des Supraleiters temperiert ist und während einer Abkühlung auf oder unter die Sprungtemperatur mit einem externen Magnetfeld beaufschlagt wird, dessen Magnetfeldlinienverlauf dem Magnetfeldlinienverlauf der Magneteinrichtung entspricht, die die Permanentmagnetanordnung und gegebenenfalls zusätzlich eine Magnetspulenanordnung aufweist. Durch diese Maßnahme wird in dem supraleitenden Material der Magnetfeldlinienverlauf des 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. Mit dem Schwebespalt 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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Ferner weisen die beiden Magneteinrichtungen hinsichtlich ihrer relativen Positionierung zueinander wenigstens eine Vorzugsposition auf, in der stärkere magnetische Wechselwirkungen als in anderen relativen Positionen der beiden Magneteinrichtungen auftreten, so dass die beiden Magneteinrichtungen bestrebt sind, diese Vorzugsposition relativ zueinander einzunehmen. Bei einer Auslenkung des 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 beiden Magneteinrichtungen eine gewisse Elastizität vorliegt, die sich vorteilhaft auf den Greifvorgang auswirkt. Ferner können die beiden Magneteinrichtungen 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. In einem solchen Fall kann eine Ausweichbewegung des Greifers stattfinden, die durch die selbstrückstellenden Eigenschaften der beiden Magneteinrichtungen nach Beendigung der überhöhten Krafteinwirkung wieder zu einer Positionierung in der Vorzugsposition führt.
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Ferner ist wenigstens einer der Magneteinrichtungen ein Magnetstellmittel zugeordnet, das für eine lokale Einleitung eines magnetischen Flusses auf wenigstens eine der Magneteinrichtungen zur Einleitung einer Schwenkbewegung auf den Greifer ausgebildet ist. Mit Hilfe des Magnetstellmittels werden die statischen magnetischen Wechselwirkungen zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Supraleiter zeitweilig in einer Art verändert, dass der Greifer gegenüber der zweiten Magneteinrichtung eine Schwenkbewegung durchführt. Aufgrund dieser Schwenkbewegung kann beispielsweise eine Reduzierung einer Greifkraft auf ein Werkstück und gegebenenfalls eine vollständige Entfernung des Greifers von einer Oberfläche des Werkstücks vorgesehen werden, um das Werkstück aus einer vom Greifer bestimmten Einspannposition entnehmen zu können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aufgrund der statischen magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen eine Ausübung einer Greifkraft auf das Werkstück stattfindet und das Werkstück somit ohne eine zusätzliche Energiezufuhr festgelegt ist. In diesem Fall ist die Schwenkbewegung des Greifers, die mit Hilfe des Magnetstellmittels hervorgerufen werden kann, für die Freigabe des Werkstücks vorgesehen. Um diese Freigabe zu erzielen ist eine Bereitstellung eines Energiestroms an das Magnetstellmittel erforderlich, wobei es sich bei dem Energiestrom vorzugsweise um einen elektrischen Strom handelt, der auf das Magnetstellmittel einwirkt. Die Aufgabe des Magnetstellmittels besteht in einer Beeinflussung der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen, insbesondere in einer Abschwächung oder Verstärkung zumindest lokaler magnetischer Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Magneteinrichtungen jeweils in wenigstens zwei Teilbereiche aufgeteilt sind, wobei die ersten Teilbereiche mit einem ersten Magnetfeldlinienverlauf oder Magnetfeldprägung versehen sind, um die Vorzugsposition zu bestimmen, wobei wenigstens ein zweiter Teilbereich mit einem zweiten Magnetfeldlinienverlauf oder Magnetfeldprägung versehen ist und wobei einem der zweiten Teilbereiche das Magnetstellmittel zur Bereitstellung von Schwenkkräften auf den Greifer zugeordnet ist. Durch eine derartige funktionale Trennung können die jeweiligen Teilbereiche auf die zugeordnete Aufgabenstellung optimiert werden, um zumindest für den Greifer eine besonders kompakte Gestaltung zu ermöglichen. Wahlweise kann vorgesehen sein, dass die beiden Teilbereiche der jeweiligen Magneteinrichtungen unmittelbar aneinandergrenzend angeordnet sind, so dass ein Flächenbedarf für die jeweilige Magneteinrichtung gering gehalten werden kann. Alternativ ist vorgesehen, dass die beiden Teilbereiche der jeweiligen Magneteinrichtungen beabstandet voneinander ausgebildet sind, hierdurch kann eine vorteilhafte Hebelwirkung für das Magnetstellmittel gegenüber dem ersten Teilbereich bewirkt werden, so dass das Magnetstellmittel besonders kompakt ausgebildet werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung 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 beiden Magneteinrichtungen einander gegenüberliegende, vorzugsweise geometrisch ähnliche, insbesondere ebene, Oberflächenbereiche aufweisen und aufgrund der Tragkräfte, die durch die magnetischen Wechselwirkungen hervorgerufen werden, durch einen Schwebespalt voneinander beabstandet sind. Durch diese Maßnahme kann gewährleistet werden, dass die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen homogen sind, um eine vorteilhafte räumliche Ausrichtung der Magneteinrichtungen zueinander zu gewährleisten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Magnetfeldlinienverlauf und die Magnetfeldprägung entsprechend einem Halbach-Array ausgebildet sind. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Gestaltung der 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 das Magnetstellmittel wenigstens eine beweglich gelagerte Permanentmagnetanordnung und/oder wenigstens einen beweglich gelagerten Supraleiter und/oder wenigstens eine Magnetspule umfasst und für eine magnetische Wechselwirkung mit dem zweiten Teilbereich, der mit dem zweiten Magnetfeldlinienverlauf oder der zweiten Magnetfeldprägung versehen ist, ausgebildet ist. Grundsätzlich besteht die Aufgabe des Magnetstellmittels in einer Einflussnahme auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen, um eine Einleitung eines Drehmoments auf den Greifer um eine vorgebbare Schwenkachse zu ermöglichen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Magnetstellmittel eine verschiebbar oder drehbar gelagerte Permanentmagnetanordnung umfasst, die zwischen einer Ruhestellung und einer Funktionsstellung bewegt werden kann. Exemplarisch hat das Magnetstellmittel in der Ruhestellung keinen relevanten Einfluss auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magneteinrichtungen, während in der Funktionsstellung die gewünschte Krafteinleitung durch die Permanentmagnetanordnung und/oder eine Magnetspulenanordnung des Magnetstellmittels bewirkt werden kann. In gleicher Weise kann auch ein mit einer geeigneten Magnetfeldprägung versehener Supraleiter als Magnetstellmittel eingesetzt werden. Für die Relativbewegung des Magnetstellmittels zwischen der Ruhestellung und der Funktionsposition kann eine elektrische Bewegungseinkopplung, insbesondere über ein Getriebemotor oder einen Piezoantrieb oder eine fluidische Bewegungseinkopplung, insbesondere über einen Pneumatikzylinder, vorgesehen werden. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Magnetstellmittel als Magnetspule, bei der lediglich eine Zufuhr eines elektrischen Spulenstroms erforderlich ist, um die gewünschte variable Einflussnahme auf die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den beiden Magneteinrichtungen bewirken zu können. Insbesondere kann das Magnetstellmittel mehrere, möglicherweise räumlich verteilt angeordnete, Magnetspulen umfassen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Magneteinrichtung mit der Permanentmagnetanordnung und/oder einer Magnetspulenanordnung einen zusätzlichen Teil-Magnetbereich mit einem rotationssymmetrischen Magnetfeldlinienverlauf und/oder die Magneteinrichtung mit dem Supraleiter einen zusätzlichen Teil-Supraleiterbereich mit einer rotationssymmetrischen Magnetfeldprägung aufweisen, um ein kontaktloses Drehlager zwischen den beiden Magneteinrichtungen auszubilden. Mit einem solchen zusätzlichen Teil-Magnetbereich kann eine Schwenkachse für die Schwenkbewegung des Greifers gegenüber der zweiten Magneteinrichtung festgelegt werden, um einen vorhersehbaren Bewegungsablauf während der Durchführung der Schwenkbewegung zu gewährleisten. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Permanentmagnetanordnung einen kreiszylindrischen Stabmagneten umfasst, dessen Rotationssymmetrieachse die Schwenkachse bestimmt, insbesondere konzentrisch mit der Schwenkachse ist. Das ebenfalls rotationssymmetrische Magnetfeld dieses Stabmagneten wird während der Abkühlung des Supraleiters auf oder unter seine Sprungtemperatur in den Supraleiter eingeprägt, so dass das gewünschte Drehlager zwischen den beiden Magneteinrichtungen in dieser Weise geschaffen werden kann.
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Dementsprechend ist vorgesehen, dass der Teil-Magnetbereich mit dem rotationssymmetrischen Magnetfeldlinienverlauf und der Supraleiter mit der rotationssymmetrischen Magnetfeldprägung eine Schwenkachse für den Greifer bestimmen, die parallel oder quer zu einer größten Oberfläche des Supraleiters ausgerichtet ist. Hierdurch wird ein vorteilhaftes Bewegungsverhalten für den Greifer gegenüber der zweiten Magneteinrichtung gewährleistet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Magneteinrichtung die Permanentmagnetanordnung und das Magnetstellmittel umfasst und dass die zweite Magneteinrichtung den Supraleiter umfasst. Hierdurch lässt sich eine vorteilhafte Aufbauweise für die Greifeinrichtung erzielen, wenn davon ausgegangen wird, dass der Greifer mit der ersten Magneteinrichtung beweglich gegenüber der ortsfest angebrachten zweiten Magneteinrichtung ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Greifeinrichtung ist eine Versorgung beider Magneteinrichtungen mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, zur Ansteuerung der Magnetspulen und zur Kühlung des Supraleiters vorgesehen. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der zweiten 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.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Greifer eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist, die für eine Relativbewegung der Magneteinrichtungen ausgebildet ist. Hiermit kann eine Einflussnahme auf die vom Greifer auf das Werkstück ausgeübten Greifkräfte vorgesehen werden, beispielsweise eine zeitweilige Verstärkung der Greifkräfte. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebseinrichtung sowohl für eine Einleitung einer linearen Bewegung auf den Greifer in einer ersten Raumrichtung als auch für eine Einleitung einer linearen Bewegung auf den Greifer in einer zweiten Raumrichtung, die senkrecht zur ersten Raumrichtung ausgerichtet ist, vorgesehen. Hierdurch kann die Antriebseinrichtung sowohl für eine Einleitung der Schwenkbewegung als auch für die vorstehend beschriebene Einflussnahme auf die Greifkräfte eingesetzt werden und bildet somit eine Sonderform der Magnetstelleinrichtung.
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Vorzugsweise ist der Magnetspule eine Ansteuereinrichtung zur Bereitstellung von Spulenströmen zugeordnet, die für eine Steuerung oder Regelung der relativen Lage des Greifers gegenüber der zweiten Magneteinrichtung ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Ausdehnung einer der zweiten Magneteinrichtung zugewandten Oberfläche der ersten Magneteinrichtung kleiner als eine Ausdehnung einer der ersten Magneteinrichtung zugewandten Oberfläche der zweiten Magneteinrichtung ist. Hierdurch wird eine besonders kompakte Gestaltung des Greifers ermöglicht, der sich mit seiner zugeordneten Magneteinrichtung über die flächenmäßig größer ausgebildete zweite Magneteinrichtung zwischen den unterschiedlichen Vorzugspositionen bewegen kann.
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Zweckmäßig ist es, wenn mehrere Greifer an der zweiten Magneteinrichtung angeordnet sind, wobei die ersten Magneteinrichtungen der Greifer identisch ausgebildet sind. Mit Hilfe von mehreren Greifern können ein oder mehrere Werkstücke zuverlässig gegriffen werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Magneteinrichtungen der Greifer jeweils identisch ausgebildet sind, so dass die Greifer untereinander ausgewechselt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Magneteinrichtung wenigstens zwei unterschiedlich ausgebildete Magnetfeldlinienverläufe oder Magnetprägebereiche, insbesondere für eine Ausrichtung mehrerer Greifer in unterschiedlichen Raumrichtungen, aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der zweiten Magneteinrichtung sind die Magnetfeldlinienverläufe oder Magnetprägebereiche auf eine räumliche Ausrichtung der Greifer für ein optimales Ergreifen des Werkstücks angepasst. Vorteilhaft ist es, wenn die zweite Magneteinrichtung den Supraleiter umfasst und die Magnetprägebereiche mit Hilfe der ersten Magneteinrichtungen unter Berücksichtigung einer zur Aufbringung der jeweiligen Greifkraft erforderlichen Relativbewegung gegenüber dem zu greifenden Werkstück während der Abkühlung des Supraleiters eingeprägt werden. Beispielhaft kann für ein Ergreifen eines unregelmäßig geformten Werkstücks vorgesehen werden, die Greifer und das Werkstück vor der Abkühlung des Supraleiters auf die zweite Magneteinrichtung aufzulegen und den körperlichen Kontakt zwischen den Greifarm und dem Werkstück herzustellen. Anschließend werden die Positionen für die einzelnen Greifer auf der zweiten Magneteinrichtung markiert, das Werkstück entfernt und die Greifer unter Zugabe eines für die Aufbringung der jeweiligen Greifkraft erforderlichen Wegabschnitts abseits der jeweiligen Markierung angeordnet. Zur Einstellung des Schwebespalts werden die Greifer zudem jeweils auf Abstandshalter aufgesetzt, die dem späteren Schwebespalt zumindest nahezu entsprechen. Nach erfolgter Abkühlung des Supraleiters auf oder unter seine Sprungtemperatur werden die Abstandshalter entfernt, da zu diesem Zeitpunkt der Schwebespalt durch die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Magneteinrichtungen aufrechterhalten wird. Anschließend kann das Werkstück zwischen die Greifer eingesetzt werden, wobei die Greifer manuell oder durch Einwirkung von Magnetfeldern, die mit Hilfe von Magnetspulen auf die jeweiligen ersten Magneteinrichtungen einwirken, aus der während des Abkühlungsvorgangs eingenommenen relativen Position gegenüber der zweiten Magneteinrichtung verschoben werden und dabei die gewünschten Tragkräfte gegenüber dem Werkstück aufbringen.
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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 Greifer, dem eine erste Magneteinrichtung zugeordnet ist sowie mit einer als Grundkörper ausgebildeten zweiten Magneteinrichtung,
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2 eine seitliche Darstellung einer ersten Ausführungsform für die in 1 dargestellte Greifeinrichtung, bei der die erste Magneteinrichtung mit einer Permanentmagnetanordnung und einer Magnetspule ausgerüstet ist und die zweite Magneteinrichtung einen Supraleiter umfasst,
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3 eine Draufsicht auf einen Magnetfeldlinienverlauf, wie er für die erste Magneteinrichtung gemäß der 2 vorgesehen ist,
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4 eine seitliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform für die in 1 dargestellte Greifeinrichtung, bei der die erste Magneteinrichtung rein passiv ausgebildet und mit einem Supraleiter versehen ist und bei der die zweite Magneteinrichtung eine Permanentmagnetanordnung und eine Magnetspulenanordnung umfasst,
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5 eine Draufsicht auf die zweite Magneteinrichtung, die auf die erste Magneteinrichtung gemäß der 4 angepasst ist und bei der die Magnetspulen in der Permanentmagnetanordnung angeordnet sind,
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6 eine Draufsicht auf einen Magnetfeldlinienverlauf, wie er für die erste Magneteinrichtung gemäß der 4 vorgesehen ist
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7 eine Draufsicht auf einen Greifer gemäß einer dritten Ausführungsform einer Greifeinrichtung, wobei dem Greifer eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist,
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8 eine seitliche Darstellung einer Variante der in 7 dargestellten dritten Ausführungsform einer Greifeinrichtung, bei der die Antriebseinrichtung längs des Greifers angeordnet ist, und
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9 eine Draufsicht auf die zweite Magneteinrichtung gemäß der 1 mit einer Magnetfeldprägung, die zur Verwendung mit mehreren Greifern, wie sie in der 6 dargestellt sind, ausgebildet ist.
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Die 1 zeigt eine Greifeinrichtung 1, die zur zeitweiligen Festlegung eines nicht dargestellten Werkstücks ausgebildet ist und die einen Greifer 2 zur Einleitung einer Greifkraft auf das Werkstück mit einer ersten Magneteinrichtung 3 sowie eine zweite Magneteinrichtung 4 umfasst. Die beiden Magneteinrichtungen 3, 4 sind für magnetische Wechselwirkungen zur Ausübung von Tragkräften und Greifkräften auf den Greifer 2 und das gegebenenfalls vom Greifer gehaltene Werkstück ausgebildet.
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Bei einer in den 2 und 3 näher dargestellten ersten Ausführungsform für eine Greifeinrichtung 41 ist vorgesehen, dass der Greifer 42 eine erste Magneteinrichtung 43 aufweist, die als Permanentmagnetanordnung 45 mit einem vorgebbaren magnetischen Magnetfeldlinienverlauf 46 ausgebildet ist, wie er in der 3 näher dargestellt ist. Ferner umfasst die erste Magneteinrichtung 43 eine Magnetspule 47, die exemplarisch eine koaxial zu einer Spulenachse 48 auf einen Spulenkörper 49 gewickelte Drahtspule 50 aufweist. Die Magnetspule 47 ist in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise durch eine nicht dargestellte Kabelverbindung, mit einer ebenfalls nicht dargestellten Ansteuereinrichtung elektrisch verbunden. Die Aufgabe der Ansteuereinrichtung besteht darin, bedarfsgerecht elektrischen Strom an die Magnetspule 47 zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird ein magnetischer Fluss von der Magnetspule 47 bereitgestellt, durch den eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Greifer 42 und einer zweiten Magneteinrichtung 44 beeinflusst werden kann.
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Beispielhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die zweite Magneteinrichtung 44 einen Supraleiter 51 aufweist, der mit einem auf die Magnetfeldlinienverlauf 46 der Permanentmagnetanordnung 45 angepassten Magnetfeldprägung 52 versehen ist, wie er in der 9 dargestellt ist. Die beiden Magneteinrichtungen 43, 44 sind hinsichtlich ihres Magnetfeldlinienverlaufs 46 und Magnetfeldprägung 52 derart aufeinander angepasst, dass sie eine in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen 53, 54, 55 bestimmte Vorzugsposition zueinander einnehmen.
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Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die zweite Magneteinrichtung 44, die den Supraleiter 51 umfasst, an einer Kühleinrichtung 56 aufgenommen ist, die beispielhaft quaderförmig ausgebildet ist und in der eine oder mehrere nicht näher dargestellte, insbesondere elektrisch betreibbare, Kühlaggregate untergebracht sind, um den Supraleiter 51, der an der Oberfläche der Kühleinrichtung 56 angebracht ist, auf oder unterhalb seiner Sprungtemperatur zu temperieren. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Supraleiter 51 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 51 auf oder unterhalb einer Temperatur 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 46 und der in den Supraleiter 51 eingeprägten, in der 9 dargestellten Magnetfeldprägung 52 schwebt der Greifer 42 in der dritten Raumrichtung 55, insbesondere im Abstand von einigen Millimetern, oberhalb des Supraleiters 51 und behält innerhalb eines konstruktiv bedingten Maximalkraftintervalls seine Vorzugsposition gegenüber der zweiten Magneteinrichtung 44 bei.
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In der Vorzugsposition stellt sich eine besonders starke magnetische Wechselwirkung zwischen den beiden Magneteinrichtungen 43, 44 ein, so dass die beiden Magneteinrichtungen 43, 44 stets bestrebt sind, diese Vorzugsposition beizubehalten. Bei einer Auslenkung der einen Magneteinrichtung gegenüber der anderen Magneteinrichtung stellt der Supraleiter 51 unter der Voraussetzung einer geeigneten Magnetfeldprägung 52, 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 Greifer 42 für die Einspannung des nicht dargestellten Werkstücks aus seiner jeweiligen Vorzugsposition maximal soweit ausgelenkt wird, dass er noch nicht in die nächste Vorzugsposition gelangt, sondern wieder in die ursprüngliche Vorzugsposition zurückkehren will und dadurch die gewünschte Greifkraft aufgrund der Rückstellungswirkung des Supraleiters 51 aufbringen kann.
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Geringfügige Bewegungen des Greifers 42 in sämtliche Raumrichtungen sind möglich und in gewissen Grenzen auch erwünscht, damit der Greifer 42 gewissermaßen „elastische” Eigenschaften aufweist. Im Rahmen dieser geringfügige Relativbewegungen zwischen den Magneteinrichtungen 43 und 44 ist auch eine Schwenkbewegung des Greifers 42 um eine Schwenkachse 58 vorgesehen, die rein schematisch in der 2 mit einem Symbol für ein Drehzentrum eingezeichnet ist. Exemplarisch wird davon ausgegangen, dass die Schwenkachse 58 in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Supraleiters 51 ausgerichtet ist und sich senkrecht zur Darstellungsebene gemäß der 2 erstreckt. Die Schwenkbewegung des Greifers 42 um diese Schwenkachse 58 findet statt, wenn eine Strombeaufschlagung der Magnetspule 47 zur Bereitstellung eines magnetischen Flusses führt, der in magnetischer Wechselwirkung mit dem Supraleiter 51 steht. Der Supraleiter 51 ist unterhalb der Magnetspule 47 beispielhaft mit einer Magnetfeldprägung ausgeführt, die derart ausgebildet ist, dass ein geeignet ausgerichteter magnetischer Fluss der Magnetspule 47 zu Anziehungskräften zwischen der Magnetspule 47 und dem Supraleiter 51 führt. Dementsprechend stellt der Supraleiter 51 bei Vorliegen des magnetischen Flusses von der Magnetspule 47 Reaktionskräfte auf die Magnetspule 47 bereit, da der Supraleiter 51 bestrebt ist, den magnetischen Fluss der Magnetspule 47 in einer Weise auszurichten, in der ein entsprechender magnetischer Fluss während einer Abkühlung des Supraleiters 51 auf oder unter seine Sprungtemperatur ausgerichtet war. Hierdurch kommt es zu einer Krafteinleitung in vertikaler Richtung nach unten auf die Magnetspule 47, so dass ein resultierendes Drehmoment auf den Greifer 42 einwirkt, das gemäß der Darstellung der 2 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 58 ausgerichtet ist. Dementsprechend wird der Greifer 42 in einer Weise verschwenkt, dass er ein nicht dargestelltes Werkstück freigeben kann. Zur Festlegung eines kontaktlosen Schwenklagers zwischen den beiden Magneteinrichtungen 43, 44 kann vorgesehen sein, koaxial zur Schwenkachse 58 einen beispielhaft kreiszylindrisch ausgebildeten Stabmagneten 62 in den Greifer 42 zu integrieren und den Supraleiter 51 mit einer Magnetfeldprägung zu versehen, die eine Drehbewegung des Greifers 42 um die Schwenkachse 58 gegenüber der zweiten Magneteinrichtung 44 begünstigt.
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Rein exemplarisch umfasst der in 1 dargestellte Greifer 2 für die Übertragung der Greifkräfte auf das nicht dargestellte Werkstück ein Greifmittel 17, das beispielhaft als L-förmiger Ausleger aus einem formstabilen Material, beispielsweise einem Metall, hergestellt ist. An einer Stirnseite des Greifmittels 17 ist eine prismatische Ausnehmung 18 ausgebildet, mit der ein vorteilhaftes Greifen des nicht näher dargestellten Werkstücks erfolgen kann.
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In der 3 ist ein vorteilhafter Magnetfeldlinienverlauf der Permanentmagnetanordnung 45 und der Magnetspule 47 dargestellt, wie er auch als Magnetfeldprägung 52 in den Supraleiter 51 während der Abkühlung auf oder unter seine Sprungtemperatur durch beabstandetes Auflegen des Greifers 42 auf die Oberfläche 59 des Supraleiters 51 eingeprägt werden kann. Jedes der in 3 dargestellten Kästchen repräsentiert exemplarisch einen Stabmagneten 60 der Permanentmagnetanordnung 45. Die Buchstaben N und S bezeichnen den Nordpol bzw. Südpol und damit einen senkrecht zur Darstellungsebene gemäß der 3 ausgerichteten magnetischen Fluss eines derartigen Stabmagneten 60. Die Richtungspfeile 61 bezeichnen jeweils einen parallel zur Darstellungsebene der 2 ausgerichteten magnetischen Fluss eines entsprechend ausgerichteten Stabmagneten 60. Durch die in der 3 dargestellte Anordnung der Stabmagnete 60 in der Art eines Halbach-Array lässt sich eine besonders kompakte Anordnung unterschiedlicher magnetischer Flußrichtungen und somit ein besonders vorteilhafter Magnetfeldlinienverlauf erzielen, der als Magnetfeldprägung in den Supraleiter 51 während seiner Abkühlung auf oder unter seine Sprungtemperatur eingeprägt werden kann.
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In den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform für die in 1 schematisch dargestellte Greifeinrichtung 1 als Greifeinrichtung 71 dargestellt. Die Greifeinrichtung 71 umfasst einen in den 4 und 6 näher dargestellten Greifer 72, der exemplarisch rein passiv ausgebildet ist. Beispielhaft umfasst der Greifer 72 eine Trägerplatte 92, an deren Oberseite das Greifmittel 17 angebracht ist und an deren Unterseite ein Supraleiter 81 angebracht ist, der den wesentlichen Bestandteil der ersten Magnetanordnung 73 bildet. Bei dieser Ausführungsform der Greifeinrichtung 71 ist die zweite Magneteinrichtung 74 als Kombination einer Permanentmagnetanordnung 75, die aus einer Vielzahl von Stabmagneten 90, insbesondere in der Art eines Halbach-Array ausgebildet ist, und mehrerer Magnetspulen 77 gebildet, wie dies in der 5 näher dargestellt ist.
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Die in der 6 dargestellte Magnetfeldprägung des Supraleiters 81 weist zwei Teilbereiche 93, 94 auf. In den ersten Teilbereich 93 ist rein exemplarisch ein Magnetfeldlinienverlauf eingeprägt, wie er als Magnetfeldlinienverlauf 46 aus der 3 bekannt ist. Der Teilbereich 94 ist ohne eine spezifische Magnetfeldprägung ausgebildet. Hierdurch ergibt sich gegenüber dem nachstehend näher beschriebenen Magnetfeldlinienverlauf 76 der Permanentmagnetanordnung 75 der zweiten Magnetanordnung 74 eine konstante, ortsunspezifische Ausbildung von Abstoßungskräften, die einen Beitrag für die Schwebekräfte des Greifers 72 gegenüber der zweiten Magnetanordnung 74 gewährleisten. Durch geeignete Strombeaufschlagung der Magnetspulen 77, die in den Hohlräumen zwischen den Stabmagneten 90 angeordnet sind, können die Abstoßungskräfte zwischen dem Teilbereich 94 und den Stabmagneten 90 zumindest teilweise neutralisiert werden, so dass es zu einer lokalen Reduzierung von Schwebekräften, die auf den Greifer 72 einwirken, kommt. Hierdurch kann eine Kippbewegung um eine Schwenkachse 88, die in der Art eines Drehzentrums in der 4 eingezeichnet ist, rein exemplarisch im Uhrzeigersinn gemäß der Darstellung der 4 des Greifers 72 bewirkt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein vom Greifer 72 gegen eine nicht dargestellte Wand gepresstes und dadurch festgelegtes Werkstück freigegeben werden.
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Ferner kann für einen weiteren Betriebszustand der Greifeinrichtung 71 zusätzlich vorgesehen werden, die dem Teilbereich 93 gegenüberliegenden Magnetspulen 77 in einer Weise zu aktivieren, dass eine Verstärkung einer Abstoßung zwischen den beiden Magneteinrichtungen 73, 74 in diesem Bereich erfolgt, wodurch ebenfalls eine Einleitung eines Drehmoments von der Magneteinrichtung 74 auf die Magneteinrichtung 73 erfolgt. Dieses Drehmoment wirkt rein exemplarisch ebenfalls um die Schwenkachse 88, und führt beispielhaft gemäß der Darstellung der 4 zu einer Bewegung des Greifers gegen den Uhrzeigersinn, so dass eine zusätzliche Greifkrafteinleitung auf ein nicht dargestelltes Werkstück durch den Greifer 72 erfolgen kann.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, sind bei der in 5 dargestellten zweiten Magneteinrichtung 74 zwischen den Stabmagneten 90, die in der Art eines Halbach-Array angeordnet sind, in den jeweiligen Lücken die Magnetspulen 77 angeordnet, die jeweils separat mit einer, insbesondere in der Kühleinrichtung 96 integrierten, nicht dargestellten Ansteuereinrichtung elektrisch verbunden sind. Mit Hilfe der nicht dargestellten Ansteuereinrichtung kann jede der Magnetspulen 77 einzelnen elektrisch angesteuert werden, um wahlweise eine Abschwächung oder Verstärkung einer magnetischen Wechselwirkung zwischen der zweiten Magneteinrichtung 74 und der ersten Magneteinrichtung 73 des Greifers 72 zu bewirken. 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 77 ebenfalls aus einem Material mit supraleitenden Eigenschaften, insbesondere Yttriumbariumkupferoxid, hergestellt, so dass die Magnetspulen 77 keinen ohmschen Widerstand aufweisen und damit besonders energieeffizient betrieben werden können.
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Der in der 7 in einer Ansicht von unten dargestellte Greifer 112 einer weiteren Ausführungsform einer Greifeinrichtung 111 umfasst eine Antriebseinrichtung 113, die für eine Einleitung von linearen Bewegungskräften sowohl längs des Bewegungspfeils 114 als auch quer zum Bewegungspfeil 114 und normal zur Darstellungsebene gemäß der 7 auf den Greifer 112 ausgebildet ist. Bei dem Greifer 112 ist eine deutliche räumliche Trennung zwischen der Permanentmagnetanordnung 115, die wie die Permanentmagnetanordnung 45 exemplarisch in der Art eines Halbach-Array ausgebildet ist, und einer Magnetanordnung 116, die exemplarisch mit Hilfe eines Verbindungsstabs 117 örtlich beabstandet zur Permanentmagnetanordnung 115 angeordnet ist, vorgesehen. Rein exemplarisch umfasst die Magnetanordnung 116 zwei gegensinnig ausgerichtete Stabmagnete 118, 119. Oberhalb der Magnetanordnung 116 ist eine Spulenanordnung 120 angebracht, die eine Vielzahl von Magnetspulen 121 umfasst. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Magnetspulen 121 mit senkrecht zur Darstellungsebene der 7 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 121 kann eine Krafteinwirkung auf den Greifer 112 entlang des Bewegungspfeils 104 oder quer zum Bewegungspfeil 104 ausgeübt werden. Bei einer Krafteinwirkung entlang des Bewegungspfeils 104 kann eine Abschwächung oder Verstärkung einer Greifkraft des Greifers 112 bewirkt werden. Bei einer Krafteinwirkung quer zum Bewegungspfeil 104 wird eine Kippbewegung des Greifers 112 um eine schematisch in der 7 eingezeichnete Schwenkachse 122 und damit insbesondere eine Freigabe eines Werkstücks bewirkt. Aufgrund der Darstellung von unten wurde in der 7 auf die Darstellung des Supraleiters verzichtet, der gegenüberliegend zum Greifer 112 angeordnet ist.
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Bei der in 8 dargestellten Variante der Greifeinrichtung 111 werden die gleichen Bezugszeichen für funktionsgleiche Komponenten wie bei der vorstehenden Beschreibung der 7 verwendet. Die Variante der Greifeinrichtung 111 gemäß der 8 unterscheidet sich von der Greifeinrichtung 111 gemäß der 7 dadurch, dass die Antriebseinrichtung 113 abseits einer vom Supraleiter 131 bestimmten Bewegungsebene 132 angeordnet ist. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung 116 an dem Greifmittel 127 angebracht ist, während die Spulenanordnung 120 an einem Ausleger 133 gegenüberliegend zur Magnetanordnung 116 angeordnet ist. Bei einer Bereitstellung eines Spulenstroms an die Spulenanordnung 120 kann in Abhängigkeit von der gewählten Stromrichtung eine Anziehung oder Abstoßung der Magnetanordnung 116 bewirkt werden, wodurch ein Drehmoment auf den Greifer 112 eingeleitet wird, das zu einer Schwenkbewegung des Greifers 112 um die senkrecht zur Darstellungsebene der 8 verlaufende Schwenkachse 122 führt. Hierdurch kann ein nicht dargestelltes Werkstück wahlweise eingespannt oder freigegeben werden.
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Die in der 9 dargestellte zweite Magneteinrichtung 44 ist mit zwei Magnetfeldprägungen 52 versehen, wie sie aus dem Magnetfeldlinienverlauf 46 des Greifers 42 resultieren kann. Durch die vorgesehene Anordnung der beiden Magnetfeldprägungen 52 können zwei in der 9 nicht dargestellte Greifer 42 einander entgegengesetzt mit der zweiten Magneteinrichtung 44 gekoppelt werden und ein nicht dargestelltes Werkstück zwischen den jeweiligen Greifmitteln 17 aufnehmen. Für eine Freigabe des nicht dargestellten Werkstücks sind Schwenkbewegungen der in den 2 und 3 näher dargestellten Greifer 42 um die Schwenkachsen 58 vorgesehen, die durch Bereitstellung eines elektrischen Stroms an die jeweiligen Magnetspulen 47 und die daraus resultierende Wechselwirkung mit der jeweiligen Magnetfeldprägung 52 resultieren.
