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Die Erfindung betrifft eine Magnetschwebevorrichtung zum berührungslosen Bewegen relativ zu einer Werkstofffläche und eine Verwendung einer derartigen Magnetschwebevorrichtung zum berührungslosen Bewegen relativ zu einer Faserverbundwerkstofffläche.
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Im Flugzeugbau finden immer mehr Faserverbundwerkstoffe Anwendung, beispielsweise in der Flugzeugkabine, allgemein im Inneren des Flugzeugrumpfs und in der Flugzeugaußenhaut. Je nach Funktion und Einbauort sind auch recht komplexe Strukturen aus Faserverbundwerkstoff im Einsatz. Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen sind sich wiederholende Arbeitsabläufe bereits automatisiert. So ist es bekannt, Roboter zum Ausführen von Arbeiten an Faserverbundwerkstoffflächen einzusetzen, die hierfür auf der Faserverbundwerkstofffläche bewegt werden können. Solche Roboter können beispielsweise einen linearen Bandantrieb aufweisen, ähnlich wie Raupenfahrzeuge. Des Weiteren können sie auf Rädern fahren oder sich zur Fortbewegung der Vakuum-Ansaug-Technologie bedienen. Derartige Ansätze sind allerdings wenig flexibel und hinsichtlich des Zugangs zu allen, insbesondere sehr engen oder niedrigen Bereichen, wie im Inneren eines Flugzeugs, beschränkt. Die Herstellungskosten solcher Roboter, die Aufrüstzeiten zur Verwendung der Roboter (z. B. Anlegen von Vakuumschienen) und deren Anwendbarkeit (z. B. kann es bei direktem Kontakt des Roboterbandantriebs oder der Räder des Roboters mit oder durch Ansaugen des Roboters an Faserverbundwerkstoffflächen zu Beschädigungen derselben kommen) wirken sich momentan beschränkend auf die Automatisierung im Arbeitsgebiet der Faserverbundwerkstoffe aus. Darüber hinaus sind die zuvor beschriebenen Ansätze auf die Anwendung im Bereich von Außenflächen, wie z. B. dem äußeren Flugzeugrumpf, beschränkt. Für den inneren Flugzeugrumpf sind lediglich wenige der obigen Ansätze anwendbar. Insbesondere für Bereiche des Frachtraums bzw. im Flugzeugbauch, sprich dort, wo eine Automatisierung wegen der schlechten ergonomischen Bedingungen wünschenswert wäre, sind die obigen Ansätze nicht anwendbar.
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1 zeigt ein Beispiel einer bekannten Automatisierung bei der abschließenden Reinigung von Faserverbundwerkstoffbauteilen, wie einem Teil der Flugzeugaußenhaut 10. Bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen ist es wichtig, im Rahmen der abschließenden Bearbeitung die Bauteiloberfläche von Rückständen, Abfallresten und Staub aus dem Herstellungsprozess zu befreien, sprich zu reinigen. Hierfür wird heute unter anderem ein Staubsauger 12 verwendet, der von einem auf der Bauteiloberfläche 14 verfahrbaren Roboter 16 getragen und geführt wird. Zum Führen des Staubsaugers 12 weist der Roboter 16 einen steuerbaren Robotergelenkarm 18 auf. Die Reinigung der Bauteiloberfläche 14 kann mittels einer Kamera 20 des Roboters 16 überwacht werden. Zum Fahren entlang der zu reinigenden Bauteiloberfläche 14 kann der Roboter 16, wie in 1 gezeigt, mit einem Bandantrieb 22 (ähnlich dem eines Kettenfahrzeugs, wie einer Raupe) versehen sein. An die Stelle des gezeigten Bandantriebs 22 kann auch eine Mehrzahl von, beispielsweise vier, Rädern treten.
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Trotz Automatisierung hat dieser Reinigungsprozess den Nachteil, dass der gezeigte Bandantrieb 22 oder an dessen Stelle vorgesehene Räder des den Staubsauger 12 tragenden und führenden Roboters 16 in körperlichen Kontakt mit der Bauteiloberfläche 14 treten muss/müssen, um den Roboter 16 auf der Bauteiloberfläche 14 fortzubewegen. Dies bedingt jedoch eine Abnutzung der Bänder 24 des Bandantriebs 22 oder stattdessen vorgesehener Räder. Oft werden durch den direkten Kontakt zwischen Roboter 16 und Bauteiloberfläche 14 auch Verunreinigungen von außen auf die Bauteiloberfläche 14 eingebracht. Ferner kann Staub umhergewirbelt werden. Darüber hinaus können die Antriebsbänder 24 oder anstelle dieser vorgesehene Räder an dünnen und sensiblen Faserverbundwerkstoffstrukturen anstoßen und eventuell sogar Schäden anrichten.
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Es besteht daher die Notwendigkeit eine Vorrichtung bereitzustellen, die relativ zu einer Werkstofffläche bewegt werden kann, ohne dass die zuvor aufgezeigten Probleme auftreten, und die zur Automatisierungsoptimierung von Fertigungs- und Wartungsprozessen für Faserverbundwerkstoffbauteile beitragen kann.
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Eine Vorrichtung, die den obigen Anforderungen Rechnung trägt, ist eine Magnetschwebevorrichtung zum berührungslosen Bewegen relativ zu einer Werkstofffläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Magnetschwebevorrichtung umfasst mindestens eine magnetisierbare Reaktionsfläche und mindestens eine Magnetschwebeeinheit, die relativ zur Reaktionsfläche anordenbar ist, um mit dieser in Wechselwirkung zu treten. Bei einer solchen mindestens einen magnetisierbaren Reaktionsfläche kann es sich beispielsweise um die Werkstofffläche selbst handeln. Ist die Werkstofffläche selbst nicht oder zumindest nicht ausreichend magnetisierbar, so kann es sich bei der mindestens einen Reaktionsfläche um mindestens einen Abschnitt einer die Werkstofffläche stützenden Trägerstruktur handeln. Alternativ hierzu kann die Reaktionsfläche als von der Werkstofffläche oder einer die Werkstofffläche stützenden Trägerstruktur separate Komponente vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer magnetisierbaren Platte. Als mögliche Materialien für die magnetisierbare Reaktionsfläche kommen alle ferromagnetischen Stoffe in Betracht; beispielhaft genannt sei hier Kupfer. Ebenso als magnetisierbare Reaktionsfläche verwendbar sind paramagnetische Stoffe, wie zum Beispiel Aluminium.
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Die Magnetschwebeeinheit weist ferner mindestens ein Paar drehbar gelagerter Drehmagneteinheiten auf, von denen jede Drehmagneteinheit um eine Drehachse drehbar ist und eine Mehrzahl von wechselpolig und in Polverbindungsrichtung jeweils im Wesentlichen parallel zur Drehachse angeordneten Magnetelementen aufweist. Die Drehachsen der Drehmagneteinheiten verlaufen bevorzugt parallel zueinander. Bevorzugt sind die Drehmagneteinheiten im Gebrauch der Magnetschwebevorrichtung derart relativ zur Reaktionsfläche angeordnet, dass die Magnetelemente der Drehmagneteinheiten in Polverbindungsrichtung senkrecht zur Reaktionsfläche ausgerichtet sind. Bei den Magnetelementen kann es sich um Permanent- oder Elektromagnete handeln. Durch die wechselpolige Ausrichtung benachbarter Magnetelemente in der Drehmagneteinheit ist nach außen hin, sprich außerhalb der Drehmagneteinheit fast keine magnetische Wirkung mehr feststellbar. Jedes Paar der Drehmagneteinheiten ist dazu ausgebildet, durch Drehung der beiden Drehmagneteinheiten in relativ zueinander entgegengesetzte Richtungen und relativ zur mindestens einen Reaktionsfläche derart in Wechselwirkung mit der Reaktionsfläche zu treten, dass die mindestens eine Magnetschwebeeinheit von der mindestens einen Reaktionsfläche auf Abstand haltende Kräfte erzeugt werden und, aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtungen der Drehmagneteinheiten jeden Paares, eine die Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche bewegende, gerichtete Antriebskraft erzeugbar ist. Unter gerichteter Antriebskraft wird verstanden, dass die Drehmagneteinheiten jeden Paares derart drehansteuerbar sind, dass ein vorgegebener Pfad relativ zur Werkstofffläche abgefahren werden kann.
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Die Magnetelemente jeder Drehmagneteinheit erzeugen in jeder Drehmagneteinheit ein Magnetfeld und magnetisieren zudem die Reaktionsfläche. Mit anderen Worten entsteht auch in der Reaktionsfläche ein Magnetfeld. Bei Drehung der Drehmagneteinheit relativ zur Reaktionsfläche wird elektrische Ladung im Magnetfeld der Drehmagneteinheit in einem ersten Drehsinn sowie in der magnetisierten Reaktionsfläche in einem dem ersten Drehsinn entgegengesetzten zweiten Drehsinn bewegt. Auf die im Magnetfeld bewegte elektrische Ladung wirkt die Lorentzkraft. Die Lorentzkraft ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit der Ladung, wirkt senkrecht zu den Feldlinien des Magnetfeldes und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung. Da bei Drehung der Drehmagneteinheit relativ zur Reaktionsfläche sowohl das Magnetfeld der Drehmagneteinheit Lorentzkräfte auf die bewegte Ladung der Drehmagneteinheit als auch das Magnetfeld der Reaktionsfläche Lorentzkräfte auf die bewegte Ladung der Reaktionsfläche ausübt, wird die Drehmagneteinheit und damit die Magnetschwebeeinheit von der mindestens einen Reaktionsfläche durch die in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Lorentzkräfte auf Abstand gehalten. Die ferner aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtungen der Drehmagneteinheiten jeden Paares erzeugbare, gerichtete Antriebskraft, dient dazu, eine Bewegung der Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche zu bewirken.
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Da die Drehmagneteinheiten in jeder Magnetschwebeeinheit immer paarweise vorgesehen sind und sich die Drehmagneteinheiten jeden Paares bei Drehung der Drehmagneteinheiten zudem immer in relativ zueinander entgegengesetzte Richtungen drehen, bewirken die beiden entgegengesetzten Drehbewegungen der Drehmagneteinheiten jeden Paares bei gleicher Drehgeschwindigkeit und analoger Drehbewegung der Drehmagneteinheiten je Paar ein geradliniges Fortbewegen der Magnetschwebeeinheit gegenüber der mindestens einen Reaktionsfläche und bei gleicher Drehgeschwindigkeit und nicht analoger, sprich gespiegelter Drehbewegung der Drehmagneteinheiten je zweier Paare ein Stillstehen der Magnetschwebeeinheit gegenüber der mindestens einen Reaktionsfläche. Mit anderen Worten heben sich im letztgenannten Fall die gegengerichteten Antriebskräfte je zweier Paare von Drehmagneteinheiten gegenseitig auf.
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Handelt es sich bei der Werkstofffläche um eine Faserverbundwerkstofffläche, so ist die mindestens eine magnetisierbare Reaktionsfläche auf einer ersten Seite der Faserverbundwerkstofffläche vorzusehen. Bei einer solchen mindestens einen magnetisierbaren Reaktionsfläche kann es sich beispielsweise um mindestens einen Abschnitt einer die Faserverbundwerkstofffläche stützenden Trägerstruktur handeln. Alternativ hierzu kann die Reaktionsfläche als von einer die Faserverbundwerkstofffläche stützenden Trägerstruktur separate Komponente vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer magnetisierbaren Platte. Die mindestens eine Magnetschwebeeinheit ist dann auf einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der Faserverbundwerkstofffläche vorzusehen. Zum berührungslosen Bewegen relativ zur Faserverbundwerkstofffläche wirken die die mindestens eine Magnetschwebeeinheit von der mindestens einen Reaktionsfläche auf Abstand haltenden Kräfte derart, dass der aufgrund dieser Kräfte gehaltene Abstand zwischen der mindestens einen Magnetschwebeeinheit und der mindestens einen Reaktionsfläche eine berührungslose Aufnahme der Faserverbundwerkstofffläche zwischen der mindestens einen Magnetschwebeeinheit und der mindestens einen Reaktionsfläche gestattet. Da die Abstandhalte-Kräfte, sprich die gegengerichteten Lorentzkräfte zwischen Magnetschwebeeinheit und Reaktionsfläche proportional zur Geschwindigkeit der Ladungsbewegung in den Magnetfeldern der Drehmagneteinheiten der Magnetschwebe-einheit und der Reaktionsfläche sind, kann durch entsprechende Steuerung der Drehgeschwindigkeit der Drehmagneteinheiten ein gewünschter Abstand zwischen Magnetschwebeeinheit und Reaktionsfläche eingestellt werden. Mit anderen Worten können durch entsprechende Steuerung der Drehgeschwindigkeiten der Drehmagneteinheiten Faserverbundwerkstoffflächen verschieden dicker Faserverbundwerkstoffbauteile zwischen Magnetschwebeeinheit und Reaktionsfläche aufgenommen werden.
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Bevorzugt weist die mindestens eine Magnetschwebeeinheit mindestens eine Gruppe mit zwei Paaren von an der Magnetschwebeeinheit drehbar gelagerter Drehmagneteinheiten auf. Um den nachfolgend beschriebenen Stabilisierungseffekt zu erreichen, dürfen die Drehmagneteinheiten dieser Gruppe nicht in einer Reihe angeordnet sein. Vielmehr ist es besonders vorteilhaft, wenn die Ausrichtung der Paare in der Gruppe senkrecht zur Ausrichtung der beiden Drehmagneteinheiten je Paar ist. Je Magnetschwebeeinheit sind vier Drehmagneteinheiten besonders vorteilhaft, da diese ein kontrolliertes Aufabstandhalten der Magnetschwebeeinheit von der Reaktionsfläche sowie eine kontrolliertere Bewegung der Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche gestatten. Weist eine Magnetschwebeeinheit lediglich ein Paar von Drehmagneteinheiten auf, so kann es zu Schwankungen im Abstand zwischen Magnetschwebeeinheit und Reaktionsfläche kommen, da die Ausrichtung der Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche lediglich in Paarausrichtung der Drehmagneteinheiten stabil gehalten werden kann und nicht senkrecht hierzu. Wie zuvor bereits erwähnt, kann aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtungen der Drehmagneteinheiten jeden Paares alternativ zu der die Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche bewegenden, gerichteten Antriebskraft auch eine die Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche ortsfest haltende Standkraft erzeugt werden. Dies setzt allerdings voraus, dass die Drehmagneteinheitenpaare wiederum paarweise vorgesehen sind, damit sich entgegengesetzt wirkende Antriebskräfte zweier Drehmagneteinheitenpaare gegenseitig aufheben können.
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Die mindestens eine Magnetschwebeeinheit kann ferner mindestens eine Antriebsvorrichtung zum Drehantrieb der Drehmagneteinheiten aufweisen. Durch entsprechend Übersetzungen kann für alle Drehmagneteinheiten eine einzige Antriebsvorrichtung vorgesehen sein. Auch können für einzelne Gruppen von Drehmagneteinheiten jeweils separate Antriebsvorrichtungen vorgesehen sein. Zum Beispiel können die zwei Drehmagneteinheiten je Paar von einer Antriebseinheit angetrieben werden. Es ist jedoch auch denkbar, für jede Drehmagneteinheit eine separate Antriebseinheit vorzusehen. Eine Antriebseinheit zum Drehantrieb der Drehmagneteinheit(en) kann ein Motor, bevorzugt ein Elektromotor, sein. Ist in der Magnetschwebeeinheit mindestens ein Elektromotor zum Drehantrieb der Drehmagneteinheiten vorgesehen, so umfasst die Magnetschwebeeinheit ferner vorteilhafterweise eine Batterie zur Speisung des Elektromotors mit Strom.
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Bevorzugt ist an der mindestens einen Magnetschwebeeinheit zudem ein Signalempfänger zum Empfangen von den Drehantrieb der Drehmagneteinheiten und damit die Bewegung der Magnetschwebeeinheit steuernden Steuersignalen vorgesehen. Der Drehantrieb der Drehmagneteinheiten, sprich die mindestens eine Antriebseinheit, ist dann vorteilhafterweise mit dem Signalempfänger zur Signalübertragung gekoppelt. Durch entsprechende Steuersignale, sprich entsprechenden Drehantrieb der einzelnen Drehmagneteinheiten, kann die Magnetschwebeeinheit entlang eines vorgegebenen Pfades relativ zur mindestens einen Reaktionsfläche und damit relativ zur (Faserverbund-)Werkstofffläche bewegt werden. Wie bereits erwähnt, bewirken die beiden entgegengesetzten Drehbewegungen der Drehmagneteinheiten jeden Paares bei gleicher Drehgeschwindigkeit und analoger Drehbewegung der Drehmagneteinheiten je Paar ein geradliniges Fortbewegen der Magnetschwebeeinheit gegenüber der mindestens einen Reaktionsfläche und damit gegenüber der (Faserverbund-)Werkstofffläche. Um von der geradlinigen Fortbewegung abzuweichen, sind unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten der beiden entgegengesetzten Drehbewegungen der Drehmagneteinheiten mindestens einen Paares nötig.
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Zum Erzeugen von den Drehantrieb der Drehmagneteinheiten steuernden Steuersignalen kann die Magnetschwebevorrichtung ferner einen Signalerzeuger sowie einen mit dem Signalerzeuger zur Signalübertragung wirkgekoppelten Signalsender zum Senden der Steuersignale des Signalerzeugers umfassen. Der Signalerzeuger kann ein Computer sein. Der Signalsender kann ein Router sein. Bei den zu übertragenden Steuersignalen handelt es sich bevorzugt um Funksignale. Der Computer kann ein Programm aufweisen, das einen von der mindestens einen Magnetschwebeeinheit abzufahrenden Pfad relativ zur Werkstofffläche vorgibt. Die Steuersignale werden dann bevorzugt gemäß diesem Programm erzeugt.
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Des Weiteren kann die Magnetschwebevorrichtung mindestens einen Trägerabschnitt zum Tragen mindestens einer Arbeitseinheit mittels der mindestens einen Magnetschwebeeinheit aufweisen. Alternativ oder zusätzlich hierzu dient der mindestens eine Trägerabschnitt dem Tragen von Transportgütern mittels der mindestens einen Magnetschwebeeinheit. Die mindestens eine Arbeitseinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, mindestens einen Arbeitsschritt bei der Herstellung und/oder Instandhaltung bzw. Wartung der (Faserverbund-)Werkstofffläche automatisiert auszuführen. Bespielhaft als mögliche Arbeitseinheiten genannt seien ein Saugroboter zum Absaugen der (Faserverbund-)Werkstofffläche, ein Bohrroboter zum Bohren von Löchern in die (Faserverbund-)Werkstofffläche, ein (Laserstrahl-)Schweiß- und/oder Schneidroboter, ein Nietroboter, ein Lackierroboter, ein Tapezierroboter zum Aufbringen von beispielsweise Fasergelegen, Faser-Matrix-Lagen und/oder Bändern, wie Matrix- oder Klebebändern (in jeglicher Form, wie auch z. B. Schriftzügen).
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Wenn die Magnetschwebevorrichtung eine Mehrzahl von Magnetschwebeeinheiten umfasst, kann der mindestens eine Trägerabschnitt von zumindest einem Teil der Mehrzahl von Magnetschwebeeinheiten getragen werden. Es ist also denkbar, dass ein Trägerabschnitt von mehreren Magnetschwebeeinheiten getragen wird. Bevorzugt ist der den Trägerabschnitt tragende Teil der Mehrzahl von Magnetschwebeeinheiten, sprich die mehreren den Trägerabschnitt tragenden Magnetschwebeeinheiten, dann beweglich mit dem Trägerabschnitt gekoppelt. Die bewegliche Kopplung kann als Gelenkkinematik realisiert sein. Die bewegliche Kopplung kann gesteuert werden, um den Trägerabschnitt und damit die getragene Arbeitseinheit und/oder Last relativ zur Reaktionsfläche und damit relativ zur (Faserverbund-)Werkstofffläche auszurichten. Eine entsprechende Steuervorrichtung hierfür kann im Trägerabschnitt vorgesehen sein. Diese kann die beweglichen Kopplungen der Magnetschwebeeinheiten insbesondere synchronisieren.
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Derartige beweglich mit dem Trägerabschnitt gekoppelte Magnetschwebeeinheiten sind besonders vorteilhaft, wenn die (Faserverbund-)Werkstofffläche, relativ zu der eine Bewegung erfolgen soll, stark gekrümmte Bereiche, sprich Bereiche mit kleinen Krümmungsradien aufweist oder Stufen, Schwellen oder andere Unebenheiten, relativ zu denen bzw. über die hinweg die Magnetschwebeeinheiten zu bewegen sind. Derart stark gekrümmte Bereiche und/oder Unebenheiten treten vor allem bei (Faserverbund-)Werkstoffflächen im inneren Rumpfbereich eines Flugzeugs auf. Voraussetzung hierfür ist, dass der Unterbau bzw. die Stützstruktur von nicht oder zumindest nicht ausreichend magnetisierbaren Werkstoffflächen, wie Faserverbundwerkstoffflächen, mit derart stark gekrümmten Bereichen und/oder Unebenheiten, insbesondere auch in den Bereichen mit starker Krümmung und/oder mit Unebenheiten, ausreichend magnetisierbar ist, um als Reaktionsfläche(n) der Magnetschwebevorrichtung zu fungieren.
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Da der Trägerabschnitt von mehreren Magnetschwebeeinheiten getragen wird, ist es mit einer derartigen Konstruktion also auch möglich, Arbeitseinheiten und/oder Lasten relativ zu inhomogenen Flächen zu bewegen, sofern die Flächen selbst oder zumindest deren Unterbau oder Stützstruktur ausreichend magnetisierbar sind, um als Reaktionsfläche(n) der Magnetschwebevorrichtung zu fungieren. Dann können beispielsweise Stufen bewältigt, Hindernisse überwunden oder die Magnetschwebeeinheiten in einem Rohr aus Faserverbundwerkstoff, wie es in einem Flugzeug vorgesehen sein kann, bewegt werden. Bevorzugt ist ein Trägerabschnitt mit mindestens vier Magnetschwebeeinheiten beweglich gekoppelt. Je nach Einsatzort und -lage ist es auch denkbar Arbeitseinheit(en) und/oder Last(en) im Einsatz der Magnetschwebevorrichtung wahlweise an einer von der Reaktionsfläche abgewandten Oberseite oder auch an einer der Oberseite gegenüberliegenden und der Reaktionsfläche zugewandten Unterseite des Trägerabschnitts zu tragen.
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Alternativ hierzu kann, wenn die Magnetschwebevorrichtung eine Mehrzahl von Magnetschwebeeinheiten umfasst, mindestens eine Magnetschwebeeinheit mindestens einen Koppelabschnitt zum Ankoppeln mit mindestens einer weiteren Magnetschwebeeinheit aufweisen. Mehrere derart aneinander gekoppelte Magnetschwebeeinheiten gestatten das Tragen größerer und/oder schwererer Komponenten, wie Arbeitseinheiten und/oder Lasten, auf deren mindestens einem Trägerabschnitt. Es ist auch denkbar, dass zwei Magnetschwebeeinheiten zum gegenseitigen Ankoppeln jeweils einen Koppelabschnitt zum Ankoppeln an den komplementären Koppelabschnitt der anderen Magnetschwebeeinheit aufweisen.
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Im Falle von miteinander direkt, sprich durch Ankoppeln, oder indirekt, sprich durch den Trägerabschnitt, gekoppelten Magnetschwebeeinheiten, erfolgt die Ansteuerung, sprich der Antrieb, der einzelnen Magnetschwebeeinheiten bevorzugt unter Berücksichtigung der Ansteuerung der angekoppelten Magnetschwebeeinheiten. Mit anderen Worten sind die Bewegungen der gekoppelten Magnetschwebeeinheiten bevorzugt aufeinander abgestimmt. Allgemein erfolgt die Ansteuerung von gekoppelten Magnetschwebeeinheiten vorteilhafterweise derart, dass der mindestens eine Trägerabschnitt und damit die getragene(n) Arbeitseinheit(en) und/oder Last(en) auf einem vorgegebenen Pfad relativ zur mindestens einen Reaktionsfläche und damit relativ zur Faserverbundwerkstofffläche bewegt wird/werden.
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Bevorzugt wird die zuvor beschriebene Magnetschwebevorrichtung zum berührungslosen Bewegen relativ zu einer (Faserverbund-)Werkstofffläche bei der Fertigung und/oder Wartung eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere eines Flugzeugfaserverbundwerkstoffbauteils, verwendet. Für diese Verwendung kann die Magnetschwebevorrichtung mindestens eine Arbeitseinheit zum Durchführen von Fertigungs- und/oder Wartungsarbeiten an dem Faserverbundwerkstoffbauteil tragen. Beispiele für eine solche Arbeitseinheit finden sich in der vorangegangenen Beschreibung.
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Natürlich kann die zuvor beschriebene Magnetschwebevorrichtung auch zum Bearbeiten, Reinigen, Warten etc. einer magnetisierbaren Werkstofffläche (Reaktionsfläche der Vorrichtung) oder zum berührungslosen Lastentransport relativ zu dieser magnetisierbaren Fläche verwendet werden. Die Werkstoffe, relativ zu denen die Magnetschwebevorrichtung eine berührungslose Bewegung ermöglicht, sind also nicht auf Faserverbundwerkstoffe beschränkt. Der aufgrund der Lorentzkräfte gehaltene Abstand zwischen Magnetschwebeeinheit(en) und Reaktionsfläche muss dann nicht derart eingestellt sein, dass dieser die Aufnahme einer Faserverbundwerkstofffläche zwischen Magnetschwebeeinheit(en) und Reaktionsfläche gestattet.
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Vorteile der Magnetschwebevorrichtung der vorliegenden Anmeldung sind, dass:
- – die Werkstofffläche keinerlei Abnutzung durch die Magnetschwebevorrichtung erfährt, wenn an ihr Fertigungs- oder Wartungsarbeiten ausgeführt werden,
- – aufgrund der berührungslosen Bewegung mittels der Magnetschwebevorrichtung kein Schmutz auf die Werkstofffläche getragen wird und auch keine Gefahr der Beschädigung der Fläche besteht,
- – selbst ein Bewegen relativ zu inhomogenen Werkstoffflächen möglich ist,
- – aufgrund der berührungslosen Bewegung mittels der Magnetschwebevorrichtung keine Aufrüstzeiten an der Werkstofffläche anfallen, zumindest dann nicht, wenn die Werkstofffläche selbst oder zumindest deren Unterbau ausreichend magnetisierbar ist, und dass,
- – aufgrund der magnetischen Anziehungskraft, Arbeiten mit der Magnetschwebevorrichtung selbst in Lagen ausgeführt werden können, in denen die Schwerkraft ein Abrutschen von nicht anhaftend mit der Werkstofffläche in Verbindung stehenden Arbeitsvorrichtungen bedingen würde, sprich z. B. über Kopf entgegen der Schwerkraft.
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nun anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert, von denen
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1 die Verwendung eines Saugroboters zum Reinigen einer Faserverbundwerkstofffläche nach dem Stand der Technik zeigt, wobei der Saugroboter auf Laufbändern direkt auf der zu reinigenden Fläche fährt, wie bereits einleitend beschrieben,
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2 eine isometrische Ansicht einer einzelnen Drehmagneteinheit in Wechselwirkung mit einer Reaktionsplatte zeigt,
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3 eine isometrische Ansicht einer Magnetschwebevorrichtung der vorliegenden Anmeldung zeigt,
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4 die Magnetschwebevorrichtung aus 3 zeigt, die Komponenten zum ferngesteuerten Bewegen der Magnetschwebeeinheit relativ zur Reaktionsfläche aufweist,
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5 eine isometrische Ansicht einer Magnetschwebevorrichtung aus 3 mit einem Saugroboter zum Reinigen einer Faserverbundwerkstofffläche zeigt,
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6a) bis f) isometrische Ansichten der Magnetschwebeeinheit der Magnetschwebevorrichtung aus 3 mit verschiedenen Arbeitseinheiten oder zum Tragen von Lasten zeigen,
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7 eine isometrische Ansicht gekoppelter Magnetschwebeeinheiten zeigt,
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8 eine isometrische Ansicht eines mit mehreren Magnetschwebeeinheiten beweglich gekoppelten Trägerabschnitts zeigt, und
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9a) bis c) Seitenansichten einer Magnetschwebevorrichtung der vorliegenden Anmeldung beim Bewältigen einer Stufe, beim Fortbewegen über ein Hindernis und beim Bewegen in einem Rohr zeigen, wobei die Magnetschwebevorrichtung den mit mehreren Magnetschwebeeinheiten beweglich gekoppelten Trägerabschnitt aus 8 aufweist.
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Im Folgenden werden gleiche Bezugszeichen für gleiche Komponenten verwendet.
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2 veranschaulicht die der Funktion der Magnetschwebevorrichtung der vorliegenden Anmeldung zugrundeliegenden Wirkungsprinzipien. 2 zeigt eine Drehmagneteinheit 100, die auf einer Oberseite 108 ein Drehlager 110 zum Drehen der Drehmagneteinheit 100 um eine Drehachse R aufweist. Die Drehmagneteinheit 100 ist relativ zu einer Reaktionsfläche 120 aus Kupfer angeordnet und mit ihrer der Oberseite 108 gegenüberliegenden Unterseite relativ zu der Reaktionsfläche 120 ausgerichtet. In der Drehmagneteinheit 100 ist eine Mehrzahl von wechselpolig angeordneten Permanentmagnetelementen 130 aufgenommen, deren Pole parallel zu der Drehachse R ausgerichtet sind. Durch die wechselpolige Ausrichtung benachbarter Magnetelemente 130 in der Drehmagneteinheit 100 ist nach außen hin, sprich außerhalb der Drehmagneteinheit 100 fast keine magnetische Wirkung mehr feststellbar.
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Ist die Drehmagneteinheit 100 gegenüber der Reaktionsfläche 120 mit ihrer Drehachse R im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet und wird gedreht, so tritt diese mit der Reaktionsfläche 120 derart in Wechselwirkung, dass die Drehmagneteinheit 100 von der Reaktionsfläche 120 auf Abstand haltende Kräfte L erzeugt werden.
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Die Magnetelemente 130 der Drehmagneteinheit 100 erzeugen in der Drehmagneteinheit 100 ein Magnetfeld und magnetisieren zudem die Reaktionsfläche 120. Mit anderen Worten entsteht auch in der Reaktionsfläche 120 ein Magnetfeld. Bei Drehung der Drehmagneteinheit 100 relativ zur Reaktionsfläche 120 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse R wird elektrische Ladung im Magnetfeld der Drehmagneteinheit 120 gegen dem Uhrzeigersinn sowie im Magnetfeld der magnetisierten Reaktionsfläche 120 im Uhrzeigersinn bewegt. Auf die im Magnetfeld bewegte elektrische Ladung wirkt die Lorentzkraft. Da bei Drehung der Drehmagneteinheit 100 relativ zur Reaktionsfläche 120 sowohl das Magnetfeld der Drehmagneteinheit 100 Lorentzkräfte auf die bewegte Ladung der Drehmagneteinheit 100 als auch das Magnetfeld der Reaktionsfläche 120 Lorentzkräfte auf die bewegte Ladung der Reaktionsfläche 120 ausübt, wird die Drehmagneteinheit 100 von der Reaktionsfläche 120 durch die in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Lorentzkräfte L auf Abstand a gehalten. Der Abstand a ist abhängig von der Drehgeschwindigkeit der Drehmagneteinheit und kann derart eingestellt werden, dass zwischen Drehmagneteinheit 100 und Reaktionsfläche 120 eine zu bearbeitende nicht oder zumindest nicht ausreichend magnetisierbare Werkstofffläche aufgenommen werden kann. Handelt es sich bei der Reaktionsfläche 120 bereits um die zu bearbeitende Werkstofffläche, sprich ist die zu bearbeitende Werkstofffläche ausreichend magnetisierbar, um als Reaktionsfläche 120 zu fungieren, ist diese Abstandseinstellung also nicht nötig. Unter einer zu bearbeitenden Werkstofffläche wird nicht nur verstanden, dass an der Werkstofffläche Arbeiten auszuführen sind, sondern vielmehr allgemein, dass relativ zu der Werkstofffläche Arbeiten auszuführen sind, sprich insbesondere auch Lastentransporte relativ zur Werkstofffläche.
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3 zeigt eine Magnetschwebevorrichtung 200 der vorliegenden Anmeldung. In einer Magnetschwebeeinheit 220 derselben sind vier Drehmagneteinheiten 100 aus 2 in einem Gehäuse 260 aufgenommen und relativ zu der Magnetschwebeeinheit 220 drehbar gelagert. Jede Drehmagneteinheit 100 wird durch einen Elektromotor 230 drehangetrieben. Zur Speisung der Elektromotoren 230 mit Energie ist in der Magnetschwebeeinheit 220 ferner eine Batterie 240 in dem Gehäuse 260 aufgenommen. Die vier Drehmagneteinheiten 100 sind in zwei parallelen Reihen in einem Rechteck relativ zueinander angeordnet. Die beiden Reihen verlaufen senkrecht zur Längsausrichtung der Magnetschwebeeinheit 220. Die Unterseite der Magnetschwebeeinheit 220 und damit die Unterseiten der vier Drehmagneteinheiten 100 sind, wie bereits in 2 gezeigt, relativ zu einer Reaktionsfläche 120 aus Kupfer angeordnet und ausgerichtet.
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Durch Drehung der Drehmagneteinheiten 100 relativ zur Reaktionsfläche 120 treten diese derart in Wechselwirkung mit der Reaktionsfläche 120, dass die Magnetschwebeeinheit 220 von der Reaktionsfläche 120 auf Abstand haltende Kräfte L erzeugt werden. Dies wurde bereits ausführlich anhand von 2 erläutert.
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Je Reihe werden die Drehmagneteinheiten 100 des Reihenpaares in zueinander entgegengesetzte, analoge Richtungen drehangetrieben, um ein gerichtetes Fortbewegen der Magnetschwebeeinheit 220 relativ zur Reaktionsfläche 120 zu bewirkten. Werden je Reihe die Drehmagneteinheiten 100 des Reihenpaares in zueinander entgegengesetzte, aber nicht-analoge, sprich je Reihe gespiegelte Richtungen drehangetrieben, schwebt die Magnetschwebeeinheit 100 ortsfest gegenüber der Reaktionsfläche 120.
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4 zeigt die Magnetschwebevorrichtung 200 aus 3 in einer anderen Perspektive. Zusätzlich zu den allgemeinen Komponenten gemäß 3 ist die Magnetschwebeeinheit 220 mit einer Antenne 350 zum Empfangen von die Steuerung der Drehmagneteinheiten 100 betreffenden Funksignalen ausgestattet. Zum Generieren der Steuersignale umfasst die Magnetschwebevorrichtung 220 ferner einen Computer 360, der ein Steuerprogramm zur Steuerung der Magnetschwebeeinheit 220 aufweist. Das Steuerprogramm gibt einen von der Magnetschwebeeinheit 220 relativ zur Reaktionsfläche 120 abzufahrenden Pfad 370 vor. Zum Aussenden der Steuersignale an die Magnetschwebeeinheit 220 ist der Computer 360 mit einem Router 380 gekoppelt.
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5 zeigt eine Magnetschwebevorrichtung 200, die relativ zu einer Faserverbundwerkstofffläche 400 einen vorgegebenen Pfad 370 abfährt. Wie anhand von 4 gezeigt, ist die Magnetschwebeeinheit 220 mit einer Antenne 350 zum Empfangen von die Steuerung der Drehmagneteinheiten 100 zum Abfahren des Pfades 370 betreffenden Funksignalen ausgestattet. Der zuvor anhand von 2 beschriebene Abstand a, der sich aufgrund der gegengerichtet wirkenden Lorentzkräfte L einstellt, ist hier derart gewählt, dass die Faserverbundwerkstofffläche 400 samt untergebauter Stützstruktur 420 zwischen Magnetschwebeeinheit 220 und Reaktionsfläche 120 aufgenommen werden und sich die Magnetschwebeeinheit 220 relativ zur Faserverbundwerkstofffläche 400 berührungslos bewegen kann. Die Reaktionsfläche 120 kann zur Verwendung der Magnetschwebevorrichtung 200 zum Ausführen von Arbeiten relativ zur Faserverbundwerkstofffläche 400 vorübergehend an der Stützstruktur 420 befestigt sein.
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Zur Oberflächenreinigung der Faserverbundwerkstofffläche 400 trägt die Magnetschwebeeinheit 220 auf ihrer Oberseite einen Saugroboter 16. Die Oberseite der Magnetschwebeeinheit 220 dient dann als Trägerabschnitt 440 der Magnetschwebevorrichtung 200. Der Saugroboter 16 entspricht im Wesentlichen dem aus 1. Komponenten des Saugroboters 16 können im Gehäuse 260 der Magnetschwebeeinheit 220 aufgenommen sein. Jedoch kann der von der Magnetschwebeeinheit 220 getragene Saugroboter 16 berührungslos auch in Lagen an der Faserverbundwerkstofffläche 400 arbeiten, in denen die Schwerkraft ein Abrutschen von nicht anhaftend mit der Werkstofffläche in Verbindung stehenden Arbeitsvorrichtungen, wie der in 1 gezeigten, bedingen würde, sprich z. B. über Kopf entgegen der Schwerkraft.
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6 zeigt mit verschiedenen Arbeitseinheiten 500a–500e und/oder Transporteinheiten 500a', 500c', 500f versehene Magnetschwebeeinheiten 220. Die jeweilige Arbeitseinheit 500a–500e und/oder Transporteinheit 500a', 500c', 500f werden/wird auf einem durch die Oberseite der Magnetschwebeeinheit 220 gebildeten Trägerabschnitt 440 der Magnetschwebeeinheit 220 getragen. Komponenten der Arbeitseinheiten 500a–500e können im Gehäuse 260 der Magnetschwebeeinheit 220 aufgenommen sein. Die weiteren Komponenten der Magnetschwebevorrichtung 200 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in 6 weggelassen worden.
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6a) zeigt eine einen Bohrroboter 500a sowie eine verschiedene Austauschbohrinstrumente bereitstellende Transporteinheit 500a' tragende Magnetschwebeeinheit 220.
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6b) zeigt eine einen Laserschweiß- oder -schneidroboter 500b tragende Magnetschwebeeinheit 220.
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6c) zeigt eine einen Nietroboter 500c sowie eine Nieten bereitstellende Transporteinheit 500c' tragende Magnetschwebeeinheit 220.
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6d) zeigt eine einen Lackierroboter 500d tragende Magnetschwebeeinheit 220.
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6e) zeigt eine einen Tapezierroboter 500e tragende Magnetschwebeeinheit 220. Der Tapezierroboter 500e dient z. B. dem Aufbringen von Fasergelegen, Faser-Matrix-Lagen und/oder Bändern, wie Matrix- oder Klebebändern (in jeglicher Form, wie auch z. B. Schriftzügen) auf eine Werkstofffläche, wie die Reaktionsfläche 120 oder die Faserverbundwerkstofffläche 400.
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6f) zeigt eine eine Transporteinheit 500f zum Transport von Lasten tragende Magnetschwebeeinheit 220.
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7 zeigt die Aneinanderkopplung mehrerer in 3 gezeigter Magnetschwebeeinheiten 220 der Magnetschwebevorrichtung 200. Die Reaktionsfläche 120 ist in 7 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Zur Aneinanderkopplung weist jede Magnetschwebeeinheit 220 an einer Stirnseite 610 sowie einer Seitenwand 620 des Gehäuses 260 einen Koppelmechanismus 650 auf. Dieser ist beispielsweise mittels Ansaugtechnologie, sprich als Saugnapf mit Vakuumpumpe, realisiert. Natürlich ist auch der Einsatz alternativer Kopplungsmechanismen bekannter Art denkbar. Auch kann der Kopplungsmechanismus 650 je Koppelpunkt 660 zwei miteinander kooperierende Kopplungsmittel umfassen. Zur gegenseitigen Ankopplung umfasst dann jede zweier zu koppelnder Magnetschwebeeinheiten 220 je Koppelpunkt 650 eines der beiden kooperierenden Kopplungsmittel. Für einen Kopplungsmechanismus letzterer Art kommen beispielsweise Magnetismus oder lösbare Arretierverbindungen in Frage. Die Oberflächen der mehreren aneinandergekoppelten Magnetschwebeeinheiten 220 können zusammen einen Trägerabschnitt bilden und somit das Bewegen schwererer und/oder Größerer Arbeitseinheiten und/oder Lasten ermöglichen.
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8 zeigt eine zu 7 alternative Aneinanderkopplung mehrerer Magnetschwebeeinheiten 220 der Magnetschwebevorrichtung 200. Mehrere Magnetschwebeeinheiten 220 sind hier beweglich mit einem Trägerabschnitt 700 gekoppelt. Der Trägerabschnitt 700 ist hier nicht die Oberfläche einer oder mehrerer Magnetschwebeeinheiten 220, sondern vielmehr ein separates Element, mit dem die Magnetschwebeeinheiten 220 beweglich gekoppelt sind. Der Trägerabschnitt 700 dient, wie zuvor anhand von 5 und 6 für einen durch die Oberfläche des Gehäuses 260 einer Magnetschwebeeinheit 220 gebildeten Trägerabschnitt 440 beschrieben, dem Tragen von mindestens einer Arbeitseinheit und/oder mindestens einer Transporteinheit. Je nach Einsatzort und -lage kann/können hierbei die Arbeitseinheit(en) und/oder Transporteinheit(en) im Einsatz der Magnetschwebevorrichtung 200 wahlweise an einer von der Reaktionsfläche 120 abgewandten Oberseite 710 oder auch an einer der Oberseite 710 gegenüberliegenden und der Reaktionsfläche 120 zugewandten Unterseite 720 des Trägerabschnitts 700 getragen werden. Die bewegliche Kopplung jeder Magnetschwebeeinheit 220 mit dem Trägerabschnitt 700 erfolgt mittels eines beispielsweise 3-gliedrigen Gelenkarms 730. Ein Anfangsglied 740 des Gelenkarms 730 ist hierbei mit seinem freien Ende beweglich an dem Trägerabschnitt 700 angebracht und ein Endglied 750 des Gelenkarms 730 ist mit seinem freien Ende beweglich an der Magnetschwebeeinheit 220, insbesondere an der Oberseite deren Gehäuses 260, angebracht. Eine Steuereinheit zur synchronisierten Steuerung der Gelenkarme 730 ist bevorzugt in dem Trägerabschnitt 700 vorgesehen. Die Funktionsweise jeder einzelnen Magnetschwebeeinheit 220 wurde bereits anhand von 3 beschrieben.
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Gemäß 8 mit dem Trägerabschnitt 700 gekoppelte Magnetschwebeeinheiten 220 sind besonders gut unter strukturell komplexeren Werkstoffflächenbedingungen zur berührungslosen Bewegung relativ zu der Werkstofffläche einsetzbar. Mindestens drei der vier gezeigten Magnetschwebeeinheiten 220 stehen hierbei immer in Wechselwirkung mit der Reaktionsfläche 120, um den Trägerabschnitt 700 stabil und in einer gewünschten Ausrichtung relativ zur Werkstofffläche zu halten. Dies wird nun anhand von drei beispielhaften Werkstoffflächengegebenheiten, wie in 9a) bis c) dargestellt, kurz erläutert. Die in 9a) bis c) gezeigten Werkstoffflächen sind magnetisierbar und fungieren damit als Reaktionsfläche 120 der Magnetschwebevorrichtung 200.
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9a) zeigt eine Stufe 800 in der Werkstofffläche bzw. der Reaktionsfläche 120. Beginnend mit einer der Stufe 800 am nächsten gelegenen Magnetschwebeeinheit 220 steuert die Steuerung der beweglichen Kopplungen zwischen Trägerabschnitt 700 und den Magnetschwebeeinheiten 220 die jeweiligen Gelenkarme 730 der Reihe nach zum Bewältigen der Stufe 800 an.
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9b) zeigt eine Schwelle 810 in der Werkstofffläche bzw. der Reaktionsfläche 120. Beginnend mit einer der Schwelle 810 am nächsten gelegenen Magnetschwebeeinheit 220 steuert die Steuerung der beweglichen Kopplungen zwischen Trägerabschnitt 700 und den Magnetschwebeeinheiten 220 die jeweiligen Gelenkarme 730 der Reihe nach zum Bewältigen der Schwelle 810 an.
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9c) zeigt eine kreissegmentförmige Vertiefung 820 in der Werkstofffläche bzw. der Reaktionsfläche 120, wie beispielsweise bei einem Querschnitt durch ein Rohrsegment. Mit anderen Worten veranschaulicht 9c) die Bewegung von mit dem Trägerabschnitt 700 beweglich gekoppelten Magnetschwebeeinheiten 220 in einem Rohr. Auch bei Bewegung relativ zu einer derart stark gekrümmten Werkstofffläche bzw. Reaktionsfläche 120 ist es für die Stabilisierung des Trägerabschnitts 700 wichtig, dass immer mindestens drei der vier gezeigten Magnetschwebeeinheiten 220 in Wechselwirkung mit der Reaktionsfläche 120 stehen. Erfolgt die Bewegung in Längsrichtung durch das Rohr und ist eine geeignete relative Ausrichtung der Magnetschwebeeinheiten 220 relativ zum Trägerabschnitt 700 zum stabilen Tragen desselben durch das Rohr gefunden, so bleiben für die weitere Längsbewegung im Rohr alle vier Magnetschwebeeinheiten 220 in Wechselwirkung mit der gekrümmten Werkstofffläche bzw. Reaktionsfläche 120.
