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Die Erfindung betrifft einen Unterdruckgreifer mit einem Druckkörper, wobei der Druckkörper wenigstens eine Öffnung aufweist. Darüber hinaus begrenzt der Druckkörper wenigstens einen Druckraum und weist zudem ein den Druckraum ebenfalls begrenzendes Druckraumverstellelement auf. Hierbei ist der Druckraum über das Druckraumverstellelement volumenveränderlich ausgebildet und das Druckraumverstellelement über wenigstens ein Koppelmittel mit einem Antrieb des Unterdruckgreifers verbunden.
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Zur Manipulation von Werkstücken, beispielsweise im Rahmen der Automatisierung von Montageprozessen und insbesondere unter Verwendung von Robotern, ist es entsprechend unabdingbar, diese Werkstücke zu greifen.
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Hierbei lassen sich zur Manipulation der Werkstücke grundsätzlich sowohl z. B. rein mechanische Greifer, hierbei insbesondere mechanische Parallelgreifer, als auch Sauggreifer einsetzen. Gerade mechanische Greifer sind beispielsweise bei empfindlichen Bauteilen jedoch als nachteilig anzusehen.
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So beschreibt die
US 7 543 867 B2 einen Sauggreifer, welcher insbesondere zur Handhabung großflächiger Glassubstrate, wie sie beispielsweise bei der Fertigung von Flachbildschirmen zum Einsatz kommen, vorgesehen ist. Der hierbei der Manipulation der Glassubstrate auf einem Lufttisch dienende Sauggreifer weist zur Auflage der Glassubstrate ein Auflagepad auf, welches mit einer hohlzylindrischen Druckkammer fluiddurchlässig verbunden ist. Zur Bereitstellung eines Unterdrucks ist diese mit einer Unterdruckleitung verbunden. Die Druckkammer mitsamt des Auflagepads sind dabei über radial sowie axial wirkende Luftlager schwimmend in einem Gehäuse gelagert. Das axial wirkende Luftlager ist zudem über einen durch eine Kolbenstange an der Druckkammer befestigten Kolben und eine am Gehäuse ausgeführte Druckröhre aus Glas ausgeführt. Über einen Stellmagneten sind dem axialen Luftlager verschiedene Drücke zustellbar, sodass zwei sich in ihrem Hub unterscheidende Verfahrstellungen sowie eine Ruhestellung des Auflagepads realisierbar sind, in welchen ein Kontakt oder entsprechend kein Kontakt mit einem zu manipulierenden Glassubstrat vorliegen kann.
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Darüber hinaus ist der Einsatz von mechanischen Greifern zum Greifen und Positionieren von Kleinteilen mit geringer Masse, welche z. B. bei der Fertigung von Bordnetzen Verwendung finden, ebenfalls als nachteilig anzusehen. Solche Kleinteile mit zum Teil komplexer Geometrie sind mittels mechanischer Greifer nur überaus schwer zu greifen. Zudem können die bei den Greifbewegungen des Greifers auftretenden Kräfte rasch zu Beschädigungen der Kleinteile führen. Folglich stellen Sauggreifer das Mittel der Wahl zum Greifen solcher Kleinteile dar.
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Hierbei ist es jedoch weiterhin als nachteilig zu betrachten, dass der Einsatz von Sauggreifern neben den zur automatisierten Manipulation der Kleinteile notwendigen Systemen des Sauggreifers sowie der zugehörigen Robotik ein weiteres System, hier eine Unterdruckversorgung, bedingen. Die Bereitstellung des notwendigen Unterdrucks erfolgt dabei regelmäßig zentral über einen Kompressor und wird dann über Leitungen und Ventile an die Bedarfsstellen der Sauggreifer verteilt. Zur Steuerung der Sauggreifer wird jedoch jeweils ein separates Unterdrucksystem benötigt, welches in der Regel im Huckepack unmittelbar auf die Robotik aufgesetzt wird. Hierdurch müssen die Unterdrucksysteme mitsamt deren Leitungen jedoch stets den Bewegungen der Robotik folgen, was sich in nachteiliger Weise auf die Zuverlässigkeit auswirkt, sodass im Hinblick auf eine vorrausschauende Wartung regelmäßige Wartungszeiten eingeplant werden müssen. Ferner sind solche aufgesetzten Unterdrucksysteme auch im Zusammenhang mit kollaborativ, d. h. im Umfeld manueller Fertigungsabläufe eingesetzter Robotik, als nachteilig zu betrachten.
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Neben Sauggreifern, welche eine zentrale Unterdruckversorgung nutzen, sind aus dem Stand der Technik Sauggreifer bekannt, welche kompakt ausgeführt sind und den zum Greifen notwendigen Unterdruck unmittelbar selbst erzeugen.
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So ist aus der
EP 1 477 439 B1 ein Sauggreifer bekannt, welcher eine mit einem Druckzylinder in fluiddurchlässiger Verbindung stehende Saugvorrichtung, beispielsweise einen Saugnapf, aufweist. Diese Saugvorrichtung kann hierbei entweder selbst elastisch ausgelegt sein oder an seinem einem Werkstück zuzuwendenden Ende eine umlaufende Dichtung aufweisen, über welche eine Dichtwirkung gegenüber dem Werkstück bereitgestellt wird. In dem Druckzylinder ist ferner ein mit einer den Zylinderboden des Druckzylinders durchlaufenden Schubstange verbundener Zylinderkolben angeordnet, wobei der Zylinderkolben gegenüber dem Druckzylinder über eine umlaufende Druckmanschette abgedichtet und somit der Druckzylinder über den Zylinderkolben in zwei Druckräume teilbar ist. Der Zylinderkolben ist ferner über die Schubstange gegen eine Druckfeder vorgespannt, sodass dieser am Zylinderboden des Druckzylinders anliegend, eine der Saugvorrichtung abgewandte Ruhestellung aufweist. Die koaxial zur Schubstange angeordnete Druckfeder stützt sich hierbei einerseits an dem Zylinderboden und andererseits an einem dem Zylinderkolben gegenüberliegend an der Schubstange angeordneten Bund ab. Dieser Bund dient als Anschlag am Zylinderboden und somit als wegbegrenzendes Element des Zylinderkolbens. In einer Weiterbildung ist der Bund als ein Permanentmagnet ausgeführt, sodass der Zylinderkolben über eine koaxial zum Bund angeordnete Spulenanordnung des Sauggreifers entgegen der Rückstellkraft der Feder verschiebbar ausgeführt ist. Zum Greifen eines Bauteils wird der Zylinderkolben durch einen Stromfluss durch die Spulenanordnung nunmehr aus dessen Ruhestellung, in welcher der der Saugvorrichtung zugewandte Druckraum maximal ist, in eine Kontaktstellung verfahren, in welcher der der Saugvorrichtung zugewandte Druckraum minimal ist. Bei oder nach dem Kontakt mit dem zu greifenden Werkstück wird der Stromfluss durch die Spulenanordnung unterbrochen, sodass der Zylinderkolben durch die Rückstellkraft der Feder entgegen der Saugvorrichtung bewegt wird, wodurch sich der der Saugvorrichtung zugewandte Druckraum wieder vergrößert und aufgrund der Dichtwirkung der Saugvorrichtung oder der mir dem Werkstück in Kontakt stehenden umlaufen Dichtung ein Unterdruck in diesem Druckraum erzeugt wird, sodass das Werkstück am Sauggreifer anhaftet.
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Aus der
DE 10 2013 008 843 A1 ist eine Saug-Hebevorrichtung bekannt, die eine elektromotorische Antriebseinrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks in einem als Balg ausgebildeten volumenveränderlichen Hohlkörper mit einer Saugöffnung sowie einen in einem Bereich der Saugöffnung angeordneten Saugnapf zur Aufnahme des Gegenstandes aufweist. Der Balg steht durch mindestens ein Rückschlagventil mit einem Speicher in Verbindung, wobei das Rückschlagventil derart zwischen Balg und Speicher angeordnet ist, dass bei Volumenvergrößerung des Balges der Speicher evakuiert wird. Der elektromotorische Antrieb weist eine Regelung zur Aufrechterhaltung eines definierbaren Vakuums im Speicher und im Saugnapf auf.
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Die
DE 20 2007 002 876 U1 betrifft einen Sauggreifer mit einem flexiblen Saugnapf, der einen an eine Unterdruckquelle anschließbaren Saugraum begrenzt und der einen rückseitigen Endabschnitt sowie einen eine Saugöffnung umgrenzenden, unter Veränderung der Saugnapflänge im Rahmen einer Hubbewegung relativ zu dem rückseitigen Endabschnitt bewegbaren vorderen Endabschnitt aufweist, wobei in dem Saugraum im Bereich der Saugöffnung ein Abstützelement für den zu ergreifenden Gegenstand angeordnet ist. Das Abstützelement ist vom vorderen Endabschnitt des Saugnapfes getragen, so dass es dessen Hubbewegung mitmacht, wobei es eine luftdurchlässige Struktur aufweist.
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Eine Anhebevorrichtung mit mehreren Sauggreifern zum Transport von flachen Werkstücken wie Blechteilen in einer Transferpresse ist aus der
DE 10 2006 010 701 B4 bekannt. Jeder Sauggreifer der Anhebevorrichtung ist an einem federgelagerten Druckelement befestigt und umfasst einen schüssel- und/oder kegelförmigen Saugnapf aus einem flexiblen Material. Der Sauggreifer weist einen in den Innenraum des Saugnapfes mündenden, mittels eines Ventils verschließbaren Belüftungskanal auf, der während des Anhebens des Werkstücks aus dem Unterwerkzeug verschlossen ist, so dass zwischen der Saugnapfinnenwand und der dem Sauggreifer zugewandten Oberfläche des Werkstücks ein Unterdruck aufgebaut wird. Auf diese Weise können Werkstücke auf der Anhebevorrichtung fixiert werden.
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Die
DE 21 52 584 C betrifft eine Unterdruck-Hebevorrichtung mit einem Faltenbalg, der zwischen zwei Trägerplatten angeordnet ist, von denen die untere Trägerplatte einen Saugraum aufweist, der durch steuerbare Ventile mit einer Unterdruckquelle und mit der Umgebungsluft verbindbar ist. Der Faltenbalg ist durch die obere Trägerplatte hindurch ebenfalls durch steuerbare Ventile unmittelbar mit der Unterdruckquelle und mit der Umgebungsluft und auch noch über ein steuerbares Ventil mit dem als Saugkasten ausgebildeten Saugraum unmittelbar verbindbar. Der Saugkasten ist nur über das ihn mit dem Faltenbalg verbindende Ventil und über das den Faltenbalg mit der Unterdruckquelle verbindende Ventil mit der Unterdruckquelle und über ein weiteres steuerbares Ventil unmittelbar mit der Umgebungsluft verbindbar.
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Aus der
AT 398 416 B ist eine Hubvorrichtung für plattenförmige Werkstücke mit wahlweise auf die Werkstückoberseite aufsetzbaren elektrischen Hubmagneten und mit eine Unterdruckkammer bildenden Sauggreifern, die in ihrer Gebrauchslage über die Hubmagnete gegen die Werkstückoberseite vorragen, bekannt. Die abnehmbaren Sauggreifer weisen eine in ihrer Gebrauchslage über ein Stellglied vergrößerbare Unterdruckkammer auf. Das in Hubrichtung der Hubmagnete verstellbare Stellglied ist durch den zugehörigen Hubmagneten betätigbar.
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Gegenstand der
EP 2 481 532 A1 ist eine Saugnapfvorrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Aktuator. Ein flexibler Saugnapf ist mit dem Gehäuse gekoppelt, der sich zwischen zumindest zwei verschiedenen Positionen bewegende Aktuator mit dem Saugnapf. In einer ersten Position bewegt sich der flexible Saugnapf in eine erhöhte Volumenposition. In einer zweiten Position bewegt sich der flexible Saugnapf in mindestens eine neutrale Volumenposition. In der erhöhten Volumenposition dichtet der flexible Saugnapf mit einer Oberfläche ab. In der neutralen Volumenposition löst sich der flexible Saugnapf von der Oberfläche des Werkstücks.
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Der gattungsbildenden
DE 10 2019 219 745 A1 ist ein weiterer Sauggreifer zur Aufnahme von Werkstücken mit insbesondere glatter Oberfläche zu entnehmen. Der Sauggreifer weist hierbei eine von einem Gehäuse umgebene Saugglocke auf, welche aus einem Glockenfuß sowie einem Glockendach besteht und bistabil ausgebildet ist. Die Saugglocke weist somit zwei stabile mechanische Zustände auf, zwischen denen diese überführbar ist und ohne Einwirkung einer äußeren Kraft eigenständig gehalten wird. Zur Überführung der Saugglocke aus deren erstem stabilen Zustand, in welchem der durch die Saugglocke ausgeformte Druckraum minimal ist, in deren zweiten stabilen Zustand, in welchem der durch die Saugglocke ausgeformte Druckraum maximal ist, ist die Saugglocke über eine im Glockendach ausgeformte Stößelaufnahme mit dem Stößel eines Motors verbunden. Die hierfür notwendige Flexibilität der Saugglocke wird dabei über mehrere im Glockenfuß und Glockendach ausgebildete Festkörpergelenke verwirklicht. Bei einer über den Boden des Gehäuses erfolgenden abdichtenden Anlage an einem Werkstück lässt sich wiederum durch die beim Übergang zwischen den stabilen Zuständen erfolgende Vergrößerung des dem Werkstück zugewandten Druckraums ein Unterdruck in der Saugglocke erzeugen, sodass das Werkstück am Sauggreifer anhaftet. In nachteiliger Weise stellt eine solche Ausführung eines Sauggreifers jedoch einen sehr komplexen Aufbau dar und bedingt insbesondere aufgrund der Verwendung von Festkörpergelenken hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Unterdruckgreifer der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dessen Aufbau und somit die zur Herstellung notwendige Fertigungstechnik vereinfacht wird. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, einen Roboter mit einem solchen Unterdruckgreifer bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Unterdruckgreifer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Roboter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Unterdruckgreifer mit einem - insbesondere hohlen - Druckkörper vorgesehen, wobei der Druckkörper wenigstens eine - insbesondere boden- oder stirnseitig des Unterdruckgreifers ausgebildete - (Ansaug-)Öffnung aufweist. Darüber hinaus wird durch den Druckkörper wenigstens ein Druckraum - insbesondere zumindest teilweise - begrenzt. Ferner weist der Druckkörper zudem ein Druckraumverstellelement auf, durch welches der Druckraum ebenfalls - insbesondere teilweise - begrenzt wird. Dabei ist der Druckraum über das Druckraumverstellelement volumenveränderlich ausgebildet und das Druckraumverstellelement zudem über wenigstens ein Koppelmittel mit einem Antrieb des Unterdruckgreifers verbunden. Erfindungsgemäß ist das Druckraumverstellelement hierbei ein - hoch - dehnbares Flächenelement, wobei das Flächenelement zumindest in einer Ruhestellung einen Innenraum des Druckkörpers in den Druckraum und einen Nebenraum teilt. Somit wird ein Innenquerschnitt des Druckkörpers durch das Flächenelement entsprechend quer zur axialen Richtung, bevorzugt radial, überspannt. Das Flächenelement wäre somit neben einer bevorzugt mittigen Anbindung an das Koppelmittel rand- respektive umfangsseitig mit dem Druckkörper gas- und/oder luftdicht verbunden, wobei sich die Ruhestellung des Flächenelements unter anderem durch die durch das Flächenelement selbst bereitgestellte Rückstell- oder Federkraft bedingt. Über den durch den Druckkörper sowie das Flächenelement begrenzten Druckraum ist folglich ein sich vom Umgebungsdruck unterscheidender Druck bereitstellbar. Zwar besteht dabei auch die Möglichkeit, einen gegenüber dem Umgebungsdruck gesteigerten Druck bereitzustellen, aufgrund der Funktion als ein Unterdruck- oder auch Sauggreifer ist jedoch die Bereitstellung eines gegenüber dem Umgebungsdruck verringerten Drucks und somit die Bereitstellung eines Unterdrucks bevorzugt. Dies wird folglich ermöglicht, wenn die (Ansaug-)Öffnung beispielsweise durch ein zu greifendes Objekt, insbesondere ein zu greifendes Werkstück oder Bauteil, verschlossen ist. Der erfindungsgemäße Unterdruckgreifer bietet hierbei in vorteilhafter Weise einen kompakten, vereinfachten und robusten Aufbau, welcher zudem eine geringere Fehleranfälligkeit aufweist und geringe Anforderungen an die Fertigungstechnik stellt. Insbesondere gegenüber Lösungen, welche einen Druckzylinder mit einem beweglichen Kolben aufweisen, lässt sich ein kompakterer Unterdruckgreifer mit geringem respektive geringerem Bauvolumen verwirklichen. Die Verwendung eines Druckzylinders und eines beweglichen Kolbens bedingt zudem eine Anordnung einer zusätzlichen Dichtung, um eine gas- und/oder luftdichte Anordnung des Kolbens gegenüber dem Druckzylinder zu gewährleisten. Da eine solche Anordnung einer Dichtung zwischen Druckkörper und Flächenelement bei dem erfindungsgemäßen Unterdruckgreifer nicht notwendig ist, weist dieser entsprechend eine geringere Leckagewahrscheinlichkeit sowie geringe innere Reibungsverluste auf. Daraus resultiert ferner ein stabilerer Unterdruck und somit eine erhöhte Saugleistung und/oder Haltekraft.
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Der mit dem Flächenelement über das Koppelmittel verbundene Antrieb wäre in bevorzugter Ausgestaltung ein Linearantrieb und könnte beispielsweise als ein Spindeltrieb oder ein Kurbeltrieb ausgeführt sein.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Antrieb jedoch ein Linearmagnet respektive ein Hubmagnet, wobei ein Anker des Linearmagneten wenigstens abschnittsweise das Koppelelement ausbildet. Der Linear- respektive Hubmagnet soll dabei wenigstens eine Spulenanordnung, einen Anker und zur Konzentration des Magnetflusses bevorzugt auch ein Joch aufweisen. Ein solcher Linear- respektive Hubmagnet trägt hierbei vorteilhaft zur Gewährleistung einer kompakten Bauform des Unterdruckgreifers bei und ermöglicht aufgrund der überaus kurzen Stellzeiten und einer damit verbundenen überaus kurzen Dauer zur Bereitstellung eines Unterdrucks sehr kurze Betätigungszeiten, welche insbesondere im Bereich von wenigen Millisekunden liegen. Der Linearmagnet würde hierbei entgegen der Rückstellkraft des Flächenelements eine insbesondere axial wirkende Stellkraft respektive Magnetkraft auf die Ebene des Flächenelements ausüben, sodass das Flächenelement bei einer Auslenkung aus dessen Ruhestellung einer Dehnung unterliegt. Aufgrund der Rückstellkraft des Flächenelements ließe sich in vorteilhafter Weise zudem auf eine Positionserfassung des Ankers des Linearmagneten verzichten, da aufgrund der Rückstellkraft des Flächenelements eine definierte Ausgangsposition in Form der Ruhestellung vorliegt. Der Anker wäre hierfür mit dem Koppelmittel verbunden oder würde zumindest einen Abschnitt des Koppelmittels bilden. Der magnetisch wirksame Anker könnte zudem aus einem weichmagnetischen und/oder einem hartmagnetischen Material bestehen.
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Eine weitere überaus gewinnbringende Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass der Linearmagnet - respektive der Hubmagnet - als ein bidirektionaler Linearmagnet - respektive Hubmagnet - ausgebildet ist. Hierfür würde der bidirektional ausgeführte Linearmagnet bevorzugt in axiale Richtung des Unterdruckgreifers insbesondere zwei zueinander beabstandet angeordnete Spulenanordnungen aufweisen, über welche der Anker respektive das Koppelmittel bewegbar ist. Darüber hinaus besteht ferner die Möglichkeit, dass der bidirektionale Linearmagnet bistabil oder gar tristabil ausgeführt ist und somit in der Ruhestellung und/oder in zumindest einer weiteren, bevorzugt zwei weiteren Stellungen stromlos gehalten werden könnte. Hierfür wäre insbesondere im Joch des Linearmagneten wenigstens ein Permanentmagnet und bevorzugt mehr als ein Permanentmagnet eingebunden. Durch die Ausführungsform als bidirektionaler Linearmagnet ließe sich folglich ein Doppelhub des Koppelmittels und/oder des Flächenelements realisieren, sodass das Flächenelement nicht nur lediglich zwischen dessen Ruhestellung und einer weiteren, aus dieser Ruhestellung ausgelenkten, einseitig gerichteten Stellung überführbar wäre. So ließe sich ein im Druckraum bereitstellbarer Druck gegenüber dem Umgebungsdruck weiter minimieren respektive der Unterdruck steigern. Das Flächenelement könnte dabei in axiale Richtung des Unterdruckgreifers respektive des Druckkörpers mittig im Druckkörper angeordnet sein, sodass ein symmetrischer Stellweg des Ankers respektive des Koppelmittels vorliegt. In der Ruhestellung des Flächenelements wären somit die Volumina von Druckraum und Nebenraum im Wesentlichen gleich groß ausgebildet.
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In einer zudem vielversprechenden Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Koppelmittel und/oder der das Koppelmittel ausbildende Anker wenigstens zweiteilig ausgebildet ist und aus zumindest einem magnetischen und zumindest einem nichtmagnetischen Abschnitt besteht. Dabei ist vorgesehen, dass der nichtmagnetische Abschnitt mit dem Flächenelement verbunden ist. So lässt sich einerseits eine gegebenenfalls störende Wechselwirkung zwischen dem Koppelmittel und/oder dem Anker und einem zu greifenden Werkstück oder Bauteil vorteilhaft vermeiden. Andererseits trägt diese Ausgestaltung, bedingt durch die unmittelbare Ankopplung des Flächenelements an den Linearmagnet über den magnetischen Abschnitt zu einer sehr kompakten Bauform des Unterdruckgreifers bei.
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Eine Erfolg versprechende Ausbildung des erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers besteht ferner auch darin, dass in einem den Nebenraum - zumindest teilweise - begrenzenden Teil des Druckkörpers wenigstens eine Druckausgleichsöffnung ausgeformt ist, über welche der Nebenraum mit der Umgebung des Druckkörpers - insbesondere gasdurchlässig - verbunden ist. So lässt sich ein bei der Auslenkung des Flächenelements notwendiger einfacher Druckausgleich zwischen dem Nebenraum und der Umgebung sicherstellen. Dieser Druckausgleich muss somit gewinnbringend nicht ausschließlich über z. B. Lagerstellen und/oder Durchgangsstellen des Koppelmittels respektive des Ankers im und/oder durch den Druckkörper erfolgen.
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Eine mit Vorteil behaftete Ausführungsform der Erfindung lässt sich darüber hinaus auch darin sehen, dass der Druckkörper an - insbesondere der dem Druckraum abgewandten Seite - der (Ansaug-)Öffnung des Druckkörpers zumindest ein - bevorzugt umlaufendes - Dichtelement aufweist. Das somit an der Außenseite des Druckkörpers im Bereich der (Ansaug-)Öffnung angeordnete Dichtelement gewährleistet einen im Wesentlichen druckdichten und weitgehend leckagefreien Kontakt zu einem Werkstück respektive einem Bauteil. So kann in vorteilhafter Weise auf eine zumindest abschnittsweise flexible Ausführung des Druckkörpers selbst, beispielsweise durch Fertigung dessen aus einem Elastomer wie einem Gummi, verzichtet und der Druckkörper somit steif ausgeführt werden. Hierdurch liegen bei Bestehen eines Unterdrucks in der Druckkammer keine oder lediglich minimale Verformungen des Druckkörpers vor.
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In einer weiteren überaus vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Dichtelement ferner wenigstens zwei, bevorzugt mehrere, koaxial oder konzentrisch zueinander ausgeformte Dichtungslamellen auf. Über die somit ausgebildete mehrstufige, rotationsymmetrische Lamellenabdichtung lässt sich das Eindringen von umgebenden Gasen, wie z. B. Umgebungsluft, in den Druckraum und eine damit verbundene Erhöhung des Drucks im Druckraum minimieren oder gar vermeiden. Dies dient wiederum der Gewährleistung eines sicheren Greifens eines Werkstücks oder eines Bauteils.
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Eine Ausführungsform der Erfindung stellt sich zudem als gestalterisch günstig dar, wenn das Flächenelement zwischen seiner Ruhestellung, in welcher keine Auslenkung des Flächenelements vorliegt, und wenigstens zwei weiteren Stellungen auslenkbar ist, wobei der Druckraum in einer ersten Stellung, hierbei insbesondere eine Kontaktstellung, ein minimales Volumen und in einer zweiten Stellung, hierbei insbesondere eine Unterdruck- oder Ansaugstellung, ein maximales Volumen einnimmt. Derart ließe sich über den vorliegenden Doppelhub ein im Wesentlichen maximaler Unterdruck im Druckraum und somit eine hohe Haltekraft des Unterdruckgreifers bereitstellen. Das maximale und minimale Volumen, welches der Druckraum hierbei einnehmen kann, wäre dabei unter anderem abhängig von der Dehnbarkeit des Flächenelements. Grundsätzlich könnte das maximale Volumen des Druckraums dabei größtmöglich dem Volumen des Innenraums des Druckkörpers entsprechen, das minimale Volumen zudem kleinstmöglich null Volumeneinheiten umfassen.
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Ferner zeichnet sich eine gewinnbringende Ausbildung des erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers dadurch aus, dass das Flächenelement eine gasdichte, hierbei bevorzugt luftdichte, Membran ist. Mittels einer solchen Membran ließe sich das Flächenelement in konstruktiv vorteilhaft einfacher Weise realisieren. Die Membran sollte bevorzugt aus einem Polymer, hierbei insbesondere einem Elastomer, beispielsweise Polyurethan, bestehen.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Roboter, insbesondere ein Industrieroboter, vorgesehen, wobei dieser Roboter den vorstehend genannten Unterdruckgreifer aufweist. Durch die Integration eines erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers an dem Roboter kann insbesondere auf das Mitführen eines separaten Unterdrucksystems zur Steuerung eines Unterdruckgreifers am Roboter verzichtet werden. So lässt sich die Zuverlässigkeit des Roboters positiv beeinflussen und, insbesondere im Hinblick auf eine vorrausschauende Wartung, eingeplante Wartungsintervalle verlängern. Ferner lassen sich solche erfindungsgemäßen Roboter verbessert in kollaborativen Arbeitsumgebungen einsetzen, da sich beispielsweise Arbeitsbereiche scharf abgrenzen lassen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
- 1 eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers;
- 2 eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Roboters mit einem Unterdruckgreifer;
- 3a bis 3d eine Vorgehensweise zum Greifen eines Werkstücks mit einem Unterdruckgreifer.
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1 zeigt eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers 1. Der Unterdruckgreifer 1 verfügt hierbei über den Antrieb 6 sowie den am Antrieb 6 angeordneten Druckkörper 2. Der Druckkörper 2 weist dabei an seinem dem Antrieb 6 abgewandten Ende die Öffnung 3, hierbei im Speziellen eine Ansaug-Öffnung 3 auf. Die Öffnung 3 bietet dabei grundsätzlich einen fluiddurchlässigen Zugang zum Innenraum 9 des Druckkörpers 2. Der Innenraum 9 des Druckkörpers 2 wird zumindest in der in 1 aufgezeigten Ruhestellung 8 des Flächenelements 7 überdies durch das Flächenelement 7 in den sich an die Öffnung 3 anschließenden Druckraum 4 sowie den Nebenraum 10 geteilt. Der Druckraum 4 wird folglich teilweise durch den Druckkörper 2 sowie teilweise durch das Flächenelement 7 begrenzt. Das hoch dehnbare Flächenelement 7 fungiert hierbei als Druckraumverstellelement und ist als eine gasdichte Membran, insbesondere aus Polyurethan, ausgebildet, sodass der Druckraum 4 sowie auch der Nebenraum 10 in ihren Volumen veränderlich sind. Zur Veränderung dieser Volumina ist das Flächenelement 7 über das Koppelmittel 5 mit dem als bidirektionaler Linearmagnet 11 ausgeführten Antrieb 6 des Unterdruckgreifers 1 verbunden. Dabei bildet der Anker 12 des Linearmagneten 11 den magnetischen Abschnitt 13 des kolbenförmigen Koppelmittels 5 aus. Das Koppelmittel 5 ist folglich zweiteilig ausgebildet und weist neben dem magnetischen Abschnitt 13 zudem den nichtmagnetischen Abschnitt 14 auf. Der nichtmagnetische Abschnitt 14 ist entsprechend mit dem Flächenelement 7 verbunden, sodass wie z. B. in den 3a bis 3d näher dargestellt, etwaige Wechselwirkungen mit zu greifenden Werkstücken 21 vermieden werden. Der in Form des Ankers 12 vorliegende magnetische Abschnitt 13 taucht hingegen naturgemäß in den Linearmagneten 11 ein. Zur Verwirklichung der Bidirektionalität des Linearmagneten 11 und somit einer zweiseitigen Auslenkung des Flächenelements 7 weist der bidirektional ausgeführte Linearmagnet 11 in axialer Richtung des Unterdruckgreifers 1 die zwei zueinander beabstandet angeordneten Spulenanordnungen 22, 23 auf, über welche der Anker 12 und somit das Koppelmittel 5 bewegbar ist. Um bei einer Auslenkung des Flächenelements 7 über den Linearmagneten 11 zudem einen Druckausgleich im Nebenraum 10 zu ermöglichen, sind in dem den Nebenraum 10 begrenzenden Teil des Druckkörpers 2 ferner zwei Druckausgleichsöffnung 15 ausgeformt, über welche der Nebenraum 10 mit der Umgebung des Druckkörpers 2 verbunden ist. So lässt sich das Entstehen eines unerwünschten Über- oder Unterdrucks im Nebenraum 10 und die dafür zu verrichtende Arbeit vorteilhaft vermeiden. Um jedoch ein in den 3a bis 3d dargestelltes Werkstück 21 mittels des Unterdruckgreifers 1 zu greifen, ist es notwendig, einen möglichst stabilen Unterdruck pu im Druckraum 4 bereitzustellen. Hierfür ist für den Kontakt des Unterdruckgreifers 1 mit einem Werkstück 21 an der dem Druckraum 4 abgewandten Außenseite des Druckkörpers 4 ein die Öffnung 3 des Druckkörpers 2 umlaufendes Dichtelement 16 angeordnet. Dieses Dichtelement 16 weist zur Optimierung der Abdichtung des Druckraums 4 gegen das Werkstück 21 ferner mehrere koaxial zueinander ausgeformte Dichtungslamellen 17 auf.
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Aus 2 geht zudem eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters 20 hervor, an dessen zur Manipulation des Werkstücks 21 vorgesehenen Ende eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Unterdruckgreifers 1 angeordnet ist.
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Die 3a bis 3d beschreiben nunmehr einen mittels einer Weiterbildung des Unterdruckgreifers 1 durchgeführten Greifvorgang des Werkstücks 21. 3a offenbart dabei eine Stellung des als Membran ausgebildeten Flächenelements 7, in einer aus der aus 1 bekannten Ruhestellung 8 ausgelenkten ersten Stellung 18, in welcher das vom in den 3c und 3d aufgezeigten Druckraum 4 umfasste Volumen minimal ist und dabei insbesondere null Volumeneinheiten umfasst. Hierfür wird durch eine Beaufschlagung der beiden Spulenanordnungen 22, 23 mit einem gleichgerichteten Stromfluss ein Magnetfeld M in dem Linearmagneten 11 erzeugt, welches den insbesondere hartmagnetisch ausgebildeten Anker 12 und somit das Koppelmittel 5 in Richtung der Ansaug-Öffnung 3 bewegt und die Stell- respektive Magnetkraft FM auf das Flächenelement 7 bewirkt. Zur Begrenzung des Stellwegs ist endseitig des Ankers 12 zudem ein Flansch ausgeformt, welcher als Anschlag an der Spulenanordnung 22 dient. Durch die Auslenkung des Koppelmittels 5 und somit des Flächenelements 7 wurde aus dem Bereich des Innenraums 9 zwischen dem Flächenelement 7 und der Ansaug-Öffnung 3 zuvor vorhandenes Gas, hierbei insbesondere Luft, verdrängt. Das Volumen des Nebenraums 10 entspricht somit im Wesentlichen dem Volumen des Innenraums 9. Der Druck im Nebenraum 10 entspricht aufgrund der Druckausgleichsöffnungen 15 stets dem Umgebungsdruck p0.
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In diesem Zustand wird, wie in 3b aufgezeigt, der Unterdruckgreifer 1 mit einem aufzunehmenden respektive zu greifenden Werkstück 21 in Kontakt gebracht, wobei das Dichtelement 16 verformt wird und somit den Druckkörper 2 gegen das aufzunehmende Werkstück 21 abdichtet.
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Durch den bewirkten Abfall des Stromflusses durch die beiden Spulenanordnungen 22, 23 und dem damit verbundenen Zusammenbrechen des Magnetfelds M im Linearmagneten 11 liegt keine durch den Linearmagneten 11 auf das Flächenelement 7 wirkende Magnetkraft FM mehr vor und es erfolgt, wie in der 3c dargestellt, aufgrund der Rückstellkraft des als Membran ausgeführten Flächenelements 7 nunmehr im Wesentlichen eine Rückstellung des als Membran ausgeführten Flächenelements 7 in dessen Ruhestellung 8. Dies hat eine Vergrößerung des Volumens des Druckraums 4 zur Folge, wodurch im Druckraum 4 gegenüber dem Umgebungsdruck po ein Unterdruck pu und somit eine in Richtung des Druckkörpers 2 gerichtete Haltekraft FH auf das aufzunehmende Werkstück 21 vorliegt.
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Zur weiteren Verringerung des im Druckraum 4 gegenüber dem Umgebungsdruck p0 vorherrschendenden Drucks und somit zur Steigerung des Unterdrucks pU im Druckraum 4 ist, wie in 3d aufgezeigt, vorgesehen, durch einen im Vergleich zu den Ausführungen der 3a und 3b gegensinnigen Stromfluss durch die Spulenanordnungen 22, 23 ein ebenso entgegengerichtetes Magnetfeld M im Linearmagneten 11 und dadurch über das Koppelmittel 5 eine in Richtung des Linearmagneten 11 gerichtete Magnetkraft FM auf das als Membran ausgeführte Flächenelement 7 zu bewirken. Hierdurch wird das als Membran ausgeführte Flächenelement 7 in die zweite, sich von der Ruhestellung 8 unterscheidende Stellung 19 ausgelenkt, in welcher der Druckraum 4 ein maximales Volumen einnimmt, was zu einem im Wesentlichen maximalen Unterdruck pu im Druckraum 4 und somit einer im Wesentlichen maximalen Haltekraft FH auf das Werkstück 21 führt, sodass das Werkstück 21 überaus sicher gegriffen wird. Das Volumen des in 3c noch ausgebildeten Nebenraums 10 beträgt zudem im Wesentlichen null Volumeneinheiten, sodass der Druckraum 4 im Wesentlichen den gesamten Innenraum 9 des Druckkörpers 2 einnimmt.
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Das Durchführen eines Absetzvorgangs des Werkstücks 21 mit dem Unterdruckgreifer 1 erfolgt in entsprechend umgekehrter Reihenfolge.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Unterdruckgreifer
- 2
- Druckkörper
- 3
- Öffnung
- 4
- Druckraum
- 5
- Koppelmittel
- 6
- Antrieb
- 7
- Flächenelement
- 8
- Ruhestellung
- 9
- Innenraum
- 10
- Nebenraum
- 11
- Linearmagnet
- 12
- Anker
- 13
- Abschnitt
- 14
- Abschnitt
- 15
- Druckausgleichsöffnung
- 16
- Dichtelement
- 17
- Dichtungslamelle
- 18
- Stellung
- 19
- Stellung
- 20
- Roboter
- 21
- Werkstück
- 22
- Spulenanordnung
- 23
- Spulenanordnung
- FH
- Haltekraft
- FM
- Magnetkraft
- p0
- Umgebungsdruck
- pU
- Unterdruck
- M
- Magnetfeld
