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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vakuumsaugvorrichtung zum Ansaugen und Transportieren
eines kleinen und leichtgewichtigen Werkstücks, bspw. eines elektronischen
Chipelementes, insbesondere mit einem Gewicht von höchstens
5 g, sowie auf ein Antriebsverfahren für diese Vorrichtung.
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In Testgeräten, die im Anschluss an die
Halbleiterherstellung verwendet werden, oder in Befestigungsvorrichtungen
werden Vakuumsaugvorrichtungen häufig
zum Transport elektronischer Chipelemente eingesetzt. Die Fortschritte
bei der Miniaturisierung und Gewichtsreduktion bringen es mit sich, dass
häufig
elektronische Chipelemente gehandhabt werden müssen, die 20 g oder weniger
wiegen. Es treten sogar extrem leichtgewichtige elektronische Chipkomponenten
mit einem Gewicht von etwa 0,1 g regelmäßig auf. Daher wird angestrebt,
die Reaktionszeiten zu verkürzen
und die Präzision
der Saugvorrichtungen zu verbessern.
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2 zeigt
eine Vakuumsaugvorrichtung 1 zum Ansaugen und Transportieren
eines solchen elektronischen Chipelementes. Die Saugvorrichtung 1 umfasst
einen Saugkopf 2 zum Ansaugen eines elektronischen Chipelementes
W durch Unterdruck, eine Unterdruckquelle 3 mit einer Vakuumpumpe oder
dgl., eine Überdruckquelle 6 mit
einem Überdruckerzeugungsmechanismus 6a,
bspw. einer Booster- oder Druckerhöhungspumpe, und einem Druckreduzierventil 6b,
sowie ein Drei-Wege-Doppelsolenoidmagnetventil 7 mit zentraler
Schließstellung,
welches wahlweise die Unterdruckquelle 3 oder die Überdruckquelle 6 mit
dem Saugkopf 2 bringt. Ein Durchgang 8 zwischen
der Überdruckquelle 6 und dem Elektromagnetventil 7 weist
eine Drosselvorrichtung 9, bspw. ein Drosselventil, auf.
Ein Durchgang 10 zwischen dem Elektromagnetventil 7 und
dem Saugkopf 2 weist einen Saugfilter 10a zur
Entfernung von Staub in der Luft auf.
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Wenn die Saugvorrichtung 1 das
elektronische Chipelement W transportiert, wird das Magnetventil 7 zunächst so
geschaltet, dass die Unterdruckquelle 3 und der Saugkopf 2 miteinander
verbunden werden und der Saugkopf 2 das elektronische Chipelement
W ansaugen kann. Dann wird das elektronische Chipelement W zu seinem
Bestimmungsort transportiert. Anschließend wird zur Trennung des elektronischen
Chipelementes W von dem Saugkopf 2 das Magnetventil 7 umgeschaltet,
um die Überdruckquelle 6 und
den Saugkopf 2 miteinander zu verbinden. Wird aber ein Überdruck
auf den Saugkopf 2 aufgebracht, wenn der Druck niedrig
ist, so wird das elektronische Chipelement W, das eine sehr geringe
Größe und ein
geringes Gewicht aufweist, von dem Saugkopf 2 weggeblasen
oder eine Position des elektronischen Chipelementes W verändert sich. Somit
kann das elektronische Chipelement W nicht zu der korrekten Position
transportiert werden.
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Um eine solche Situation zu vermeiden,
erscheint es sinnvoll, die Durchflussrate der Überdruckluft mit Hilfe der
Drosselvorrichtung 9 zu reduzieren, oder anstelle der Überdruckquelle 6 Atmosphärenluft
zuzuführen.
Da es aber einige Zeit dauert, bis der auf den Saugkopf 2 wirkende
Druck ansteigt, wird die Reaktionszeit von dem Moment, an dem das Magnetventil 7 umgeschaltet
wird, zu dem Moment bis das elektronische Chipelement W von dem
Saugkopf 2 getrennt wird, erhöht.
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Bei der in 2 dargestellten Vakuumsaugvorrichtung 1 wird
das Magnetventil 7 unmittelbar bevor der auf den Saugkopf 2 wirkende
Druck den Atmosphärendruck
erreicht, zu einer zentralen Position umgeschaltet, und die Zufuhr
des Überdruckes
wie auch die Zufuhr des Unterdruckes zu dem Saugkopf 2 werden
vollständig
unterbrochen.
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Bei der herkömmlichen Vakuumsaugvorrichtung 1 ist
aber das Drei-Wege-Magnetventil 7 mit zentraler
Schließposition
erforderlich. Außerdem werden
zwei Solenoide benötigt,
um das Ventil umzuschalten. Dies erhöht die Kosten. Außerdem ist
es äußerst schwer,
den Schaltzeitpunkt des Magnetventils 7 zu der zentralen
Position und die Drosselvorrichtung und dgl. einzustellen und gleichzeitig
das Gleichgewicht so zu bewahren, dass das elektronische Chipelement
W präzise
abgesetzt wird, ohne eine Verzögerung
der Reaktionszeit zu erzeugen.
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Beschreibung
der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird
angestrebt, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen. Es ist
insbesondere Aufgabe der Erfindung, zu geringen Kosten eine Vakuumansaugung
mit einfachem Aufbau und Steuerung zu ermöglichen, die in der Lage ist,
ein Werkstück
von dem Saugkopf genau zu trennen, ohne die Reaktionszeit zu verzögern, auch
wenn das Werkstück
klein ist und ein geringes Gewicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vakuumsaugvorrichtung
umfasst einen Saugkopf zum Ansaugen eines Werkstückes, eine Unterdruckquelle
und eine Überdruckquelle, ein
einziges Schaltventil zur wahlweisen Verbindung der Unterdruckquelle
und der Überdruckquelle
mit dem Saugkopf, einen ersten Durchgang zur Verbindung des Schaltventils
mit dem Saugkopf, einen zweiten Durchgang zur Verbindung des Schaltventils
mit der Unterdruckquelle, einen dritten Durchgang zur Verbindung
des Schaltventils mit der Überdruckquelle
und eine Drosselvorrichtung in dem dritten Durchgang, wobei das
Schaltventil ein Zwei-Positions-Ventil mit einer ersten Schaltposition ist,
welche den dritten Durchgang unterbricht und den ersten Durchgang
mit dem zweiten Durchgang verbindet, und einer zweiten Schaltposition,
welche den zweiten Durchgang unterbricht und den ersten Durchgang
mit dem dritten Durchgang verbindet, und wobei ein Gesamtvolumen
in dem ersten Durchgang als V1 definiert ist, ein Gesamtvolumen
eines Hauptdurchgangsbereiches von der Drosselvorrichtung in dem
dritten Durchgang zu dem Schaltventil als V2 definiert ist, ein
Unterdruck in dem ersten Durchgang beim Ansaugen des Werkstückes durch
den Saugkopf als P1 definiert ist, ein Überdruck des Hauptdurchgangsbereiches
beim Ansaugen des Werkstückes
als P2 definiert ist, und ein Innendruck des ersten Durchgangs und
des Hauptdurchgangsbereiches unmittelbar nachdem das Schaltventil
in einen Zustand geschaltet wird, in welchem das Werkstück durch
den Saugkopf angesaugt wird und der erste Durchgang und der dritte
Durchgang miteinander verbunden werden, als Ps definiert ist, wobei
in folgender Gleichung: P1 × V1 + P2 × V2 = Ps × (V1+V2) die Drücke P1 und
P2 sowie die Durchgangsvolumina V1 und V2 einander so zugeordnet
sind, dass Ps gleich oder kleiner dem Atmosphärendruck ist. Dies ist notwendig,
damit das Werkstück
durch sein Eigengewicht von dem Saugkopf herabfallen kann.
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Wird das Schaltventil in die erste
Schaltposition geschaltet, um das durch den Saugkopf angesaugte
Werkstück
freizugeben, fließt
bei der erfindungsgemäßen Saugvorrichtung
ein in dem Hauptdurchgangsbereich herrschender Druck unmittelbar in
den ersten Durchgang. Daher wird der Innendruck in dem ersten Durchgang
und dem Hauptdurchgangsbereich ein festgelegter Freigabedruck, und das
Werkstück
wird unmittelbar freigegeben. Da der Freigabedruck zu dieser Zeit
gleich oder kleiner ist als der Umgebungsdruck, wird das Werkstück durch den
Freigabedruck nicht weggeblasen, auch wenn es nur ein geringes Gewicht
aufweist. Da anschließend durch
die Drosselvorrichtung allmählich
ein Überdruck
von der Überdruckquelle
zugeführt
wird, wird der Druck in dem Saugkopf etwas größer als der Umgebungsdruck.
Da das Werkstück
zu diesem Zeitpunkt aber bereits freigegeben ist, beeinflusst dieser Druck
die Freigabe des Werkstücks
nicht. Wenn der erste Durchgang einen Saugfilter aufweist, reinigt
der Überdruck
den Saugfilter, was Verstopfungen vermeidet.
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In Weiterbildung der Erfindung kann
ein Tank zur Vergrößerung des
Volumens des Hauptdurchgangsbereiches mit dem Hauptdurchgangsbereich des
zweiten Durchgangs verbunden werden. Der erste Durchgang kann einen
Saugfilter aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird ein Zwei-Positions-Magnetventil
mit Einzelsolenoid verwendet.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
auch ein Antriebsverfahren für
die oben beschriebene Vakuumsaugvorrichtung, wobei das Verfahren
einen ersten Schritt zur Verbindung des ersten Durchgangs mit dem
zweiten Durchgang mit Hilfe des Schaltventils umfasst, um dadurch
das Werkstück
durch den Saugkopf anzusaugen und zu transportieren, und einen zweiten
Schritt zur Verbindung des ersten Durchgangs mit dem dritten Durchgang
mit Hilfe des Schaltventils, wodurch dem Saugkopf ein Freigabedruck
zugeführt
und das Werkstück
von dem Saugkopf freigegeben wird, wobei in dem zweiten Schritt ein Überdruck,
welcher in dem Hauptdurchgangsbereich, der sich von einer Drosselvorrichtung
des drit ten Durchgangs zu dem Schaltventil erstreckt, vorliegt,
unmittelbar nachdem der erste Durchgang durch das Schaltventil mit
dem dritten Durchgang verbunden wurde in den ersten Durchgang fließt, wodurch
der Freigabedruck erreicht wird, und wobei die Größe des Freigabedruckes
auf einen Wert gleich oder kleiner dem Umgebungsdruck und auf einen Wert,
der erforderlich ist, um das Werkstück durch sein Eigengewicht
von dem Saugkopf fallen zu lassen, eingestellt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Antriebsverfahren
wird das Gesamtvolumen in dem ersten Durchgang als V1, das Gesamtvolumen
in dem Hauptdurchgangsbereich als V2, der Unterdruck in dem ersten
Durchgang beim Ansaugen des Werkstücks durch den Saugkopf als
P1, der Überdruck des
Hauptdurchgangsbereiches beim Ansaugen des Werkstückes als
P2 und der Freigabedruck als Ps definiert, wobei die Drücke P1 und
P2 sowie die Durchgangsvolumina V1 und V2 gemäß folgender Gleichung eingestellt
werden: P1 × V1
+ P2 × V2
= Ps × (V1+V2).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten
Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumsaugvorrichtung.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vakuumsaugvorrichtung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Eine Ausführungsform der Vakuumsaugvorrichtung 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird mit Bezug auf 1 erläutert. Die
Saugvorrichtung 20 dient dem Ansaugen eines kleinen und
leichtgewichtigen Werkstückes
W und dem Transportieren dieses Werkstückes zu einem Bestimmungsort.
Die Saugvorrichtung 20 umfasst einen Saugkopf 21 zum Ansaugen
des Werkstückes
W, eine Unterdruckquelle 22 für die Zufuhr von Unterdruck
zu dem Saugkopf 21, eine Überdruckquelle 21 für die Zufuhr
von Überdruck
zu dem Saugkopf 21 und ein Schaltventil 24 zur
wahlweisen Verbindung der Unterdruckquelle 22 bzw. der Überdruckquelle 23 mit
dem Saugkopf 21. Das Werkstück W hat ein geringes Gewicht
von 5g oder weniger oder in manchen Fällen sogar nur etwa 1 g.
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Der Saugkopf 21 ist über einen
ersten Durchgang 25 ohne Zwischenschaltung eines weiteren Schaltventils
direkt mit dem Schaltventil 24 verbunden. Die Unterdruckquelle 22 und
die Überdruckquelle 23 sind über einen
zweiten Durchgang 26 bzw. einen dritten Durchgang 27 ohne
Zwischenschaltung weiterer Schaltventile direkt mit dem Schaltventil 24 verbunden.
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Nachdem das Werkstück W durch
den Saugkopf 21 zu dem Bestimmungsort transportiert wurde, wird
bei der Saugvorrichtung 20 das Werkstück W von dem Saugkopf 21 in
einem Zustand getrennt, in welchem der Saugkopf 21 nach
unten gerichtet ist.
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Das Schaltventil 24 ist
ein Zwei-Positions-Drei-Wege-Magnetventil mit Einzelsolenoid. Das Schaltventil 24 wird
zwischen einer dargestellten zweiten Schaltpo sition B und einer
an der gegenüberliegenden
Seite angeordneten ersten Schaltposition A durch einen Solenoiden 24a und
eine Rückführfeder 24b umgeschaltet.
In der zweiten Schaltposition B ist der zweite Durchgang 26,
der mit der Unterdruckquelle 22 verbunden ist, unterbrochen,
während
der dritte Durchgang 27, der in Verbindung mit der Überdruckquelle 23 steht,
und der erste Durchgang 25, der in Verbindung mit dem Saugkopf 21 steht,
miteinander verbunden sind. In der ersten Schaltposition A ist der
dritte Durchgang 27, der mit der Überdruckquelle 23 verbunden
ist, unterbrochen, während
der zweite Durchgang 26, der mit der Unterdruckquelle 22 verbunden
ist, und der erste Durchgang 25 in Verbindung miteinander
stehen.
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Die Unterdruckquelle 22 umfasst
eine Vakuumpumpe oder einen anderen Unterdruckerzeugungsmechanismus
und kann einen Unterdruck der erforderlichen Größe zuführen. Die Überdruckquelle 23 umfasst
einen Überdruckzufuhrabschnitt 23a, bspw.
eine Booster- oder Druckerhöhungspumpe, und
ein Druckreduzierventil 23b zum Einstellen des Druckes
und kann einen Überdruck
der geforderten Größe liefern.
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Eine variable Drosselvorrichtung 28 mit
einem Drosselventil oder dgl. zum Einstellen einer Zufuhrmenge an Überdruckluft
von der Überdruckquelle 23 ist
in dem dritten Durchgang 27, welcher das Schaltventil 24 mit
der Überdruckquelle 23 verbindet, vorgesehen.
Ein Tank 27a zur Vergrößerung des
Volumens des dritten Durchgangs 27 auf ein gefordertes
Niveau ist zwischen der Drosselvorrichtung 28 und dem Schaltventil 24 vorgesehen.
Ein Saugfilter 25a zur Entfernung von Staub ist in dem
ersten Durchgang 25, welcher das Schaltventil 24 mit
dem Saugkopf 21 verbindet, vorgesehen. Wenn die Unterdruckquelle 22 in
Verbindung mit dem Saugkopf 21 steht und der Unterdruck
auf den Saugkopf 21 wirkt, wird Staub in der durch den
Saugkopf 21 angesaugten Luft durch diesen Saugfilter 25a entfernt.
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Das Werkstück W wird durch die Saugvorrichtung 20 in
zwei Schritten transportiert, einem ersten Schritt und einem zweiten
Schritt. In dem ersten Schritt wird der Solenoid 24a erregt,
um das Schaltventil 24 in die erste Schaltposition A, die
an der Position gegenüber
der in 1 gezeigten Position liegt,
zu schalten, der erste Durchgang 25 und der zweite Durchgang 26 auf
der Seite der Unterdruckquelle 22 werden miteinander verbunden,
um dadurch das Werkstück
durch den Saugkopf 21 anzusaugen und zu transportieren.
In dem zweiten Schritt wird der Solenoid 24a abgeschaltet,
um das Schaltventil 24 durch die Federkraft der Rückführfeder 24b in
die dargestellte zweite Schaltposition B umzuschalten, der erste
Durchgang 25 und der dritte Durchgang 27 werden
miteinander verbunden, um dem Saugkopf 21 einen Freigabedruck
zuzuführen, wodurch
das Werkstück
W von dem Saugkopf 21 freigegeben wird. Durch Wiederholen
dieser beiden Schritte wird eine Vielzahl von Werkstücken eines nach
dem anderen zu seinem Bestimmungsort transportiert.
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Hierbei ist das Gesamtvolumen einschließlich des
Saugfilters 25a in dem ersten Durchgang 25 als
V1, das Gesamtvolumen des Hauptdurchgangsbereiches 27b von
der Drosselvorrichtung 28 in dem dritten Durchgang 27 zu
dem Schaltventil 24 einschließlich des Tankes 27a als
V2, ein Unterdruck in dem ersten Durchgang 25 beim Ansaugen
des Werkstückes
durch den Saugkopf 21 als P1, ein Überdruck des Hauptdurchgangsbereiches 27b beim
Ansaugen des Werkstückes
als P2 und ein Innendruck des ersten Durchgangs 25 und
des Hauptdurchgangsbereiches 27b unmittelbar nachdem das Schaltventil 24 in
die zweite Schaltposition B in einem Zustand geschaltet wird, in
welchem das Werkstück durch
den Saugkopf 21 angesaugt wird und der erste Durchgang 25 und
der dritte Durchgang 27 miteinander verbunden sind, als
Ps definiert. In der Gleichung P1 x V1 + P2 x
V2 = Ps x (V1+V2) sind die Drücke P1 und P2 sowie die Durchgangsvolumina
V1 und V2 einander so zugeordnet, dass Ps gleich oder kleiner dem
Umgebungsdruck ist, was notwendig ist, damit das Werkstück W durch
sein Eigengewicht von dem Saugkopf 21 herabfallen kann. Ps
wird nicht wesentlich weiter erhöht.
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Wenn der erste Durchgang 25 und
der dritte Durchgang 27 durch das Schaltventil 24 in
dem zweiten Schritt miteinander verbunden werden, fließt bei dieser
Gestaltung ein in dem Hauptdurchgangsbereich 27b des dritten
Durchgangs 27 anliegender Druck in den ersten Durchgang 25.
Ein Druck in dem Saugkopf 21 erreicht unmittelbar einen
Druck Ps, der notwendig ist, um das Werkstück W freizugeben, d. h. einen
Freigabedruck. Da der Freigabedruck zu dieser Zeit etwa der gleiche
oder etwas niedriger ist als der Umgebungsdruck, wird das Werkstück durch
den Freigabedruck nicht weggeblasen, auch wenn es nur ein sehr geringes
Gewicht aufweist.
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Nachdem das Werkstück W freigegeben
ist, wird durch die Drosselvorrichtung 28 dem Saugkopf 21 allmählich Überdruckluft
von der Überdruckquelle 23 zugeführt. Dadurch
wird ein Druck in dem Saugkopf 21 etwas größer als
der Umgebungsdruck. Da aber das Werkstück zu diesem Zeitpunkt bereits
freigegeben ist, beeinflusst dieser Druck die Freigabe des Werkstücks nicht.
Stattdessen tritt der Strom der Überdruckluft
durch den Saugfilter 25a in dem ersten Durchgang 25,
wodurch der Saugfilter 25a gereinigt wird. Dies dient der
Vermeidung von Verstopfungen.
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Nachdem der zweite Schritt abgeschlossen ist,
kehrt der Vorgang wieder zu dem ersten Schritt zurück und der
Saugkopf 21 saugt das Werkstück W an. Während des ersten Schrittes,
in welchem das Werkstück
W angesaugt wird, wird durch die Drosselvorrichtung 28 allmählich Überdruckluft
in den Hauptdurchgangsbereich 27b des dritten Durchgangs 27 zugeführt und
der notwendige Überdruck
P2 für
den nächsten
zweiten Schritt aufgebaut. Nachdem der Druckaufbau abgeschlossen
ist, wird der zweite Schritt durchgeführt. Daher ist der Öffnungsbereich der
Drosselvorrichtung 28 extrem klein und hat in dem zweiten
Schritt keine Einwirkung, wenn der Innendruck des ersten Durchgangs 25 und
des Hauptdurchgangsbereiches 27b plötzlich auf den Freigabedruck
erhöht
wird.
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Lediglich durch EIN- oder AUS-schalten
des einzelnen Zwei-Positions-Schaltventils 24 kann die Saugvorrichtung 20 in
dieser Weise das Werkstück transportieren.
Im Vergleich mit dem herkömmlichen System,
welches das Drei-Positions-Magnetventil einsetzt,
werden somit der Aufbau und die Steuerung des Systems wesentlich
vereinfacht.
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Die Drosselvorrichtung 28 und
der Tank 27a können
in einem nicht dargestellten Körper
des Schaltventils 24 vorgesehen sein. Es ist nicht immer notwendig,
den Tank 27a vorzusehen. Stattdessen kann das Leitungsvolumen
des Hauptdurchgangsbereiches 27b auf das notwendige Volumen
eingestellt werden.
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Wird das Werkstück in der Saugvorrichtung gewechselt,
so wird das Druckreduzierventil 23b zum Einstellen des
Werkstückes
entsprechend des Gewichtes des Werkstückes so eingestellt, dass die oben
genannte Gleichung erfüllt
wird. Außerdem
wird der Überdruck
P2, der von der Überdruckquelle 23 zugeführt wird,
leicht angepasst, oder sowohl der Unterdruck P1 als auch der Überdruck
P2 werden leicht angepasst. Bei Bedarf wird auch die Öffnungsfläche der
Drosselvorrichtung 28 angepasst.