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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für einen
Industrieroboter mit wenigstens einem gelenkig bewegbaren Handhabungsarm,
umfassend eine den Roboter umhüllende
und mit einem Schutzgas unter Überdruck
durchströmbare
Schutzhülle,
die wenigstens eine erste flexible Schicht eines gasundurchlässigen,
flexiblen Kunststoffmaterials aufweist.
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Unter
einem Industrieroboter sei im Rahmen der vorliegenden Beschreibung
eine elektrisch betriebene Vorrichtung verstanden, die wenigstens
einen gelenkig bewegbaren Handhabungsarm aufweist, der wenigstens
drehbeweglich auf einer feststehenden Basis angeordnet ist. Der
Handhabungsarm kann mit unterschiedlichen Werkzeugen bestückt oder
bestückbar
sein, beispielsweise mit einem Greifer, einer Schweißeinrichtung,
einer Spritzeinrichtung etc. Zur Energieversorgung von typischerweise
im Bereich der Gelenke angeordneten Elektromotoren und ggf. zur
Versorgung des Werkzeugs mit Energie und/oder einem Medium, wie
z.B. einem zu verspritzenden Lack, sind üblicher Weise im Inneren des
Handhabungsarmes Kabel und/oder Schläuche verlegt, die im Bereich
der feststehenden Basis Anschlüsse
aufweisen.
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Alternativ
ist es auch bekannt, Kabel und/oder Schläuche wenigstens teil- oder
bereichsweise außerhalb
des Handhabungsarmes zu verlegen.
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Eine
typische Schwierigkeit beim Betrieb von Industrierobotern ist ein
angemessener Explosionsschutz. Für
den Explosionsschutz sind unterschiedliche Gefahrenzonen definiert.
Beispielsweise beschreibt Zone 22 eine Umgebung, in der
nur selten schwach explosionsgefährliche
Gase oder Stäube auftreten.
Zone 21 beschreibt ein häufiges Auftreten schwach explosionsgefährlicher
Gase und Stäube. Zone 0 hingegen
beschreibt eine Umgebung, in der im Wesentlichen dauerhaft eine
hochexplosive Atmosphäre
herrscht.
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Bislang
wird der Explosionsschutz bei Industrierobotern typischerweise durch
geeignete Auslegung des Roboters selbst realisiert. Die
DE 36 01 437 C2 offenbart
einen Industrieroboter, der im Inneren seines Handhabungsarmes und
der Basis Luftkammern aufweist, in denen Kabel und Schläuche geführt sind,
und die gegen die Außenatmosphäre des Roboters
im Wesentlichen abgedichtet sind. Die Luftkammern sind mit einem
Schutzgas unter Überdruck
beschickbar. Der Überdruck
in den Luftkammern wird durch Druckregler gesteuert und überwacht.
Im Fall eines Lecks einer Luftkammer tritt zunächst das Schutzgas aus dem
Leck aus, sodass die explosionsgefährliche Außenatmosphäre nicht an Leitungen und/oder
Motoren im Inneren des Handhabungsarmes gelangen kann. Gleichzeitig
wird der Druckabfall registriert und der Roboter abgeschaltet. Die
in der vorgenannten Druckschrift offenbarten Luftkammern weisen
Ablassklappen auf, die zur Spülung
des Inneren der Luftkammern mit Schutzgas vor einer Inbetriebnahme
geöffnet
werden können.
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Einem
anderen Konzept folgt der explosionsgeschützte Industrieroboter gemäß der
KR 10 1989 0000718
B1 . Hier wird ein so genanntes offenes System offenbart,
bei dem die Luftkammern im Inneren von Basis und Handhabungsarm
ebenfalls mit Schutzgas unter Überdruck
beschickt werden, jedoch nicht im wesentlichen abgedichtet sondern
gegenüber
der Außenatmosphäre offen
sind. Hierdurch wird ein ständiger
Gasstrom vom Inneren der Luftkammern nach außen realisiert, wobei im Inneren
der Luftkammern durch den Rückstau
an den Öffnungen ein Überdruck
entsteht.
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Nachteilig
bei diesen bekannten Konzepten ist der aufwendige Aufbau des Roboters,
der mit erheblichen Kosten verbunden ist und zu einer Vielzahl von
für unterschiedliche
Gefahrenzonen ausgelegten Modellen führt. Dies wiederum führt ebenfalls
zu erhöhten
Kosten.
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Aus
dem Bereich der Lebensmittelindustrie sind gattungsgemäße Schutzvorrichtungen
für Industrieroboter
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 bekannt. Diese Schutzvorrichtungen bestehen im Wesentlichen
aus einer flexiblen Umhüllung
des Roboters, die ständig
von einem Schutzgas unter Überdruck
durchströmt
wird. Typischerweise umfasst eine solche Schutzhülle einen festgelegten, die
feststehende Basis umhüllenden
Bereich sowie für
jeden Handhabungsarm einen diesen umhüllenden und mit diesem beweglichen
Bereich. Es ist bekannt, beide Bereiche an einem Drehsockel in überlappender Weise
aufeinandertreffen zu lassen, wobei in der Überlappungszone einerseits
das Schutzgas vom Inneren der Schutzhülle nach außen auftritt und die Überlappungszone
andererseits so eingerichtet ist, dass bei einer Druckumkehr einander überlappende Dichtungslippen
die Schutzhülle
gegen die Außenatmosphäre abdichten,
sodass ein Eindringen von Stoffen der Außenatmosphäre ins Innere der Schutzhülle vermieden
wird. Ein wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes liegt in der kostengünstigen
Nachrüstbarkeit
nahezu beliebig gestalteter Industrieroboter. Allerdings sind bislang
keine derartigen Schutzhüllen bekannt,
die auch die Anforderungen für
den Explosionsschutz erfüllen
würden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Schutzvorrichtung
für Industrieroboter
derart weiterzubilden, dass ein zuverlässiger Explosionsschutz gewährleistet
wird.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass innerhalb der ersten flexiblen Schicht der Schutzhülle wenigstens
eine zweite flexible, metallhaltige Schicht angeordnet ist.
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Durch
Wahl geeigneter Kunststoffmaterialien ist es möglich, die erste flexible Schicht
der Schutzhülle
mechanisch und thermisch hinreichend robust zu gestalten, um eine
zuverlässige
Trennung von Innen- und Außenatmosphäre zu gewährleisten.
Derartige Materialien sind bekannt. Als Kunststoffmaterialien zeigen
sie jedoch den Nachteil einer statischen Aufladbarkeit, die zu einem
Funkenüberschlag
führen
kann, was in einer hochexplosiven Umgebung unbedingt zu vermeiden
ist. Die Gefahr der statischen Aufladung und des Funkenüberschlags
wird durch die ständige
Bewegung des Roboterarms in sich und relativ zur Basis und damit
die Bewegung und Reibung der unterschiedlichen Schutzhüllenbereiche
zu- bzw. aneinander noch verstärkt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die statische Aufladbarkeit
der Schutzhülle
dadurch zu zerstören,
dass eine elektrisch hoch leitfähige
zweite Schicht eingesetzt wird. Auf diese weise wird die mechanische
und thermische Widerstandsfähigkeit
der Schutzhülle
durch die äußere Kunststoffschicht
gewährleistet,
während eine
elektrostatische Aufladung durch die innere, metallhaltige Schicht
verhindert wird. Zudem hat diese innere, metallhaltige Schicht den
Vorteil, elektrische Felder zuverlässig abzuschirmen.
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Um
eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, wird
bevorzugt, dass die zweite flexible, metallhaltige Schicht eine
mehrlagige Schicht mit einer Mehrzahl an Metallisierungslagen aus
unterschiedlichen Metallen ist. Als günstig hat sich dabei erwiesen,
wenn wenigstens eine Metallisierungslage aus Nickel oder einer nickelhaltigen
Legierung, aus Silber oder silberhaltigen Legierung bzw. aus Kupfer
oder einer kupferhaltigen Legierung besteht. Besonders bevorzugt
wird eine Ausführungsform,
bei der die zweite flexible, metallhaltige Schicht je eine Metallisierungslage
aus einem der vorgenannten Metalle oder deren Legierungen aufweist.
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Um
die mechanische Robustheit der zweiten flexiblen metallhaltigen
Schicht zu verbessern, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, dass wenigstens eine Metallisierungslage auf einer Trägerlage
aus Kunststoff aufgebracht ist. Polyamid (Nylon) oder Polyester
sind beispielsweise geeignete Trägermaterialien,
die sowohl als Textil, also Gewebe, Gewirke oder Vlies, als auch
als Membran einsetzbar sind.
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Wie
erwähnt,
wird die mechanische Widerstandsfähigkeit der Schutzhülle als
solche wesentlich von der äußeren Kunststoffschicht
bestimmt, die bei einer bevorzugten Ausführungsform aus einem mit Polyurethan
beschichteten Polyamidmaterial (z.B. Nylon), das vorzugsweise als
Textil, möglicherweise aber
auch als Membran ausgeführt
ist, besteht. Die Stärke
der PU-Schicht liegt typischerweise bei einigen 10 bis einigen 100
Mikrometer, bevorzugt bei ca. 200 Mikrometer. Demgegenüber der äußeren Kunststoffschicht
ist die zweite flexible, metallhaltige Schicht, selbst in einer
kunststoffverstärkten
Version wie oben beschrieben, typischerweise leichter verletzbar.
Um Beschädigungen,
die beispielsweise auch durch Reibung der zweiten Schicht an Elementen
des Industrieroboters selbst entstehen könnten, sicher zu vermeiden,
ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass die zweite flexible, metallhaltige Schicht zwischen der ersten flexiblen
Schicht aus flexiblem Kunststoffmaterial und einer dritten flexiblen
Schicht, die ebenfalls aus einem flexiblen Kunststoffmaterial ausgebildet
ist, eingebettet ist. Die dritte flexible Schicht besteht günstigerweise
aus dem gleichen Material wie die erste flexible Schicht, vorzugsweise
aus mit Polyurethan beschichtetem Polyamid. Auf diese Weise wird
eine Beschädigung
der metallhaltigen Schicht zuverlässig vermieden, was es im Einzelfall
auch gestattet, die metallhaltige Schicht selbst unverstärkt und
vergleichsweise dünn
auszugestalten, was Kosten- und Gewichtsvorteile nach sich zieht.
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In
vereinzelten Fällen
kann eine weitere Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit
der Schutzhülle erforderlich
werden. Dies kann der Fall sein, wenn der elektrische Oberflächenwiderstand
der äußeren Kunststoffschicht
sehr hoch ist, z.B. etwa 1 Megaohm oder mehr über eine Referenzfläche von
50 cm2. Solche Situationen treten insbesondere
auf, wenn der anvisierte Anwendungsbereich des Industrieroboters aufgrund
besonderer Anforderungen an das Hüllenmaterial, wie z.B. besondere
Widerstandsfähigkeit gegen
aggressive und/oder ätzende
Chemikalien, nur eine sehr begrenzte Auswahl verwendbarer Kunststoffmaterialien
zulässt.
Eine Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, "kennzeichnender Teil
von Anspruch 8".
Die Nieten, insbesondere Stahlnieten, die die Schutzhülle vorzugsweise gasdicht
durchdringen, könnten
günstigerweise
in einer Flächendichte
von einer Niete auf 40 cm2 Oberfläche über die
Schutzhülle
verteilt sein.
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Wie
erwähnt,
besteht das an sich bekannte Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung
in einem kontinuierlichen Durchströmen der Schutzhülle mit
einem Schutzgas unter Überdruck. Um
ein Versagen des Schutzes bei Lecks der Schutzhülle oder bei Ausfall der Schutzgaszuführung zu
vermeiden, ist günstigerweise
ein Druckwächter, insbesondere
ein Differenzdruckwächter
vorgesehen, der den Druck im Inneren der Schutzhülle oder vorzugsweise den Differenzdruck
zwischen dem Inneren und dem Äußeren der
Schutzhülle überwacht. Als
weitere Wächtervorrichtungen
sind günstigerweise
Rauch- und/oder Temperaturwächter
im Inneren der Schutzhülle
angeordnet, um bei Feuer und/oder zu hohen Temperaturen, die z.B.
an einem der Motoren des Handhabungsarmes entstehen können, geeignete
Maßnahmen
einzuleiten. Typischerweise ist eine der von jeder installierten
Wächtervorrichtung einzuleitenden
Maßnahmen
die Ausgabe oder Ansteuerung eines Alarmsignals. Bevorzugt ist jedoch jede
Wächtervorrichtung
mit einem "Notaus"-Schalter gekoppelt,
sodass jede Wächtervorrichtung
bei Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellenwertes eines von ihr überwachten
Parameters im Inneren der Schutzhülle eine Energie- und/oder
Medienzufuhr zu dem Roboter abschaltet. Zur Verbesserung der Sicherheit
wird bevorzugt jede Wächterfunktion in
doppelter Ausführung
installiert, wobei vorzugsweise jede einzelne Wächtervorrichtung über die oben
erwähnte "Notaus"-Funktionalität verfügt
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Als
zusätzliche
Maßnahme
zur Sicherheitserhöhung
können,
wie bei einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, bei Betrieb wärme
entwickelnde Bereiche des Roboters mit einem Vlies oder Gewebe aus
voroxidierten Kohlefasern beschichtet oder ummantelt sein. Dies
betrifft im wesentlichen die Elektromotoren im Bereich der Gelenke
des Handhabungsarmes. Voroxidierte Kohlefasern, die vielfach als
auch Preox-Materialien
bezeichnet werde, sind als Hitzeschutzmaterialien im Prinzip bekannt.
Allerdings werden sie typischerweise zum Schutz von Elementen vor äußerer Wärmestrahlung
oder -Konvektion eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
werden sie jedoch im Gegensatz dazu zur Dämmung bzw. Ummantelung der
Hitze entwickelnden Komponenten selbst eingesetzt.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines Industrieroboters mit Sockelgestell
für die
erfindungsgemäße Schutzvorrichtung.
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2:
eine Seitenansicht des Industrieroboters von 1 mit angedeuteter
Schutzhülle.
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3:
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten flexiblen, metallhaltigen
Schicht der Schutzhülle.
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4:
eine schematische Darstellung des Aufbaus des Hüllenmaterials der Schutzhülle.
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5:
eine ausschnittsweise Draufsicht auf eine besondere Ausführungsform
des Schützhüllenmaterials.
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1 zeigt
einen typischen Industrieroboter 10. Der Roboter 10 weist
eine feststehende Basis 12 und einen in sich gelenkig bewegbaren
und auf der Basis 12 drehbar angeordneten Handhabungsarm 14 auf.
Der Handhabungsarm 14 weist bei der dargestellten Ausführungsform
4 Armelemente 141, 142, 143 und 144 auf.
An der Spitze des äußersten
Armelementes 144 ist ein Anschlussstück 155 für ein auswechselbares
Werkzeug angebracht.
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Im
Bereich der Basis 12 ist ein Sockelgestell 16 angebracht.
Das Sockelgestell 16 umfasst einen bei der Ausführungsform
von 1 rechteckig ausgeführten Bodenrahmen 161,
der fest mit dem Hallenboden oder einem Fundament des Industrieroboters 10 verbunden
werden kann. Über
Streben 162 ist der Bodenrahmen 161 mit einem
Drehring 163 verbunden. Für den Drehring sind unterschiedliche
Ausführungsformen
denkbar. Bei der Ausführungsform von 1 beinhaltet
der Drehring ein abgedichtetes oder abdichtbares Wälzlager,
dessen Funktion nachfolgend in Verbindung mit der Beschreibung von 2 näher erläutert werden
soll.
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2 zeigt
den Industrieroboter 10 mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Schutzhülle 18. Diese
Schutzhülle 18 besteht
bei der dargestellten Ausführungsform
aus zwei Hüllenbereichen.
Ein ersten Hüllenbereich 181 umschließt die Basis 12 des Industrieroboters 10.
Das flexible Hüllenmaterial
ist dichtend mit dem Bodenrahmen 161 und dem Drehring 163' verbunden,
wobei letzterer geringfügig
anders ausgebildet ist als der Drehring 163 der Ausführungsform
von 1. Ein zweiter Schutzhüllenbereich 182 erstreckt
sich von dem Drehring 163' um den
gesamten Handhabungsarm 14 der Roboters 10 und
schließt
dichtend am Werkzeug-Anschlussstück 145 ab.
Vorzugsweise weist der zweite Schutzhüllenbereich 182 und
ggf. auch der erste Schutzhüllenbereich 181 einen
im Wesentlichen gasdichten Reißverschluss
auf, der in 2 nicht gezeigt ist. Ein solcher Reißverschluss
vereinfacht die Montage der Schutzhülle 189 über dem
Industrieroboter 10.
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Obgleich
in den Zeichnungen nicht ausdrücklich
dargestellt, wird die Funktion es dichtenden Wälzlagers des Drehrings 163 der
Ausführungsform von 1 in
Zusammenschau mit der Anbringung der Schutzhülle 18 in 2 deutlich.
Die Abdichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Schutzhüllenbereich
wird bei der Ausführungsform
von 1 über das
dichtende Wälzlager
des Drehrings 163 realisiert. Bei der Ausführungsform
von 2 ist der Drehring 163' hingegen als Doppelring mit axial
benachbarten Einzelringen 163'a und 163'b ausgeführt. Der untere Einzelring 163'a ist relativ
zu dem Bodenrahmen 161 fest ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache
Montage des ersten Schutzhüllenbereichs 181.
Der obere Einzelring 163'b ist
gegenüber
dem unteren Einzelring 163'a drehbeweglich.
Der zweite Schutzhüllenbereich 182 ist
dichtend mit diesem oberen Einzelring 163'b verbunden. Eine Abdichtung zwischen
den Einzelringen 163'a und 163'b erfolgt über eine
an sich bekannte Lippendichtung, die als Verschleißteil günstigerweise
regelmäßig ausgetauscht
wird.
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In
den Figuren nicht dargestellt ist eine Zuleitung für ein Schutzgas,
das vorzugsweise aus einem benachbarten, keine explosive Atmosphäre enthaltenden
Raum mittels eines gefilterten Gebläses in das Innere der Schutzhülle 18 mit Überdruck
eingeblasen wird. Der Anschluss kann insbesondere über ein
in den Figuren nicht dargestelltes Fundament des Roboters 10 erfolgen.
Durch das mit Überdruck
eingetragene Schutzgas wird die Schutzhülle 18 aufgeblasen,
sodass ein Kontakt mit dem Roboter 10 weitestgehend vermieden
werden kann. Im Bereich des Drehrings 163 bzw. 163' erfolgt ein
erwünschter
und durch Auslegung der Dichtung an dieser Stelle einstellbarer
Gasaustritt, sodass das Innere der Schutzhülle 18 ständig mit
dem Schutzgas durchspült
wird, was den Eintritt von Stoffen aus der Außenatmosphäre der Schutzhülle 18 zuverlässig unterbindet.
Je nach Ausführung
der Dichtung kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einer Druckumkehr
ein völliger
Verschluss erfolgt.
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Die
Schutzhülle 18 besteht
aus wenigstens zwei unterschiedlichen Lagen. Ein bevorzugter Aufbau
der Schutzhülle
ist in den 3–5 dargestellt.
In jedem Fall besteht die Schutzhülle 18 aus einer äußeren, flexiblen
Kunststoffschicht 183, die vorzugsweise aus einem Polyamidmaterial
(z.B. Nylon) besteht, das zur mechanischen Verstärkung eine Beschichtung aus
thermoplastischem Polyurethan, vorzugsweise in einer Stärke von
etwa 200 Mikrometer aufweist. Innerhalb der Außenschicht 183 ist
eine metallhaltige Schicht 184 vorgesehen. Diese metallhaltige
Schicht, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollte, dient
dem Abbau elektrostatischer Aufladungen der Kunststoffschicht 183.
Die leitende Schicht 184 ist vorzugsweise mit dem Industrieroboter 10 geerdet.
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3 zeigt
einen bevorzugten Aufbau der leitenden Schicht 184. Diese
ist günstigerweise mehrlagig
aufgebaut. Eine erste Lage 184a besteht aus einer mit Silber
oder einer Silberlegierung beschichteten Polyester- oder Polyamidschicht.
Der Kunststoff wirkt hierbei als Trägermaterial und ermöglicht eine
dünne und
gleichmäßige Metallisierung mit
dem vergleichsweise teuren Silbermaterial. Eine zweite Metallisierungslage 184b besteht
bei der dargestellten Ausführungsform
aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung. Eine dritte Metallisierungslage 184c besteht
aus Nickel oder einer nickelhaltigen Legierung. Die Metallisierungslagen
können
unmittelbar aufeinander geschichtet sein oder bei einer anderen
Ausführungsform
jeweils auf einer Kunststoffträgerschicht
aufgebracht sein. Auch Kombinationen hiervon sind möglich.
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Bei
der Ausführungsform
des Schutzhüllenmaterials
gemäß 4 ist
die leitende Schicht 184 eingebettet zwischen der bereits
diskutierten Außenschicht 183 und
einer zusätzlichen
Innenschicht 184, die ebenfalls aus einem flexiblen Kunststoffmaterial besteht.
Die Einbettung der leitenden Schicht 184 zwischen zwei
mechanisch robuste Schichten 183 und 185 erlaubt
eine fragilere und damit dünnere Ausgestaltung,
was zu deutlichen Kosten- und Gewichtseinsparungen führt.
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Muss
aufgrund einer besonders aggressiven Atmosphäre, in der der Roboter 10 eingesetzt
werden soll, als äußere Kunststoffschicht 183 ein
Material mit sehr hohem elektrischen Oberflächenwiderstand, z.B. Teflon,
gewählt
werden, kann es sein, dass die leitende Schicht 184 eine
elektrostatische Aufladung nicht so vollständig unterbinden kann, wie dies
für einen
maximalen Explosionsschutz wünschenswert
wäre. In
diesem Fall eignet sich eine Weiterbildung der Erfindung, wie insbesondere
in den 4 und 5 dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen
ist die Hülle 18 von
Metall-, vorzugsweise Stahlnieten 19 durchsetzt. Die Nieten 19,
die günstigerweise
gleichmäßig über die
gesamten Hüllenoberfläche verteilt
sind, stellen einen sehr engen Kontakt zwischen dem Hüllenäußeren 183 und
der leitenden Schicht 184 dar. Auf diese Weise kann auch
bei einem hohen Oberflächenwiderstand
der Außenschicht
eine elektrostatische Aufladung so zuverlässig unterbunden werden, dass
auch in hochexplosiven Atmosphären
ein sicherer Betrieb des Roboters 10 gewährleistet
ist.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren
dargestellten Ausführungsformen
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen
Offenbarung ein breites Variationsspektrum anhand gegeben. Insbesondere
können
die spezielle Wahl der Materialien, die Form der Schutzhülle und
zusätzliche
Sicherheitsmaßnahmen,
wie beispielsweise Druck-, Rauch- und Temperaturwächter, an
die jeweiligen Anforderungen der konkreten Anwendung angepasst werden.