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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Handhabungsgerät, mit dem Objekte, die aufgrund ihrer Eigenschaften, wie Gewicht, Ausdehnung oder Beschaffenheit schwer zu handhaben sind, an einem Bestimmungsort positioniert werden können.
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Handhabungsgeräte, auch als Manipulatoren bezeichnet, sind Apparate, die insbesondere in diversen Branchen von Industrie und Handwerk zum Bewegen von Lasten dienen. Es gibt diverse Typen an Handhabungsgeräten, z. B. Hubsäulen, auch als Hubachsen bezeichnet, Parallelogrammgeräte, Schwenkkrane, Seilbalancer etc. Viele Handhabungsgeräte haben einen pneumatischen Antrieb; es erfolgt der Gewichtsausgleich pneumatisch. Die Verwendung von Druckluft hat den Vorteil, dass eine ruckfreie, weiche Lastbewegung erzielt wird. Ein großer Nachteil ist jedoch der schlechte Wirkungsgrad. Als Alternativen wurden elektrische Antriebe konzipiert, die jedoch bei der Lastbewegung ein als störend empfundenes Ruckverhalten zeigen. Zudem ist es bei diversen Handhabungsgeräten, wie z. B. Parallelogrammgeräten, nicht möglich, die Last durch Handbewegung zu führen; sie muss mit Hilfe des Elektroantriebs geführt werden.
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Apparate, bei denen zum Heben oder Senken einer Last eine Druckluftzufuhr erforderlich ist, sind aus zahlreichen Anwendungen, wie beispielsweise aus der Anmeldeschrift
EP 0 032 457 (Anmelderin: Ratcliff Tail Lifts Limited; Anmeldetag: 14. Januar 1981) bekannt. Bei derartigen Anlagen wird mit Hilfe der zugeführten Druckluft die Last auf eine gewünschte Höhe gebracht. Von dem eingestellten Höhenniveau aus ist z. B. die Beladung eines Fahrzeugs möglich. Aufgrund der erforderlichen Druckluftversorgung ist der Einsatzradius an eine geeignete Druckluftquelle, wie ein Lastfahrzeug, gebunden. Ein ähnliches, allerdings eigenständig fahrbares, System ist in der
EP 0 534 643 A1 (Anmelderin: Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd.; Anmeldetag: 10. September 1992) dargestellt. Hierbei dient ein pneumatisch betätigter Druckluftzylinder dazu, eine Last auf eine gewünschte Höhe zu bringen. Gleichzeitig wird in einem Druckluftzylinder das Gewicht der Last über den Druck bestimmt. Der Hebezylinder ist von zwei Druckluftbremsen flankiert, die bei Freigabe des Hebedrucks die aufgenommene Last abfedern können. Derartige pneumatisch angetriebene Systeme besitzen aufgrund von Luftverlusten einen ungünstigen Wirkungsgrad. Es geht beispielsweise die in dem Luftdruck gespeicherte Energie bei der Öffnung von Ventilen verloren.
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Ein etwas abgewandeltes Hebeprinzip ist in der Offenlegungsschrift
DE 198 53 935 A1 (Anmelder: Schlegel, S., Schlegel, M.; Anmeldetag: 23. November 1998) beschrieben. Die Hebevorrichtung für ein Reserverad ist in die Reserveradmulde im Boden des Kofferraums eines Fahrzeugs eingebaut. Eine komprimierte Gasdruckfeder wird als Antriebsmechanismus eingesetzt. Mit dieser Vorrichtung wird ein Reserverad zur Erleichterung der Entnahme automatisch durch Expansion der Gasdruckfeder an den äußeren Rand des Kofferraums geführt, sodass es ohne umständliches und körperschädliches Anheben zum Montageort gebracht werden kann. Gasfedergestützte Haltevorrichtungen bzw. bewegungsunterstützende Vorrichtungen kommen z. B. auch an Heckklappen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz, wie in der Patentschrift
DE 26 04 529 B2 (Anmelderin: Boge GmbH; Anmeldetag: 6. Februar 1976) dargestellt ist.
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Anordnungen mit Gasfedern kommen auch in Halterungen zum Einsatz, mit denen ein Objekt eines vorgegebenen Gewichts zu einer gewünschten Position geführt werden kann. Derartige in einem Gehäuseteil eingebaute Anordnungen sind in der Offenlegungsschrift
EP 0 244 566 A2 (Anmelderin: International Business Machines Corporation; Anmeldetag: 11. Februar 1987) oder der Offenlegungsschrift
DE 34 16 823 A1 (Anmelder: Kreuzer, S.; Anmeldetag: 7. Mai 1984) beschrieben. Dabei kommen verschiedene Hebelanordnungen zum Einsatz, wobei eine Gasdruckfeder mit einem armartigen Hebel beweglich verbunden ist und über diese Anordnung die zu tragende Gewichtskraft an ein Gehäuse abgeführt wird. Dazu können an dem Gehäuse auch mehrere einzelne Befestigungspunkte für die Gasdruckfeder vorgesehen sein, um das System an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Aufgrund der durch das Gehäusedesign begrenzten Anordnung können jedoch schwere Lasten von dieser Trageanordnung nicht aufgenommen werden. Einzelne Komponenten, wie die Gasdruckfeder, sind für Anpassungs- oder Wartungsarbeiten schwer zugänglich.
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Im Bereich industrieller Fertigung besteht vielfach ein Bedarf an einem Handhabungsgerät, das es ermöglicht, eine Last, wie ein Rad oder eine Glasscheibe, dem Montageort, wie eine Radnabe oder einem Chassis, zuzuführen. Elektrisch betriebene Systeme weisen in Abhängigkeit von dem eingesetzten Typ an Handhabungsgerät in der Regel keinen Spielraum zur manuellen Handhabung auf, wie eingangs ausgeführt.
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Diese Aufgabe wird zumindest teilweise durch ein Handhabungsgerät nach Schutzanspruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe zumindest teilweise durch ein Verfahren nach Schutzanspruch 16 oder eine Verwendung nach Schutzanspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Handhabungsgerät ermöglicht es einem Arbeiter per Hand, ein Objekt ohne unmäßige körperliche Belastung oder Anstrengung einem Montageort zuzuführen, und dies bei wechselnden Lasten und, auch während des Arbeitsvorgangs, wechselnden Lastmassen. Aufgrund des Bewegungsspielraums, den das Handhabungsgerät für das Objekt zulässt, können Feinjustierungen an der Position des zu positionierenden bzw. zu montierenden Objekts gegenüber einem Montagekörper mit Handkraft vorgenommen werden. Der für eine Feinjustierung erforderliche Spielraum für eine Auf-Ab-Bewegung, insbesondere eine Hubbewegung oder eine Senkbewegung, wird durch die luftkissenartige Nachgiebigkeit einer Gasdruckfeder ermöglicht. Eine Bewegung kann frei von Reibungshindernissen oder vorgegebenen Schrittgrößen oder Beschleunigungen von elektronisch oder hydraulisch betätigbaren Positioniermechanismen kontinuierlich und schnell erfolgen. Selbst Masseänderungen während des Arbeitsvorgangs, z. B. durch Anbauten an das Objekt, Zuladen von weiteren Objekten etc., sind weiterhin per Hand handhabbar und zu bewegen. Eine Feinjustierung, z. B. in eine horizontale, seitliche Position oder in eine vertikale Position, kann durch Schieben oder Ziehen des zu montierenden Objekts mit Muskelkraft eingestellt werden. Für die Verbringung eines Objekts in mindestens eine seitliche Position können an dem Handhabungsgerät mindestens eine Lateraleinheit, wie ein Drehgelenk, ein Schienensystem, ein Seilsystem, ein Gliederkettensystem oder eine Kombination davon, vorgesehen sein. Eine Lateraleinheit ist eine tragende Verbindung, die eine Bewegung eines Objekts in einer Richtung, die senkrecht zu einer Gewichtskraft des Objekts steht, ermöglicht.
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Zu den Objekten, die mit einem erfindungsgemäßen Handhabungsgerät manipuliert werden können, zählen alle Lasten, insbesondere Bauteile oder Komponenten, z. B. von Maschinen oder Fahrzeugen, die bewegt oder zueinander montiert werden sollen.
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Vorzugsweise soll dem Arbeiter, der die Montage ausführt, die Handhabung des Gewichts durch das Handhabungsgerät abgenommen werden. Um wechselnden Anwendungen im industriellen Bereich gerecht zu werden, ist das Handhabungsgerät ohne aufwändige Installationsmaßnahmen vielfältig verwendbar. Durch Verwendung des Handhabungsgeräts wird der Schutz vor Arbeitsunfällen verbessert und insbesondere Vorschriften der Lastenhandhabungsverordnung sind in die betriebliche Praxis umsetzbar.
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Das Handhabungsgerät umfasst mindestens einen Lastträger wie einen Lastarm. Ein Lastträger ist Element des Handhabungsgerätes, von welchem, zumindest mit Hilfe von weiteren Elementen wie Kupplungselementen, Befestigungsmittel, Umlenkungen etc., die Last gehalten wird. Als Beispiele seien Lastarme und Lastseile genannt.
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Der Lastarm als Lastträger ist vorzugsweise über mindestens ein Gelenk mit einem Körper, wie einer Wand, einem Rahmenelement, einem Träger oder einer Säule, verbunden, sodass ein dazu gegenüberliegendes Ende des Lastarms eine Hubbewegung auf bzw. ab entlang des Körpers ausführen kann. Im Falle des Vorsehens eines Lastträgers als Lastarm, bilden Lastarm und Säule eine kranartige Anordnung. Der Lastarm ist bevorzugt an dem Körper, wie der Säule, insbesondere in einer Ebene, wie eine Vertikalebene, drehbar.
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Das Handhabungsgerät kann eine Säule umfassen. Die Säule kann einen Fuß aufweisen. Die Säule kann gegenüber dem Fuß um eine Drehachse drehbar sein. Sie kann auch fest montiert sein oder mit einem Fuß an einem fahrbaren Untersatz befestigt sein. Der fahrbare Untersatz, wie ein Gelenkarm oder eine Laufkatze, ist mindestens in einer Dimension beweglich. Die Säule bzw. der Fuß der Säule kann auch um eine Drehachse schwenkbar sein. Von der Säule werden Gewichtskräfte in den Untergrund abgeleitet.
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Der Lastarm kann mindestens ein Armglied, wie einen Armausleger, aufweisen, das in einer horizontalen, vorzugsweise waagerechten Drehebene, d. h. um eine Achse drehbeweglich ist. An dem Armausleger kann ein weiteres Drehgelenk angeordnet sein, an dem eine Last in einer zweiten waagerechten Drehebene drehbeweglich ist. Die Orientierung der Drehebene ist unabhängig von der Position des Arms. Der Lastarm kann an einer Mehrzahl von Drehgelenken einstellbar sein, von denen vorzugsweise mindestens ein Drehgelenk eine aktuierbare Bremse aufweist. Die Gelenke sind scharnierartige Gelenke und keine Kugelgelenke. Die Gelenke sind in einer Ebene bewegbar und in mindestens einer zweiten Ebene, die insbesondere rechtwinklig zur ersten Ebene angeordnet ist, fest.
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Das auf und ab hubbewegliche Ende des Lastarms ist mit einem zu handhabenden Objekt an einer Kuppeleinheit verbindbar.
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Zur Abstützung des Gewichts des Lastarms und des Gewichts eines daran lösbar befestigten Objekts ist der Lastarm mit einer Gasfeder zu einem Körper verstrebt. Ein Ende der Gasfeder ist an dem Lastarm angelenkt. Ein dazu gegenüberliegendes Ende der Gasfeder ist an dem Körper wie einer Säule, einem Gerüst oder einer Wand angelenkt. Der Gasdruck in der Gasfeder bewirkt eine Kraft, die der Gewichtskraft des Lastarms und der Gewichtskraft des von dem Lastarm getragenen Objekts entgegensteht. Bei Gleichheit der Kräfte ruht der Lastarm auf der Gasfeder. Die Lage des Lastarms bezüglich des Körpers bleibt erhalten. Die Gasfeder, als ein Mittel zur Lageerhaltung, kann dazu verwendet werden, ein Kräftegleichgewicht einzustellen. Die Kräfte werden besonders günstig gegeneinander kompensiert, wenn die Anlenkung der Gasfeder den Abschluss der Längserstreckung der Gasfeder bildet.
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Das Objekt ist durch ein zweites Objekt, das eine zweite Last darstellt, austauschbar oder veränderbar. Die Handhabbarkeit des Objekts muss gewahrt bleiben. Eine zweite Last, die an dem Lastträger angreift und die auf ein Mittel zur Lageerhaltung einwirkt, könnte insbesondere den Lastträger aus dem Kräftegleichgewicht bringen.
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In einem erfindungsgemäßen Handhabungsgerät ist das Kräftegleichgewicht an dem Mittel zur Lageerhaltung einstellbar. Die Einstellung auf die angebrachte Last wird vorzugsweise an der Gasfeder festgelegt. Die Gewichtskraft der Last bzw. des Objekts bestimmt nach einem Gesichtspunkt den Zustand der Gasfeder. Nach einem weiteren Gesichtspunkt ist der Zustand der Gasfeder einstellbar durch zumindest ein Mittel zur Lageerhaltung. Die Gewichtskraft des Objekts ist durch mindestens einen Stellparameter der Gasfeder kompensierbar, wobei die Gasfeder das Kräftegleichgewicht an dem Lastarm erhält. Bei kompensierter Gewichtskraft ist die Summe der Kräfte, die auf den Lastarm einwirken, gleich Null, sodass der Lastarm nur durch Handhabung bewegbar ist. Bei wechselnden Lasten bleibt das Handhabungsgerät im Gleichgewicht.
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Die Gasfeder umfasst ein Druckrohr oder einen Zylinder, in dem sich ein Gasvolumen befindet. Eine Kolbenstange kann in den Zylinder hineingeschoben werden, wodurch sich das dem Gas zu Verfügung stehende Volumen verändert. Bei einer Gaszugfeder erfolgt dabei eine Vergrößerung des Gasvolumens. In einer Gaszugfeder erstreckt sich der Kolben durch das Gasvolumen hindurch, so dass zwei Dichtungsbereiche zwischen Kolben und Zylinder vorliegen. Bei einer Gasdruckfeder erfolgt eine Verkleinerung des Gasvolumens. Bei der Volumenverkleinerung bzw. Kompression des Gases stellt sich nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte ein erhöhter Gasdruck in dem Zylinder ein. Der Gasdruck treibt die Kolbenstange in eine Längsrichtung der Gasdruckfeder. Dabei drückt in einer Gasdruckfeder der Innendruck des Zylinders die Kolbenstange gegen den Druck der äußeren Atmosphäre von in der Regel 1 bar. Die Kraft, die auf den Kolben wirkt, hängt von der Kompression des Zylindervolumens ab, die auch als Kompressionsverhältnis beschrieben werden kann. Weiterhin hängt die auf den Kolben wirkende Kraft von der Querschnittsfläche der Kolbenstange ab. So ist es möglich zur Erzielung einer großen Kraftwirkung, eine Gasfeder mit einer großen Querschnittsfläche an der Kolbenstange zu verwenden. Eine erhöhte Kraftwirkung der Gasfeder kann auch durch Füllung des Zylindervolumens mit einem Gasdruck, der typischerweise 300 bar beträgt und insbesondere größer als 1 bar bzw. Atmosphärendruck ist, und der vorzugsweise zwischen 100 bar und 500 bar einstellbar ist, erhalten werden.
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Für eine Feinabstimmung der Kraftwirkung durch die Gasfeder ist es vorteilhaft, eine Gasfeder mit einem langen Hub zu verwenden. Durch Endanlenkung der Gasfeder wird dabei die Gefahr des Ausknickens der Gasfeder verringert. Gasfedern werden vorzugsweise mit einem Inertgas, wie Stickstoff, oder mit Luft befüllt. Mit abnehmendem Volumen von Gas in der Gasfeder erhöht sich die Steifigkeit der Feder. Wird eine maximale Steifigkeit der Gasfeder überschritten, so kann die Gasfeder nicht weiter durch Handkraft komprimiert werden. Eine Gasfeder wird vorzugsweise in dem Druckbereich betrieben, in dem eine Komprimierung durch Muskelkraft eines Arbeiters, insbesondere ohne ermüdende Anstrengung, möglich ist. Das Gas bildet in der Gasfeder ein Gaspolster, auf dem eine kontinuierliche, gleichmäßige Bewegung des Lastarms nahezu reibungsfrei ausgeführt werden kann. Ein Objekt kann so mit einer Genauigkeit von weniger als 1 mm an ein Werkstück herangeführt werden. Problemlos kann eine Nachjustierung der Position des Objekts von Hand erfolgen.
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Ein Handhabungsgerät kann mit einem günstigen Gewicht bei hoher Stabilität für eine Last aufgebaut werden, indem der Lastarm mehrere Komponenten umfasst. So kann der Lastarm eine erste und eine zweite Armstrebe aufweisen. Eine Armstrebe ist beispielsweise ein Hohlprofil mit einem Gasvolumen im Inneren des Profils, das sich von einer Anlenkung an der Säule seitwärts von der Säule weg erstreckt. Die zwei Armstreben sind seitlich zueinander beabstandet, so dass sich die Armstreben zumindest bereichsweise nebeneinander erstrecken. Jede Armstrebe weist an ihrem jeweiligen ersten und zweiten Ende eine Anlenkung auf. An der von der Säule beabstandeten Anlenkung sind die erste und zweite Armstrebe drehbeweglich über ein Verbindungsstück fest zueinander beabstandet. Die erste und zweite Armstrebe sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die Säule und das Verbindungsstück sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Eine parallele Anordnung kann auch eine geringe Abweichung von einem mathematisch exakt parallelen Verlauf zulassen. Ein Gewichtskörper kann als Gegengewicht zur Last bzw. zu dem zu handhabenden Objekt mit dem Lastarm verbunden sein. Damit kann die Gasfeder kleiner dimensioniert werden, weil die vom System des Handhabungsgeräts gegen das Gewicht aufzubringende Kraft zumindest teilweise statisch in der kranartigen Anordnung kompensiert wird.
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Ein Handhabungsgerät kann besonders flexibel eingesetzt werden, wenn eine Anpassung an unterschiedliche Lasten durchführbar ist. Die Anpassung an die von den jeweiligen Gewichten unterschiedlicher Objekte bewirkten Lasten kann durch ein Anpassungsmittel erfolgen. Eine Möglichkeit eines vorteilhaften Anpassungsmittels besteht in einer Verstellung der Gasfeder. Mit dem Anpassungsmittel soll bewirkt werden, dass das Luftpolster der Gasfeder auch bei einer geänderten Last eine problemlose Nachjustierung von Hand ermöglicht. Eine Anpassung einer Stellung des Handhabungsgeräts wird vorzugsweise durch ein Mittel zur Anpassung einer Druckkraft, auch als Mittel zur Druckkrafteinstellung bezeichnet, vorgenommen. Eine Druckkraft ist eine Kraft, insbesondere eine resultierende Kraft, die von einem Gas in einem geschlossenen Behältnis auf eine Fläche, wie eine bewegliche Kolbenfläche, ausgeübt wird.
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Die Gasfeder dient als Kraftspeicher. Die durch die Gasfeder aus den Hubkräften bzw. dem Lastgewicht aufgenommene Energie wird nahezu verlustfrei in Form eines komprimierten Gases gespeichert. Eine Regelung, die einem Mittel zur Einstellung der Hubkräfte zugeordnet sein kann, ist für den Betrieb des Handhabungsgeräts nicht notwendig. Eine Regelung kann allerdings vorteilhaft eingesetzt werden. Eine Regelung kann beispielsweise einen Antriebsmechanismus ansteuern. Ruckartiges Anfahren eines Antriebsmechanismus, wie beispielsweise eines Elektrozylinders oder eines Elektromotors, wird von der Gasfeder kompensiert.
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Hubkräfte können durch das Verstellen eines Anlenkpunktes bzw. einer Anlenkstelle der Gasfeder eingestellt werden. Eine Hubkraft ist eine Kraft, die ein Arbeiter manuell aufbringen muss, um ein von dem Lastarm getragenes Objekt an seinen Bestimmungsort zu heben. Eine Senkkraft ist eine Kraft, die ein Arbeiter manuell aufbringen muss, um einen dem Hub entsprechenden Weg mit dem Objekt in umgekehrter Richtung zu durchfahren. Eine Senkkraft kann auch als Hubkraft mit invertiertem Vorzeichen bezeichnet werden. Die Gravitationskraft wirkt wie eine Senkkraft auf die Masse eines Objekts. Durch eine Anlenkstelle der Gasfeder wird ein Hebelverhältnis in dem Handhabungsgerät veränderlich festgelegt. Ein Hebelverhältnis ergibt sich über die Unterteilung einer Kraftabführung in einen ersten Abschnitt mit einer ersten Länge und einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Länge. Ein Hebelverhältnis wird beispielsweise durch die Anlenkstelle der Gasfeder insbesondere an dem Lastarm festgelegt, die als Auflagepunkt des durch den Lastarm gebildeten Hebels betrachtet werden kann.
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Wird ein Objekt mit dem Lastarm verbunden, so bewegt sich der Lastarm aufwärts oder abwärts innerhalb eines maximalen Winkelbereichs bzw. Schwenkwinkels, den der Lastarm gegenüber der Säule überstreichen kann. Ein Kräftegleichgewicht zwischen der Gewichtskraft des Objekts und der Kraft der Gasfeder stellt sich zum Ende der Bewegung ein. Im Allgemeinen übersteigt das Kraftintervall, das dem gesamten Winkelbereich zugeordnet ist, die Kraft bzw. Hubkraft, die per Hand zur Positionierung des Objekts an einen Bestimmungsort eingebracht werden kann. Daher ist es erforderlich, eine Voreinstellung der Druckkraft mit einem Mittel vorzunehmen, sodass der Bestimmungsort des Objekts mit Handkraft erreichbar wird. Hierfür können ein oder mehrere Mittel zum Einsatz kommen.
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Eine Möglichkeit zur Anpassung der Druckkraft für die manuelle Betätigung des Handhabungsgeräts besteht darin, mindestens eine Anlenkstelle nachzuregeln. Eine Nachregelung ist vorzugsweise über ein Bedienelement steuerbar. Durch einen Schalter kann eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Druckkraft, die auf den Lastarm wirkt, eingestellt werden. Dabei kann eine Anlenkstelle der Gasfeder entlang des Lastarms verlagert werden. Als alternative Ausführungsform kann auch eine Anlenkstelle der Gasfeder entlang der Säule verlagert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Nachregelung automatisch erfolgen, insbesondere wenn das Handhabungsgerät eine Kraftmessdose umfasst. Die Kraftmessdose ist vorzugsweise zwischen der Säule und dem durch das Handhabungsgerät zu tragenden Objekt angeordnet. Anders ausgedrückt sollte die Gewichtskraft eines an den Lastarm angekuppelten Objekts mit der Kraftmessdose in einer kraftschlüssigen Verbindung messbar sein. Die Kraftmessdose erhebt einen Messwert, welcher zumindest proportional zur Masse eines von dem Lastarm getragenen Objekts ist. Dieser Messwert wird vorzugsweise über eine Leitungsverbindung einer elektronischen Regelung zugeführt. Die elektronische Regelung ist Teil einer Steuereinheit, welche ein Mittel zur Einstellung der Druckkraft steuert. Als Mittel zur Einstellung der Druckkraft, die den an der Gasfeder anliegenden Kräften entgegenwirkt, können beispielsweise ein Spindelantrieb einer Verschiebeeinheit oder ein Ventil verwendet werden. Die Steuereinheit kann in einem Bedienelement des Handhabungsgeräts angeordnet sein, welches elektronische Signale insbesondere Steuer- oder Regelsignale an Komponenten des Handhabungsgeräts leitet.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung der manuell einzubringenden Druckkraft für die Positionierung des Objekts besteht darin, den Arbeitsweg bzw. die erforderliche Änderung in der Längserstreckung der Gasfeder für die Positionierung des Objekts zu verkleinern. Eine Ausführung des Handhabungsgeräts, die dieses ermöglicht, kann eine zweite Verschiebeeinheit aufweisen. Die zweite Verschiebeeinheit ist vorzugsweise mit der Säule verbunden. Die zweite Verschiebeeinheit trägt einen Halterungspunkt bzw. eine Montagestelle der ersten Verschiebeeinheit, wobei die erste Verschiebeeinheit mit einem zweiten Halterungspunkt bzw. einer zweiten Montagestelle an der Säule angelenkt ist. Eine Anlenkstelle der Gasfeder ist mit der ersten Verschiebeeinheit entlang der Säule verlagerbar. Die Anlenkstelle der Gasfeder ist mithilfe der zweiten Verschiebeeinheit senkrecht zur Erstreckung der Säule verlagerbar. Die Anlenkstelle der Gasfeder an der Säule kann eine einstellbare Beabstandung zur Säule einnehmen. Die Einstellung der Beabstandung ist durch manuelle Betätigung eines Bedienelements oder durch automatische Steuerung in einer Regelung mittels Kraftmessdose möglich.
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Die erforderliche Druckkraft kann auch durch Kombination einer Gasfeder mit einer weiteren Feder, wie einer Schraubenfeder, einstellbar sein. Vorzugsweise wird dazu eine Feder mit einer abgestimmten Federkraft verwendet, sodass sich aus der Kombination der zusätzlichen Feder, wie z. B. einer Zugfeder, mit der Gasfeder eine ausgeglichene Kraftkennlinie ergibt. So kann eine Zugfeder oder eine Druckfeder entsprechend der Ausführung der Gasfeder so angepasst werden, sodass beim Einfahren der Gasfeder die Kraftänderung der Gasfeder zumindest teilweise ausgeglichen wird. Die Kraftänderung kann über die gesamte Auslenkung der Gasfeder hinweg zu einem nahezu konstanten Kraftverlauf angepasst werden. Mit einer derartigen Anordnung kann der Schwenkwinkelbereich des Lastarms mit Handkraft eingestellt werden. Es können Federmodule verwendet werden, bei denen eine erste und eine zweite Feder seriell angeordnet sind. Es können allerdings auch Federmodule zum Einsatz kommen, bei denen neben einer Gasfeder mindestens eine zweite Feder, wie eine Druckfeder, vorzugsweise in einer Führung, montiert ist. Eine Führung einer Zusatzfeder, wie eine Zugfeder oder eine Druckfeder, kann an einer Zahnstange in Verbindung mit an einer Gegenstange gelagerten Ritzeln erfolgen. Zahnstange und Gegenstange können auch als Führungsstab ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Führung der jeweiligen Feder über eine Brücke mit den Enden der Gasfeder verbunden. Die Brückenverbindung wird an den Lastarm und die Säule vorzugsweise kraftsymmetrisch angelenkt, um einen ungünstigen Einfluss von Querkräften so gering wie möglich zu halten. Eine Zuordnung des Kopfs der Gasfeder zur Anlenkstelle am Lastarm ist möglich. Der Zylinder der Gasfeder kann allerdings auch der Säule zugeordnet werden, vorzugsweise dann, wenn das Gasvolumen mit einem äußeren Gasspeicher verbindbar ist. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann einfach aufzubauen, wenn die Anlenkung des Gasfederkopfes an die Säule ohne eine vermittelnde Verschiebeeinheit vorgesehen ist.
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Ein weiteres mögliches Mittel zur Einstellung bzw. zum Ausgleich von Hub- und/oder Druckkräften, die ausgehend von einem zu bewegenden Objekt an dem Handhabungsgerät anliegen, besteht in der Veränderung des Gasvolumens der Gasfeder. Das Gasvolumen der Gasfeder kann vorzugsweise über ein Ventil und eine Verbindungsleitung an einen externen Speicher angeschlossen werden. Durch die Vergrößerung des Gasvolumens ändert sich die Kraftkennlinie der Gasfeder, so dass die Kraftkennlinie mit einer flacheren Steigung verläuft. Eine Kraftkennlinie ist ein vorzugsweise in einer Kalibriermessung ermittelter Zusammenhang zwischen einer Länge der Gasfeder und einer zwischen Kolben und Zylinder der Gasfeder angelegten Kraft. Eine flachere Steigung der Kennlinie bedeutet, dass mit einer größeren Kolbenbewegung der Gasfeder eine kleinere Druckänderung in der Gasfeder erfolgt. Der kleinere Bereich der Druckänderung liegt in dem Bereich, der durch menschliche Betätigung, vorzugsweise mit einem Arm bzw. einhändig, überstrichen werden kann.
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Ein externer Gasspeicher kann zur Veränderung des Gasvolumens der Gasfeder verwendet werden. In einer Ausführung eines Handhabungsgeräts ist der Gasspeicher als ein Volumen ausgebildet, das durch Betätigung eines z. B. elektromechanisch angetriebenen Zylinders, verkleinert oder vergrößert werden kann. Bei einer Verkleinerung des Volumens des Gasspeichers erhöht sich der Gasdruck im Gasspeicher. Bei einer Vergrößerung des Volumens des Gasspeichers sinkt der Gasdruck im Gasspeicher. Der jeweils eingestellte Gasdruck des Gasspeichers kann über ein geöffnetes Absperrventil dem Gasvolumen der Gasfeder angeschlossen werden. Der Druck des Gasspeichers und der Druck der Gasfeder gleichen sich aneinander an, sodass sich eine geänderte Federkennlinie der Gasfeder ergibt. Der Gasdruck der Gasfeder kann mit dem Gasdruck des Gasspeichers erhöht werden. Nach Erhöhung des Gasdrucks in der Gasfeder ist das Volumen der Gasfeder durch Verschluss des Absperrventils begrenzbar. Der Lastarm, mit dem von dem Arm getragenen Objekt, wird durch die Änderung des Gasdrucks in einen Ortsbereich bewegt, aus dem das Objekt manuell seinem Bestimmungsort zugeführt werden kann.
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Die verschiedenen Anordnungen zur Druckeinstellung können beliebig miteinander kombiniert werden. Eine Druckeinstellung kann nach einem ersten Verfahren und/oder nach einem zweiten Verfahren erfolgen.
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Bei der Handhabung einer veränderbaren Last, wie ein Bauteil, kann ein Handhabungsverfahren vorteilhaft angewendet werden. Die Handhabung erfolgt dabei insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Handhabungsgerät. Eine Position der Last, wie eine Montageposition, die von einem Mittel zur Lageerhaltung, bewegbar gehalten wird, kann durch das Handhabungsverfahren stabilisiert werden. Oft wird das Gewicht einer zu handhabenden Last durch Installationsmaßnahmen erhöht oder verringert. Eine Veränderung der Last ist z. B. eine Verdoppelung der Last oder eine Halbierung der Last, insbesondere eine Veränderung, mit der typische Haftreibungen in Gelenken überwunden werden. Bei einer Veränderung der Last, z. B. mit einem Zusatzbauteil an dem Bauteil, kann durch eine, vorzugsweise automatische, Anpassung des Mittels zur Lageerhaltung die Position statisch einnehmbar und durch Handhabung veränderbar bleiben. In dem Mittel zur Lageerhaltung wird dazu eine Gasfeder, insbesondere eine Federkraft, ein Volumenbereich, ein Gasdruck, mindestens eine Montagestelle der Gasfeder oder eine Kombination davon angepasst. Die Anpassung der Gasfeder kompensiert eine geänderte Gewichtskraft der Last.
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Erfindungsgemäß wird auch die Verwendung einer Gasfeder als Kraftelement in einem Handhabungsgerät vorgeschlagen. Hierbei wird die Gasfeder als ein Mittel zur Erhaltung der Lage einer mit dem Handhabungsgerät zu bewegenden Last mit wechselnden oder veränderbaren Gewichtskräften genutzt.
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In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei
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1 ein Handhabungsgerät mit einer ersten Anordnung einer Gasfeder und einer Verschiebeeinheit zeigt,
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2 das Handhabungsgerät aus 1 in einer zweiten Stellung zeigt,
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3 ein Handhabungsgerät mit einer zweiten Anordnung einer Gasfeder und einer Verschiebeeinheit zeigt,
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4 das Handhabungsgerät aus 3 in einer zweiten Stellung zeigt,
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5 ein Handhabungsgerät mit einer Anordnung einer Gasfeder und einer Verschiebeeinheit, wobei die Anordnung mit einer zweiten Verschiebeeinheit verbunden ist, zeigt,
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6 das Handhabungsgerät aus 5 in einer zweiten Stellung zeigt,
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7 eine Anordnung einer Druck-Gasfeder, die ein Federelement umfasst, zeigt,
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8 eine Anordnung einer Zug-Gasfeder, die ein Federelement umfasst, zeigt.
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Vorab sei angemerkt, dass sich alle Figuren auf ein Anwendungsbeispiel der Nutzung einer Gasfeder als Kraftelement in einem Handhabungsgerät beziehen, nämlich auf die Nutzung in einem als Parallelogrammgerät bekannten Handhabungsgerätetyp. Andere Handhabungsgerätetypen sind ebenfalls erfindungsgemäß und geeignet.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen zeigen 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel, 3 und 4 ein zweites Ausführungsbeispiel sowie 5 und 6 ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei die jeweiligen Beispiele erfindungsgemäßer Handhabungsgeräte in einer ersten Stellung – 1, 3 und 5 – sowie in einer zweiten Stellung – 2, 4 und 5 – dargestellt sind.
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Das in 1 und 2 dargestellte Handhabungsgerät 10 umfasst die Säule 12, deren bodennahen Abschluss der Fuß 13 bildet. An dem zum Fuß 13 beabstandeten Ende der Säule 12 ist mit der Halterung 19 der Lastarm 20 als ein Lastträger angelenkt. Die Anlenkung 24 umfasst das erste Lager 15 und das zweite Lager 16, wobei sich von dem ersten Lager 15 die erste Armstrebe 26 und von dem zweiten Lager 16 die zweite Armstrebe 28 seitlich von der Säule 12 weg erstrecken. Das von der Säule 12 beabstandete Ende des Lastarms 20 umfasst das der ersten Armstrebe 26 zugeordnete dritte Lager 17 und das der zweiten Armstrebe 28 zugeordnete vierte Lager 18. Die Lager 17, 18 sind jeweils in dem Verbindungsstück 29 so zueinander beabstandet angeordnet, dass die erste Armstrebe 26 und die zweite Armstrebe 28 parallel nebeneinander verlaufen. Damit ist auch das Verbindungsstück 29 parallel zur Säule 12 angeordnet. Die parallele Anordnung bleibt beim Überfahren des maximal möglichen Schwenkwinkels 22 des Lastarms 20 erhalten. Das Verbindungsstück 29 trägt die Kuppeleinheit 90, an der ein Objekt durch Kraftwirkung eines Elektromagneten befestigt werden kann (nicht dargestellt). Das Verbindungsstück 29 trägt weiterhin eine Kraftmessdose 80, mit der das Gewicht des Objekts bestimmt wird. Weiterhin ist an dem Verbindungsstück 29 das Bedienelement 86 befestigt.
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Ein Arbeiter (nicht dargestellt) kann den Lastarm 20 an dem Bedienelement 86 greifen und zumindest ein Segment des Schwenkwinkelbereichs 22 mit dem Lastarm durchfahren. Das Bedienelement 86 ist als Handgriff ausgebildet. Auf dem Handgriff ist ein Bedienfeld (nicht dargestellt) angeordnet, auf dem sich Schalter zur Betätigung bzw. Ansteuerung von elektronisch geregelten Funktionen befinden. Das Bedienelement 86 ist ein elektronischer Signalgeber. So ist beispielsweise die Magnetkraft der Kuppeleinheit 90 über das Bedienelement 86 einschaltbar oder ausschaltbar. Mit dem Bedienelement 86 ist auch die Hubkraft der Gasfeder 40 veränderbar. Ein Arbeiter (nicht dargestellt), der an das Bedienelement 86 Hand anlegt, wirkt auf die Hubkraft ein und verändert so die Position des Lastarms 20.
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Häufig wird ein das Gerät Bedienender auch direkt das Objekt greifen und es unmittelbar in die gewünschte Position bewegen. Der Lastarm 20 bewegt sich dabei entsprechend mit. Die Bewegbarkeit des Lastarms zur Handhabung wird weiter verbessert, indem die Säule 12 zu dem Fuß 13 drehbar gelagert ist. Die Drehung der Säule erfolgt um die erste Drehachse 96. Die Säule ist gegenüber dem Fuß feststellbar. Eine Last (nicht dargestellt) an der Kuppeleinheit 90 ist in einem toroidalen Raumwinkelbereich, insbesondere um einen Winkel von 360° bewegbar. Der Bewegungsspielraum des Handhabungsgeräts 10 und dessen Einsatzbereich lassen sich noch weiter verbessern, indem dem Verbindungsstück 29 eine Rotationseinheit 87 zugeordnet ist. In der Rotationseinheit 87 ist ein Armausleger 92, der die Kuppeleinheit 90 trägt, drehbar um die zweite Drehachse 97 gelagert. Die Lagerreibung, die einer Drehung um die erste Drehachse 96 entgegensteht, ist geringer als die Lagerreibung, die einer Drehung um die zweite Drehachse 97 entgegensteht. Die Rotationseinheit 87 umfasst weiterhin die Bremsscheibe 88 und den Bremsaktivator 89, die zueinander drehbeweglich sind. Der Bremsaktivator 89 ist mit dem Verbindungsstück 29 fest verbunden. Die Bremsscheibe 88 ist mit dem Armausleger 92 fest verbunden. Der Bremsaktivator 89 kann einen Winkel des Lastarms 20 zwischen dem Armausleger 92 und einer Armstrebe 26, 28 wieder lösbar fixieren. Der Bremsaktivator 89 kann an dem Bedienelement 86 betätigt werden, wodurch der Armausleger 92 feststellbar ist oder aus einer Feststellung zur Drehung freisetzbar ist. Die Kuppeleinheit 90 ist an dem Armausleger 92 drehbar um die dritte Drehachse 98 montiert. Die Kuppeleinheit 90 befindet sich an dem Ende des Armauslegers 92, das von der Bremsscheibe 88 beabstandet ist. Eine mit der Kuppeleinheit 90 verbundene Last kann leicht bzw. ohne große Anstrengung einem Montageort (nicht dargestellt) zugewendet werden. Das Bedienelement 86 ist dem Armausleger 92 zugeordnet. Die Kraftmessdose 80 ist in dem Bereich der Kuppeleinheit 90 an dem Armausleger 92 angeordnet. Durch den Einbau von drei Drehachsen, der ersten, zweiten und dritten Drehachse 96, 97, 98, lässt sich mit dem Handhabungsgerät 10 ein weiter radialer Bereich um die Säule 12 anfahren, ohne dass ein im Betrieb oft schwer handhabbarer Teleskoparm vorhanden ist.
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Die Gasfeder 40 ist mit der ersten Armstrebe 26 in einem festen Abstand zum dritten Lager 17 über die Halterung 53 verbunden. Die Kolbenstange 43 der Gasfeder 40 ist über die erste Anlenkstelle 50 in der Halterung 53 an der ersten Armstrebe 26 angelenkt. Durch Einfahren der Kolbenstange 43 in den Zylinder 42 ist das Gasvolumen 46 der Gasfeder 40 komprimierbar. Durch Verdichtung des Gases in der Gasfeder 40 steigt die Druckkraft des Gases, die auf die Kolbenstange 43 wirkt, an. An dem Ende der Gasfeder 40, das dem Zylinder 42 zugeordnet ist, schließt die Gasfeder 40 über die zweite Anlenkstelle 52 an die Verschiebeeinheit 60 an. Die Gasfeder 40 ist in den Anlenkstellen 50, 52 drehbar gelagert. Die Verschiebeeinheit 60 und die Gasfeder 40 zählen zu Mitteln zur Druckkrafteinstellung 30.
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Ein weiteres Mittel zur Druckkrafteinstellung besteht in dem Gasvolumenspeicher 48, der in einem Hohlraum der Säule 12 angeordnet ist. Der Gasvolumenspeicher 48 ist mit dem Gasvolumen 46 der Gasfeder 40 verbunden. Gasvolumenspeicher 48 und Gasvolumen 40 enthalten das komprimierbare Gas der Gasfeder. Durch die Vergrößerung des komprimierbaren Gasvolumens 46, 48 im Vergleich zu einer handelsüblichen Gasfeder 40 wird bei gleicher Baugröße der Gasfeder 40 der Kraftanstieg beim Einfahren der Gasfeder 40 geringer. Mit der gleichen Kraft wird bei dem vergrößerten Gasvolumen 48, 46 ein verlängerter Federhub, d. h. eine stärkere Verkürzung der Längserstreckung der Gasfeder 40, bewirkt. In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ist durch ein elektromagnetisch betätigbares Ventil ein abgeschlossenes Volumen eines Gasvolumenspeichers mit dem Gasvolumen der Gasfeder verbindbar, um eine Kraftkennlinie der Gasfeder durch eine Druckänderung oder eine Volumenänderung des Gasvolumens der Gasfeder an eine Last anzupassen. Die Gasfeder 40 weist mit dem vergrößerten Gasvolumen 46, 48 eine abgeflachte Kennlinie des Verhältnisses von Druckkraft zur Ausfahrung der Kolbenstange 43 bzw. zur Änderung der Gasfederlänge 41 auf. Die Gasfederlänge 41 kann auch als Gasfederlängserstreckung bezeichnet werden.
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Die Gasfederlänge 41 und die Stellung des Lastarms 20 ist auch mittels Verschiebeeinheit 60, die die zweite Anlenkstelle 52 der Gasfeder 40 entlang der Säule 12 verlagert, veränderbar. Eine Verschiebeeinheit kann auch als Verstelleinheit bezeichnet werden. Die zweite Anlenkstelle 52 wird mit einer Führung 57 auf der Spindel 64 getragen, wobei die Spindel in der ersten Montagestelle 55 der Halterung 54 für die Verschiebeeinheit 60 drehbar gelagert ist. Die Spindel 64 wird durch den Spindelantrieb 62 gedreht, sodass sich die Führung 57 entlang der Spindel 64 in einer Gewindeverbindung bewegt. Dabei verlagert sich die zweite Anlenkung 52 von dem Anschlag an der ersten Montagestelle 55 in Richtung der zweiten Montagestelle 56 der Halterung 54 (vgl. 1 und 2).
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Die Steuereinheit 84 ermittelt aus dem Messwert der Kraftmessdose 80 für das Gewicht einer Last (nicht dargestellt) die Verlagerung der Führung 57 auf der Spindel 64. Erforderlichenfalls kann durch die Steuereinheit 84 auch die Anpassung von Druck oder Volumen der Gasfeder 40 in Verbindung mit dem Gasvolumenspeicher 48 vorgenommen werden.
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Anschlüsse und Elektronikbauteile (nicht dargestellt) zur elektrischen Versorgung und Steuerung des Handhabungsgeräts, z. B. an dem Lastarm 20 entlang zur Steuereinheit 84 oder entlang der Säule 12, zum Bedienelement 86, sind in dem Klemmkasten 14 an der Säule 12 vorgesehen. Der Klemmkasten 14 kann auch Anschlüsse zur Gasversorgung aufweisen.
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Mit der Verschiebeeinheit 60 für die zweite Anlenkstelle 52 der Gasfeder 40 ist der Stellwinkel 44 zwischen der Längserstreckung 41 der Gasfeder 40 und der ersten Armstrebe 26 einstellbar. Wie in 2 gezeigt ist, kann der Stellwinkel 44 von 1 vergrößert werden, beispielsweise zu dem Stellwinkel 44' von 2. Hierbei wird die zweite Anlenkung 52 ausgehend von einer der ersten Montagestelle 55 zugeordneten Stellung in Richtung der zweiten Montagestelle 56 entlang der Spindel 64 über den Abstand der Verlagerung 68 verschoben. Die Spindel der Verschiebeeinheit 60 wird für die Verlagerung 68 von dem Spindelantrieb 62 gedreht. Diese Komponenten sind Mittel zur Druckkrafteinstellung 30, die mit einer Verlängerung der Gasfederlänge 41 aus 1 zur Gasfederlänge 41' in 2 einhergeht. Derartige Veränderungen des Lastarms 20 an der Säule 12 des Handhabungsgeräts 10 sind innerhalb des Schwenkwinkelbereichs 22 durchführbar. Nach Einstellung der Druckkraft mit dem Gasvolumen 46, die auf die Kolbenstange 43 der Gasfeder 40 an der ersten Anlenkstelle 50 anliegt, entspricht die Druckkraft der von der Kraftmessdose 80 erhobenen Gewichtskraft für die jeweils gewünschte Winkelstellung innerhalb des Schwenkwinkelbereichs 22. Durch Verkleinerung des Gasvolumens 46, insbesondere ohne ein Ablassen von Gas aus dem Zylinder 42, kann, ausgehend von der Stellung in 2, die Druckkraft erhöht werden, die den Kolben 43 aus dem Zylinder 42 treibt. Das kann durch eine Verlagerung der Anlenkstelle 52, wie in 1 bezeichnet, in Richtung der ersten Montagestelle 55 erfolgen. Bei einer konstanten Last eines Objekts (nicht dargestellt) am Lastarm 20, wird der Lastarm 20 angehoben, so dass eine erhöhte Montageposition des Lastobjekts durch Handkraft leichter erreichbar ist. Die Gasfeder 40 kann den durch den Armausleger 92 am Lastarm 20 einnehmbaren Winkelbereich geringfügig einschränken, so dass ein Überdrehen des Armauslegers 92 über einen Anschlag (nicht dargestellt) hinweg insbesondere aus Sicherheitsgründen unmöglich ist.
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Bei dem in 1 und 2 verwendeten Spindelantrieb 62 handelt es sich um einen Schneckengetriebemotor mit Kugelumlauftrieb, der elektrisch durch Stromzufuhr angetrieben wird. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Gasfeder einen Hub von 600 mm auf, um den die Gasfederlänge 41 bzw. 41' von einem eingefahrenen Zustand der Kolbenstange 43 in den Zylinder 42 zu einem ausgefahrenen Zustand der Kolbenstange 43 aus dem Zylinder 42 maximal einstellbar ist. Die Druckkraft der in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Gasfeder im eingefahrenen Zustand beträgt 15.600 N. Die Druckkraft der in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Gasfeder im ausgefahrenen Zustand beträgt 13.000 N. Damit ist eine Druckkraftänderung durch Einfahren bzw. Ausfahren der Gasfeder um ca. 20% möglich. Auf Grund dieses hohen Kraftaufwands, der durch Handkraft nicht wie erforderlich und insbesondere nicht mit erforderlicher Genauigkeit zu leisten ist, wird vorzugsweise eine Vorpositionierung des Lastarms 20 mit der Verschiebeeinheit 60 vorgenommen, bevor ein Arbeiter mit Handkraft eine Last (nicht dargestellt) über den Bewegungsradius des Lastarms dem Bestimmungsort bzw. Montageort feinfühlig und präzise zuführt. Hierdurch können z. B. Aufprallschäden an dem Objekt der Last oder an dem Gegenstand der Montage vermieden werden.
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In 3 ist als ein weiteres Ausführungsbeispiel das Handhabungsgerät 110 gezeigt. Die Säule 112 des Handhabungsgeräts 110 erstreckt sich von dem Fuß 113 durch die Halterung 119 hindurch, mit der der Lastarm 120 an der Säule 112 befestigt ist. Der Lastarm 120 umfasst die erste Armstrebe 126 für die Ableitung von Druckkräften und die zweite Armstrebe 128 für die Aufnahme von Zugkräften. Die erste Armstrebe 126 und die zweite Armstrebe 128 sind parallelogrammartig zueinander angeordnet. In dieser Anordnung ist die Säule 112 mit der Halterung 119 bzw. der Anlenkung 124 des Lastarms 120 über das erste Lager 115 sowie das zweite Lager 116 mit dem Verbindungsstück 129 mit dem dritten Lager 117 und dem vierten Lager 118 derart verbunden, dass die jeweiligen Lager 115, 116, 117 und 118 die Eckpunkte des Parallelogramms bilden.
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Als Kuppeleinheit 190 für eine Last (nicht dargestellt) dient ein elektrisch betätigbarer Verschluss zum Einhängen einer Öse eines Seils oder einer Kette (nicht dargestellt) an dem Verbindungsstück 129. An dem Bedienelement 186 kann ein Arbeiter eine Kraft zum Heben oder Senken der Last (nicht dargestellt) auf den Lastarm 120 anwenden.
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Der Lastarm 120 wird von der Gasfeder 140 gestützt. Die Kolbenstange 143, die sich aus dem Zylinder 142 erstreckt, ist in der ersten Anlenkstelle 150 mit der Führung 157 an der ersten Armstrebe 126 beweglich montiert. Die Führung 157 kann mit der Verschiebeeinheit 160 entlang der ersten Armstrebe 126 verlagert werden, wobei die Verlagerung parallel zur ersten Armstrebe 126 erfolgt. Die Verschiebeeinheit 160 umfasst den Spindelantrieb 162, der die Spindel 164, in deren Oberfläche ein schraubenartiges Gewinde eingearbeitet ist, in der ersten Montagestelle 155 der Halterung 154 der Verschiebeeinheit 160 dreht. Die Halterung 154 ist an der ersten Montagestelle 155 und an der zweiten Montagestelle 156 mit der ersten Armstrebe 126 fest verschraubt. Durch Wahl der Drehrichtung der Spindel 164 kann die Führung 157 mit der ersten Anlenkstelle 150 bidirektional bewegt werden. Dabei wird der Stellwinkel 144, der von einer zentralen Achse (als gestrichelte Linie eingetragen) der Säule 112 und von der Gasfeder 140, insbesondere dem Zylinder 142 aufgespannt wird, verändert. Aus der in 3 gezeigten Stellung der ersten Anlenkstelle 150 heraus ist der Stellwinkel 144 nur vergrößerbar, wodurch sich eine Wirkung des Mittels zur Druckkrafteinstellung 130 in der Weise ergibt, dass der Lastarm 120, insbesondere ohne Änderung einer möglicherweise an dem Lastarm 120 wirkenden Last, abgesenkt wird. Die Größe des Stellwinkels 144 wird dazu aus der Gewichtskraft, welche die in die Halterung 154 integrierte Kraftmessdose 180 erhebt, in der Steuereinheit 184 berechnet. Die von der Gasfeder 140 über das komprimierbare Gasvolumen 146 abgeführten Gewichtskräfte werden über die zweite Anlenkung 152, d. h. über die Verbindung des Zylinders 142 durch die Halterung 153 in die Säule 112 und insbesondere in deren Fuß 113 abgeführt.
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Der Gasvolumenspeicher 148 ist durch einen Kolben komprimierbar, sodass eine für die jeweils zu tragende Last günstige Kraftkennlinie an der Gasfeder einstellbar ist. Der Druck kann beispielsweise durch Verkleinerung des inneren Volumens des Gasvolumenspeichers 148 erhöht werden, um in der Gasdruckfeder 140 ein Gasvolumen 146 mit einem erhöhten Federdruck bereitzustellen. Entsprechend kann die Gasfeder 140 ein härteres Kissen bzw. bei Absenkung des Gasdrucks in dem Gasvolumen 146 ein weicheres Kissen für die mit Handkraft im Schwenkwinkelbereich 122 manipulierbare, gegebenenfalls veränderliche Last (nicht dargestellt) am Lastarm 120 bereitstellen.
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Die Lage bzw. räumliche Position der Last in einer Ausgangsposition für die Handhabung ist mit Hilfe des Handhabungsgeräts 110 anpassbar. Durch Einstellung eines Drucks in der Gasfeder 140 kann eine Last vorpositioniert werden. Ein erster Druck kann einer ersten Position einer Last und ein zweiter Druck kann einer zweiten Position einer Last entsprechen. Unter einem anderen Gesichtspunkt kann auch ein erstes Gasvolumen der Gasfeder 140 einer ersten Position einer Last und ein zweites Gasvolumen der Gasfeder 140 einer zweiten Position einer Last entsprechen. Unterschiedliche Positionen, die insbesondere durch den Lastarm 120 einnehmbar sind, werden z. B. bei einem Vergleich einer jeweiligen Position eines Lastarms 220 in 5 und in 6 ersichtlich.
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4 zeigt das Handhabungsgerät 110 aus 3 in einer zweiten Stellung. Mit der Verschiebeeinheit 160 wurde die erste Anlenkstelle 150 unter dem Lastarm 120 um die Größe der Verlagerung 168 von der Säule 112 weiter beabstandet. Der Stellwinkel 144 aus 3 hat sich zu dem Stellwinkel 144' in 4 vergrößert. Die Gasfeder 140 wurde in der zweiten Anlenkstelle 152, die der Halterung 153 zugeordnet ist, um den Stellwinkel 144' gedreht. Durch die Verlagerung der ersten Anlenkstelle 150 entlang der Spindel 164 von der ersten Montagestelle 155 in Richtung der zweiten Montagestelle 156 wurde die Längserstreckung 141 der Gasfeder 140 aus 3 zur Längserstreckung 141' verlängert, sodass sich die Gasfeder 140 in einem anderen Arbeitsbereich der Kennlinie, die die Gasfeder 140 charakterisiert, befindet. Hierbei wurde mit dem Mittel zur Druckkrafteinstellung 130 die aus dem Gasvolumen 146 in dem Zylinder 142 auf den Kolben 143 wirkende Druckkraft, welche den Lastarm 120 stützt, abgesenkt.
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In einer anderen Ausführungsform, die von dem Handhabungsgerät 110 abgeleitet ist, aber nicht in den Figuren dargestellt ist, wird die Gasfeder 140 um 180° verdreht eingebaut, sodass der Zylinder 142 näher zur Verschiebeeinheit 160 angeordnet ist. Damit können Gasleitungswege strömungsgünstig möglichst kurz geführt und das Gasvolumen der Leitungen möglichst klein gehalten werden.
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In 5 ist das Handhabungsgerät 210 gezeigt, das in mehreren strukturellen Elementen dem Handhabungsgerät 10 aus 1 entspricht. Eine Grundstruktur des Handhabungsgeräts 210 bildet die Säule 212 mit dem Fuß 213, an der die erste Verschiebeeinheit 260 und die zweite Verschiebeeinheit 261 befestigt sind. Ähnlich wie in 1 gezeigt ist, dient die erste Verschiebeeinheit 260 zur Verlagerung der zweiten Anlenkstelle 252, mit der die Gasfeder 240 an der Säule 212 angeordnet ist. Die Verlagerung der Anlenkstelle 252 erfolgt durch Rotation der Spindel 264 mit dem Spindelantrieb 262. Der Abstand zwischen der ersten Anlenkstelle 250 und der zweiten Anlenkstelle 252 ist ausgehend von der Stellung in 5 vergrößerbar. Es erfolgt eine reversible Anpassung der Gasfederlänge 241, insbesondere wenn der Lastarm 220 in einem festen Winkel in dem Schwenkwinkelbereich 222 gehalten wird. Eine Vergrößerung der Gasfederlänge 241 bewirkt eine Änderung, insbesondere eine Vergrößerung des Gasvolumens 246 der Gasfeder 240. Durch Vergrößerung des Gasvolumens 246, insbesondere ohne eine weitere Gaszufuhr, sinkt die Druckkraft, die den Kolben 243 aus dem Zylinder 242 treibt.
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In der Geometrie von 5 ist die erste Anlenkstelle 250 über das dritte Lager 217 und das Verbindungsstück 219 mit dem vierten Lager 218 verbunden. Das Verbindungsstück 229 weist eine Kuppeleinheit 290 in Form eines Hakens zum Einhängen einer Last auf. Die Position der ersten Anlenkstelle 250 ist mit dem Bedienelement 286 innerhalb des Schwenkwinkels 222 beweglich.
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Eine Drehbewegung des Lastarms 220 kann in der Lastarmanlenkung 224 erfolgen, die insbesondere von der ersten Armstrebe 226 und der zweiten Armstrebe 228 ausgeführt wird. Die Bewegung betrifft die Lager 215, 216, 217 und 218. Der Lastarm 220, der an einem Ende in der Anlenkung 250 gestützt ist, wird zusätzlich an der Säule 212 über die Halterung 219 getragen. Die an der Säule 212 befestigte erste Montagestelle 255 und die zweite Montagestelle 256 können auch als Anlenkstellen benannt werden, mit denen die Halterung 254 der ersten Verschiebeeinheit 260 beweglich gelagert ist. Die Halterung 254 kann um die erste Montagestelle 255 eine Drehbewegung ausführen, wobei die Drehbewegung durch eine Verschiebung der zweiten Montagestelle 256 in der zweiten Verschiebeeinheit 261 einstellbar ist. Die zweite Verschiebeeinheit 261 fixiert die Stellung der Halterung 254. Die zweite Verschiebeeinheit 261 umfasst eine zweite Spindel 265, die von einem zweiten Spindelantrieb 263 gedreht werden kann. Dabei erfolgt eine Verlagerung der zweiten Montagestelle 256 entlang der Spindel 265, vorzugsweise rechtwinklig zur Säule 212, in eine Richtung, die von der Säule 212 wegführt oder in eine Richtung, die zur Säule 212 hin führt. Ausgehend von der Stellung der zweiten Verschiebeeinheit 261 in 5 kann die Halterung 254 z. B. einen zweiten Stellwinkel 245 einnehmen. Der zweite Stellwinkel ist richtungsabhängig. Der Winkel wird zwischen einer Achse, die sich parallel zur Säule 212 erstreckt, und einer Achse, die sich parallel zur Halterung 254 erstreckt, aufgespannt.
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Die Gasfeder 240, die erste Verschiebeeinheit 260 und die zweite Verschiebeeinheit 261 sind Komponenten des Mittels zur Druckkrafteinstellung 230. Die zweite Verschiebeeinheit 261 bewirkt einen Ausgleich des Hubs der Gasfeder 240. Das Gasvolumen 246 bleibt unverändert, sodass der Lastarm 220 in einem Bereich des Schwenkwinkels 222 ohne eine Änderung des Kräftegleichgewichts zwischen der Gewichtskraft einer Last (nicht dargestellt) und der Druckkraft der Gasfeder 240 einstellbar ist. Die Gasfeder 240 verbindet die ersten Armstrebe 226, an der die Halterung 253 versetzbar verschraubt ist, kraftschlüssig über die erste Anlenkung 250, den Kolben 243, das Gasvolumen 264, den Zylinder 242, die zweite Anlenkung 252, die Halterung 254, und die erste Montagestelle 255 mit der Säule 213 und deren Fuß 213. Die Gasfederlänge 241 und der Stellwinkel 244 sind zueinander korreliert. Der Spindelantrieb 262 für die Spindel 264 zur Verlagerung der zweiten Anlenkung 252 und der zweite Spindelantrieb 263 werden über das Bedienelement 286 durch die Steuereinheit 284 geschaltet bzw. elektronisch geregelt.
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In 6 ist eine Stellung des Handhabungsgeräts 210 dargestellt, die eine maximal mögliche Anhebung des Lastarms 220 mittels der Verschiebeeinheit 261 zeigt. Durch die Verschiebung 269 in der Verschiebeeinheit 261 wurde die zweite Montagestelle 256 entlang der zweiten Spindel 265 so weit von der Säule 212 verlagert, dass der zweite Stellwinkel 245' ausgebildet ist. Somit wurde die erste Verschiebeeinheit 260 um die erste Montagestelle 255 in den Stellwinkel 245' gedreht. Im Gegensatz zur zweiten Verlagerung 269 in der zweiten Verschiebeeinheit 261 ist die erste Verlagerung 268 der ersten Verschiebeeinheit 260 hierbei unverändert nahezu Null. Demgemäß bleibt auch der erste Stellwinkel 244' gegenüber dem ersten Stellwinkel 244 aus 5 nahezu unverändert. Auch die Gasfederlänge 241' der Gasfeder 240 bleibt bei der gezeigten Anhebung des Lastarms 220 in 6 im Wesentlichen konstant. In der gezeigten Stellung von 6 kann der Lastarm 120, der die erste Armstrebe 226 und die zweite Armstrebe 228 umfasst, manuell an dem Bedienelement 286 weiter bewegt werden, um das von der Kuppeleinheit 290 an dem Verbindungsstück 229 getragene Objekt (nicht dargestellt) präzise auszurichten. Manuell kann die Gasfederlänge 241' verändert werden, allerdings bleibt die Position der zweiten Montagestelle 256 konstant. Mit dem Mittel zur Druckkrafteinstellung 230 wird die Druckkraft der Gasdruckfeder 240 im Betrag konstant gehalten, aber in der Richtung auf den Schwenkwinkel 222 des Lastarms 220 angepasst Die zweite Montagestelle 256 ist auch in den Bereich der zweiten Verlagerung 269' verfahrbar. Die Einstellung der ersten Verlagerung 269 und der zweiten Verlagerung 269' an der zweiten Verschiebeeinheit 261 erfolgt kontinuierlich durch die Steuerung 284, wobei auch Zwischenpositionen zwischen den Verlagerungen 269, 269' statisch einnehmbar sind. Der Steuerung 284 wird aus dem Drehgeber 258 ein Signal über eine Winkelstellung des Lastarms 220 in dem Stellbereich 222 zugeführt. Befindet sich der Lastarm 220 in einer Oben-Stellung, wie in 6 dargestellt ist, wird die erste Verlagerung 269, welcher der zweite Stellwinkel 245' zugeordnet ist, durch die Steuerung 284 an der zweiten Verschiebeeinheit 261 eingestellt. Befindet sich der Lastarm in einer Unten-Stellung (nicht dargestellt), die einer Absenkung des Lastarms 220 aus der Stellung von 5 entspricht, so wurde die zweite Verschiebeeinheit 261 durch die Steuerung 284, gemäß der Vorgabe durch den Drehgeber 258, in die zweite Verlagerung 269' verbracht, die dem zweiten Stellwinkel 245 zugeordnet ist. Wenn sich die Anlenkung 252 der Gasfeder 240 nahe bei der ersten Montagestelle 255 befindet, so wie das in 5 und 6 gezeigt ist, d. h. wenn z. B. nur eine geringe Gewichtskraft bzw. Leergewicht an dem Lastarm 220 anliegt, dann hat die Verschiebeeinheit 261 keine wesentliche Auswirkung auf das Kräftesystem. Wird hingegen z. B. bei einer hohen Gewichtskraft bzw. einem Lastgewicht an dem Lastarm 220 die Anlenkung 252 der Gasfeder 240 an der Gewindespindel 264 nach unten verlagert (nicht dargestellt), kann mit der Verschiebeeinheit 261 Einfluss auf das Kräftesystem genommen werden. Der Einfluss auf das Kräftesystem kann in der Weise erfolgen, dass durch eine Verlagerung 269' der Halterung 254 an der zweiten Gewindespindel 265 in 5 der Hubbereich der Gasfeder 240, d. h. der Bereich, in dem die Gasfederlänge 241 veränderbar ist, nahezu konstant bleibt. Die Verlagerung 269' kann die effektive Belastung der Gasfeder 240 durch Umlenkung von Kräften im Kräftesystem bzw. im Vektordiagramm der Kräfte im Handhabungsgerät 210 verkleinern. Auf diese Weise kann ein Fehler beim Einfahren der Gasfeder 241, der aus einer Änderung der Federkraft der Gasfeder 240 bei deren Kompression resultieren würde, minimiert werden.
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Weiterhin könnte auch ein größerer Stellbereich des Lastarms 220, als er z. B. mit den Lastarmen 20 bzw. 120 in 2 bzw. 4 einnehmbar wäre, durch die Verlagerung 269, 269' ausgenutzt werden. Eine Absenkungsmöglichkeit der Lastarme 20, 120 kann durch eine Oberfläche bzw. eine Erstreckung der jeweiligen Gasfeder 40, 140 begrenzt sein. Eine solche Begrenzung wird in der Ausführung von 6 zumindest um einen Bereich, welcher der zweiten Verlagerung 269' entspricht, zurückgenommen. Mit der zweiten Verlagerung 269 wäre eine größere Höhe durch den Lastarm 220 erreichbar.
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In weiteren Ausführungsformen (nicht dargestellt) auf Grundlage der Ausführungsformen von 1, 3 oder 5 wird die Gasdruckfeder 40, 140, 240 durch eine Gaszugfeder ersetzt. Hierdurch wird beispielsweise eine Deckenmontage der Säule 12, 112, 212 mit dem Fuß 13, 113, 213 möglich.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich, wenn in einer um 180° gedrehten Geometrie, z. B. im Fall einer Deckenmontage, der Handhabungsgeräte 10, 110, 210 der Fuß 13, 113, 213 dem gegenüberliegenden Ende der Säule 12, 112, 212, vorzugsweise mit einer Säulenverlängerung, zugeordnet wird.
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In den Ausführungen der 1 bis 6 wurden jeweils Gasdruckfedern eingesetzt. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass prinzipiell auch eine Gaszugfeder eingesetzt werden kann. In einer Gaszugfeder bewirkt ein Ausfahren der Kolbenstange aus dem Zylinder eine Komprimierung des Gasvolumens, d. h. eine Erhöhung der Druckkraft. Die übrigen Bauteile des Handhabungsgeräts sind ggf. entsprechend anzupassen. Die Gasfeder, in Form einer Gaszugfeder, wird entsprechend typischer Gasfederkennlinien verhärtet.
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Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, bei denen die Kupplung 90, 190, 290 durch eine Auflagekupplung, eine Anhängekupplung oder eine Einschubkupplung ersetzt ist, die sich insbesondere jeweils für ein bestimmtes Objekt eignet.
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Eine Drehbewegung der Spindel 64, 164, 264 aus einer von 1, 3, oder 5 abgeleiteten Stellung in einer um 180° gedrehten Geometrie der Handhabungsgeräte 10, 110, 210 würde zu einer Anhebung eines Lastarms 20, 120, 220 über die Gaszugfeder führen.
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7 und 8 zeigen jeweils eine Gasfeder, deren Federkennlinie durch Kombination mit einer Schraubenfeder günstig verändert wurde, um den manuell mit Handkraft erreichbaren Stellbereich bzw. Schwenkwinkel eines Lastarms eines erfindungsgemäßen Handhabungsgerätes zu vergrößern.
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In der vorteilhaften Ausführung von 7 ist eine Gasdruckfeder 340 gezeigt, bei der das Gasvolumen 346 in dem Zylinder 342 die Kolbenstange 343 heraustreibt, sodass die Druckkraft auf eine Einstellung einer maximalen Länge bzw. Gasfederlänge 341 der Gasfeder 340 gerichtet ist. Der Zylinder 342, der den Gasfederkopf 347 trägt und das Gasfederende 349 sind über die Federbrücke 379 mit einer, der Gasdruckkraft entgegenwirkenden Federanordnung verbunden. Diese Federanordnung umfasst einen ersten Führungsstab 372 mit dem zweiten Federlager 378, welches in dem zweiten Führungsstab 374, der das erste Federlager 376 trägt, verschiebbar ist. Zwischen dem ersten Federlager 376 und dem zweiten Federlager 378 ist das Federelement 370 eingehängt, bei dem es sich um eine vorgespannte Druckfeder handelt, die eine Kraft erzeugt, welche der Druckkraft des Gasvolumens 346 entgegengerichtet ist. Die Federerstreckung 371 verhält sich damit umgekehrt zur Gasfederlänge 341. Die Kräfte der Feder 370, 346 sind aufeinander abgestimmt. Das federnde Gasvolumen 346 beschreibt in einer Ausführung einen Kraftbereich von 13.000 Newton bis 15.600 Newton. Dieser Kraft entgegengerichtet ist die Federkraft des Federelements 370, die im komprimierten Zustand der Feder beispielsweise 2.600 Newton beträgt.
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Die Gasfeder 440 in 8 ist nach einem Aspekt komplementär zur Gasfeder 340 in 7. Die Gasfeder 440 in 8 ist eine Gaszugfeder, bei der ein Druck von Gas in dem Gasvolumen 446 eine Bewegung der Kolbenstange 443 in den Zylinder 442 hinein bewirkt. Eine Federbrücke 479 verbindet den Federkopf 447 mit dem ersten Führungsstab 472 sowie das Federende 449 mit dem zweiten Führungsstab 474. Zwischen dem ersten Federlager 476 an dem zweiten Führungsstab 474 und dem zweiten Federlager 478 an dem ersten Führungsstab 472 ist das Federelement 470 in Gestalt einer schraubenförmigen Zugfeder aufgespannt. Hierbei wirkt die Federkraft der Zugfeder 470 in Richtung einer Verkleinerung der Federerstreckung 471 und damit entgegen der Druckkraft des Gasvolumens 446 und der damit angestrebten Vergrößerung der Gasfederlänge 441.
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Die Ausführung der Gasfeder 440 eignet sich insbesondere für eine Ausführungsform eines Handhabungsgeräts (nicht dargestellt), bei dem eine Last, die auf den Lastarm wirkt, zu einer Montagestelle an der Säule abgeführt wird, die weiter von dem Fuß der Säule beabstandet ist, als das Lager des Lastarms. Ein Vorteil einer derartigen Anordnung besteht darin, dass der freie Raum unter dem Lastarm auch zur Aufnahme großvolumiger bzw. sperriger Objekte geeignet ist.
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Die verschiedenen Aspekte, die den einzelnen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden können, lassen sich beliebig zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen eines Handhabungsgerätes kombinieren.
| Bezugszeichenliste | |
| 10, 110, 210 | Handhabungsgerät |
| 12, 112, 212 | Säule |
| 13, 113, 213 | Fuß |
| 14 | Klemmkasten |
| 15, 115, 215 | Erstes Lager |
| 16, 116, 216 | Zweites Lager |
| 17, 117, 217 | Drittes Lager |
| 18, 118, 218 | Viertes Lager |
| 19, 119, 219 | Halterung |
| 20, 120, 220 | Lastarm |
| 22, 122, 222 | Schwenkwinkel |
| 24, 124, 224 | Lastarmanlenkung |
| 26, 126, 226 | Erste Armstrebe |
| 28, 128, 228 | Zweite Armstrebe |
| 29, 129, 229 | Verbindungsstück |
| 30, 130, 230 | Mittel zur Druckkrafteinstellung |
| 40, 140, 240, 340, 440 | Gasfeder |
| 41, 41', 141, 141', 241, 241', 341, 441 | Gasfederlänge |
| 42, 142, 242, 342, 442 | Zylinder |
| 43, 143, 243, 343, 443 | Kolbenstange |
| 44, 44', 144, 144', 244, 244' | Stellwinkel |
| 245, 245' | Zweiter Stellwinkel |
| 46, 146, 246, 346, 446 | Gasvolumen |
| 347, 447 | Gasfederkopf |
| 48, 148 | Gasvolumenspeicher |
| 349, 449 | Gasfederende |
| 50, 150, 250 | Erste Anlenkstelle |
| 52, 152, 252 | Zweite Anlenkstelle |
| 53, 153, 253 | Halterung |
| 54, 154, 254 | Halterung |
| 55, 155, 255 | Erste Montagestelle |
| 56, 156, 256 | Zweite Montagestelle |
| 57, 157 | Führung |
| 258 | Drehgeber |
| 60, 160, 260 | Verschiebeeinheit |
| 261 | Zweite Verschiebeeinheit |
| 62, 162, 262 | Spindelantrieb |
| 263 | Zweiter Spindelantrieb |
| 64, 164, 264 | Spindel |
| 265 | Zweite Spindel |
| 68, 168, 268 | Verlagerung |
| 269, 269' | Zweite Verlagerung |
| 370, 470 | Federelement |
| 371, 471 | Federerstreckung |
| 372, 472 | Erster Führungsstab |
| 374, 474 | Zweiter Führungsstab |
| 376, 476 | Erstes Federlager |
| 378, 478 | Zweites Federlager |
| 379, 479 | Federbrücke |
| 80, 180 | Kraftmessdose |
| 84, 184, 284 | Steuereinheit |
| 86, 186, 286 | Bedienelement |
| 87 | Rotationseinheit |
| 88 | Bremsscheibe |
| 89 | Bremsaktivator |
| 90, 190, 290 | Kuppeleinheit |
| 92 | Armausleger |
| 96 | erste Drehachse |
| 97 | zweite Drehachse |
| 98 | dritte Drehachse |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0032457 [0003]
- EP 0534643 A1 [0003]
- DE 19853935 A1 [0004]
- DE 2604529 B2 [0004]
- EP 0244566 A2 [0005]
- DE 3416823 A1 [0005]
