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Die Erfindung betrifft eine Manipulatorvorrichtung, mit einem an einer Positioniereinrichtung angeordneten oder anbringbaren Manipulatorkopf, der eine erste Komponente in Form einer zur mechanischen Verbindung mit der Positioniereinrichtung dienenden Halteeinheit und eine zweite Komponente in Form eines von der Halteeinheit gehaltenen Endeffektors aufweist.
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Eine aus der
EP 0 438 030 A1 bekannte Manipulatorvorrichtung dieser Art ist als Greifvorrichtung konzipiert und enthält einen als Greifer ausgebildeten Manipulatorkopf, der an einem als Positioniereinrichtung fungierenden Roboter angeordnet ist, so dass er mittels des Roboters mehrdimensional bewegt werden kann. Der Manipulatorkopf hat eine mechanisch fest an dem Roboter angeordnete Halteeinheit, die einen als Greifer ausgebildeten Endeffektor trägt, wobei der Endeffektor an der Halteeinheit mechanisch fixiert ist. Zur Betätigung des Greifers ist ein Antrieb vorhanden, der von einem Gehäuse umhüllt ist, um ihn von der Umgebung abzuschirmen und einen Einsatz in sogenannten Reinräumen zu begünstigen. Das Gehäuse ist mit Schlitzen ausgestattet, durch die hindurch die mechanische Kopplung des Antriebes mit beweglichen Greiforganen des Greifers stattfindet.
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Obgleich die bekannte Manipulatorvorrichtung Schutzmaßnahmen zur Reduzierung der Verschmutzung von Reinräumen aufweist, kann gleichwohl eine Beeinträchtigung des Reinraumes durch antriebsseitige Einflüsse der Manipulatorvorrichtung nicht gänzlich ausgeschlossen werden. So kann beispielsweise bei der Betätigung des Antriebes der Halteeinheit auftretender Abrieb möglicherweise durch Schlitze des Gehäuses hindurchtreten. Um dies weitestgehend auszuschließen, ist es erforderlich, das Gehäuse mittels einer Saugvorrichtung mit einem Unterdruck zu beaufschlagen. Die hierzu erforderlichen Maßnahmen sind allerdings konstruktiv sehr aufwendig und führen zu einem nicht unerheblichen Energieverbrauch.
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Eine aus der
EP 2 335 884 B1 bekannte Manipulatorvorrichtung verfügt über eine rüsselförmige Positioniereinrichtung, die stirnseitig mit einem Endeffektor in Gestalt eines Werkzeughalters, eines Werkstückträgers oder eines Werkzeuges ausgestattet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die einen Arbeitseinsatz einer Manipulatorvorrichtung der eingangs genannten Art im Zusammenhang mit Reinraumanwendungen begünstigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine der beiden Komponenten, also entweder die Halteeinheit oder der Endeffektor, eine aus supraleitendem Material bestehende supraleitende Kopplungseinheit mit einer zugeordneten, eine Kühlung bis mindestens zur Sprungtemperatur des supraleitenden Materials ermöglichenden Kühleinrichtung aufweist und die andere der beiden Komponenten eine permanentmagnetische Kopplungseinheit aufweist, wobei der Endeffektor durch Interaktion der beiden Kopplungseinheiten unter Belassung eines definierten Luftspaltes berührungslos von der Halteeinheit gehalten ist.
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Auf diese Weise macht man sich beim Aufbau des Manipulatorkopfes den an sich auf dem Gebiet der Supraleitung bekannten Effekt zunutze, wonach ein Supraleiter das äußere Magnetfeld eines in der Nähe befindlichen Permanentmagneten quasi speichert, wenn er auf oder unter die sogenannte Sprungtemperatur abgekühlt wird, bei der der elektrische Widerstand des supraleitenden Materials schlagartig auf null abfällt. Supraleiter und Permanentmagnet behalten dann ihren zuvor eingestellten Abstand bei und es ergibt sich eine berührungslose, in allen drei Raumrichtungen stabile Kopplung zwischen den beiden Komponenten. Erfindungsgemäß ist entweder die der Halteeinheit oder die dem Endeffektor zugeordnete Kopplungseinheit aus supraleitendem Material aufgebaut, während die andere Komponente über eine permanentmagnetische Kopplungseinheit verfügt, so dass der Endeffektor durch das vorstehend erläuterte Zusammenwirken der beiden Kopplungseinheiten unter Belassung eines festgelegten Luftspaltes berührungslos von der Halteeinheit gehalten ist. Der Endeffektor macht also die durch eine Positioniereinrichtung hervorgerufene Positionierbewegung der Halteeinheit synchron mit, wobei es keiner mechanischen Stabilisierungs- oder Verbindungsmittel bedarf und auch keine solchen Mittel vorhanden sind, um die räumliche Relativposition zwischen der Halteeinheit und dem Endeffektor unabhängig von der Positionierbewegung konstant zu halten. Der zwischen der Halteeinheit und dem Endeffektor vorhandene Luftspalt macht es in vorteilhafter Weise möglich, mit dem Endeffektor in einem hinter einer Trennwand liegenden und beispielsweise als Reinraum konzipierten Arbeitsbereich Arbeiten auszuführen, ohne die Halteeinheit oder sonstige Komponenten der Manipulatorvorrichtung in diesem Arbeitsbereich platzieren zu müssen. Die Trennwand, die zweckmäßigerweise nicht magnetisch ist, kann sich durch den Luftspalt hindurch erstrecken, so dass sie die beiden berührungslos miteinander gekoppelten Komponenten – die Halteeinheit und den Endeffektor – räumlich voneinander trennt, ohne deren kräftemäßige Kopplung aufzuheben. Somit können Antriebseinflüsse der Manipulatorvorrichtung von dem durch eine Trennwand abgeschotteten Arbeitsbereich gänzlich ferngehalten werden.
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Für die Realisierung der Erfindung eignet sich prinzipiell jedes supraleitende Material zweiter Art. Vorzugsweise wird ein Hochtemperatursupraleiter verwendet, dessen Sprungtemperatur bereits oberhalb von 90 Kelvin liegen kann. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein keramisches Material, beispielsweise um sogenanntes Yttrium-Barium-Kupferoxid. Die Vorteile von Hochtemperatursupraleitern liegen insbesondere darin, dass für ihre Kühlung weniger Energie benötigt wird und insbesondere eine Kühlung mit verhältnismäßig kostengünstig zur Verfügung stehendem flüssigem Stickstoff oder auch elektrisch mit entsprechenden Kühlaggregaten möglich ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Obgleich prinzipiell auch ein umgekehrter Aufbau möglich ist, empfiehlt es sich, die supraleitende Kopplungseinheit der Halteeinheit zuzuordnen und den Endeffektor mit der permanentmagnetischen Kopplungseinheit auszustatten. Vor allem wenn der Endeffektor und die Halteeinheit beim Einsatz der Manipulatorvorrichtung mittels einer den Luftspalt durchsetzenden Trennwand räumlich getrennt angeordnet sind, ist es vorteilhaft, wenn die supraleitende Kopplungseinheit und deren Kühleinrichtung vor der Trennwand bequem zugänglich sind, um für den Betrieb eventuell erforderliche Maßnahmen daran problemlos vornehmen zu können. Außerdem bleibt dann das supraleitende Material außerhalb eines eventuellen Arbeitsbereiches, in dem der Endeffektor aktiv ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet die permanentmagnetische Kopplungseinheit unmittelbar auch einen als Magnetgreifer fungierenden Endeffektor. Mittels eines solchen Magnetgreifers können zumindest partiell ferromagnetische Objekte auf der Basis von Magnetkraft ergriffen und durch entsprechende Positionierung des Manipulatorkopfes ihrerseits wunschgemäß positioniert werden. Da die permanentmagnetische Kopplungseinheit hier eine Doppelfunktion ausübt, einerseits zur kräftemäßigen Kopplung mit der supraleitenden Halteeinheit und andererseits unmittelbar als Magnetgreifer, ist diese Bauform einer Manipulatorvorrichtung äußerst kostengünstig.
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Unabhängig davon, ob der Endeffektor mit der supraleitenden Kopplungseinheit oder mit der permanentmagnetischen Kopplungseinheit ausgestattet ist, kann er in vorteilhafter Weise als Greifer oder als Werkzeug ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung als Greifer ist er nutzbar, um Werkstücke oder sonstige Objekte zwecks Veränderung ihrer Position vorübergehend festzuhalten. Ein solcher Greifer kann rein manuell betätigbar ausgeführt sein – beispielsweise zur Betätigung mittels einer Schraubvorrichtung – oder auch zur Betätigung mittels Fremdenergie. Im letzteren Fall ist es von Vorteil, wenn die Manipulatorvorrichtung mit Übertragungsmitteln zur drahtlosen elektrischen Energieübertragung zum Endeffektor ausgestattet ist. Auf diese Weise kann auch ein räumlich abgetrennt von der Halteeinheit angeordneter Endeffektor mit originär elektrischer Energie betrieben werden.
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Ein als Werkzeug ausgebildeter Endeffektor ist beispielsweise ein Bearbeitungswerkzeug oder ein Meßwerkzeug. Mittels eines solchen Endeffektors können beispielsweise Werkstücke bearbeitet und/oder vermessen werden. Auch für das Werkzeug gilt, dass es mittels Fremdenergie betätigbar ausgebildet sein kann, wobei Übertragungsmittel zur drahtlosen elektrischen Energieübertragung von einer abseits angeordneten Energiequelle zum Endeffektor vor allem dann vorteilhaft sind, wenn der Endeffektor durch eine Trennwand getrennt von der Halteeinheit betrieben wird.
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Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die Manipulatorvorrichtung mit Übertragungsmitteln zur drahtlosen elektrischen Signalübertragung auszustatten, um elektrische Signale zum Endeffektor oder vom Endeffektor zu übertragen. Auf diese Weise können beispielsweise Sensorsignale oder Meßsignale vom Endeffektor an eine externe elektronische Steuereinrichtung übermittelt werden und/oder es besteht die Möglichkeit, Betätigungssignale von einer solchen elektronischen Steuereinrichtung zum Endeffektor zu senden, mit deren Hilfe gewisse Aktionen des Endeffektors hervorgerufen werden, beispielsweise ein Meßvorgang.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Endeffektor relativ zur Halteeinheit frei drehbar. Dies lässt sich sehr einfach mittels eines entsprechend symmetrischen Aufbaus der permanentmagnetischen Kopplungseinheit realisieren. Der Endeffektor ist dann um eine Achse verdrehbar, ohne seine räumliche Position bezüglich der Halteeinheit zu verändern. Dieser Effekt ist beispielsweise nutzbar, um von einem Endeffektor ergriffene Werkstücke drehwinkelmäßig zu positionieren oder auch während einer Bearbeitung dauerhaft in Rotation zu halten. Da zwischen dem Endeffektor und der Halteeinheit keinerlei Reibung auftritt, kann eine Rotationsbewegung des Endeffektors über einen sehr langen Zeitraum gewährleistet werden.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Manipulatorvorrichtung ist eine Trennwand vorhanden, durch die ein Arbeitsbereich für den Endeffektor von einem weiteren Bereich, in dem die Halteeinheit angeordnet ist, abgetrennt ist. Die entsprechend dünnwandig ausgeführte Trennwand kann sich durch den zwischen der Halteeinheit und dem Endeffektor vorhandenen Luftspalt hindurch erstrecken, so dass sich der Endeffektor und die Halteeinheit auf einander entgegengesetzten Seiten der Trennwand befinden, wobei die zweckmäßigerweise auch zu der Manipulatorvorrichtung gehörende Positioniereinrichtung im gleichen räumlichen Bereich angeordnet ist, in dem sich die Halteeinheit befindet. Auf diese Weise kann mit dem Endeffektor in einem Arbeitsbereich gearbeitet werden, der von den anderen Komponenten der Manipulatorvorrichtung abgetrennt und insbesondere abgeschottet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Arbeitsbereich von einem Arbeitsraum gebildet ist, der zur Umgebung zweckmäßigerweise hermetisch abgedichtet ist und der lediglich mindestens eine lösbar dicht verschließbare Zugangsöffnung aufweist, durch die hindurch der Endeffektor und ein gegebenenfalls daran fixiertes Objekt in den Arbeitsraum hinein und aus dem Arbeitsraum heraus bewegbar sind. Dabei ist die Trennwand so platziert, dass sie berührungslos in den Luftspalt eintritt, wenn der Endeffektor in den Arbeitsraum hineingefahren wird.
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Die vorzugsweise unmagnetische Trennwand ist zweckmäßigerweise durchsichtig ausgebildet, so dass von der Seite der Halteinheit her durch die Trennwand hindurch ein Einblick in den Arbeitsbereich oder Arbeitsraum möglich ist, um die dort stattfindende Aktion des Endeffektors verfolgen oder auch kontrollieren zu können. Bevorzugt besteht die Trennwand aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial.
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In dem Arbeitsbereich kann unabhängig vom Manipulatorkopf mindestens ein Werkzeug angeordnet sein, das verwendet wird, um ein Objekt, das von einem als Greifer konzipierten Endeffektor getragen wird, in dem Arbeitsbereich zu behandeln oder zu bearbeiten. Bei einem solchen Werkzeug kann es sich beispielsweise um ein Farbauftragswerkzeug handeln.
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Obgleich sich die Manipulatorvorrichtung auch schon dann vorteilhaft einsetzen lässt, wenn ihre Positioniereinrichtung lediglich eine einachsige Bewegung des Manipulatorkopfes ermöglicht, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Positioniereinrichtung zum Hervorrufen einer mehrachsigen Bewegung des Manipulatorkopfes ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Positioniereinrichtung als mehrachsiger Roboter ausgebildet sein. Von Vorteil ist es jedenfalls wenn die Positioniereinrichtung wenigstens eine zweidimensionale translatorische Bewegung des Manipulatorkopfes hervorrufen kann, wobei die als Positionierebene bezeichenbare Bewegungsebene parallel zur Spaltebene des zwischen der Halteeinheit und dem Endeffektor ausgebildeten Luftspaltes verläuft.
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Wenn die zur Abkühlung des supraleitenden Materials auf oder unter die Sprungtemperatur verwendete Kühleinrichtung nach dem Funktionsprinzip einer Kompressorkältelage aufgebaut ist und über einen elektrisch betätigbaren Kühlkompressor verfügt, ist eine bequeme elektrische Betätigung möglich, wobei es sich erübrigt, von Zeit zu Zeit ein Kühlmittel nachzufüllen. Gleichwohl ist die Erfindung auch dann vorteilhaft nutzbar, wenn die Kühleinrichtung zur passiven Kühlung mittels eines geeigneten Kühlmediums ausgebildet ist, wobei als Kühlmedium insbesondere flüssiger Stickstoff verwendet wird. Das Kühlmittel ist zweckmäßigerweise in mindestens einem Kühlbehälter, einem sogenannten Kryostaten, der als ein Bestandteil der Halteeinheit ausgeführt ist, aufgenommen. Aufgrund einer entsprechenden Isolation kann das Kühlmittel die gewünschte Arbeitstemperatur ohne Nachkühlung über einen sehr langen Zeitraum aufrechterhalten, was einen energiesparenden Betrieb der Manipulatorvorrichtung begünstigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 in einer Seitenansicht einen schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Manipulatorvorrichtung, wobei die Wand eines Arbeitsraumes geschnitten gezeigt ist,
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2 die Manipulatorvorrichtung aus 1 in einer Draufsicht mit Blickrichtung gemäß Pfeil II aus 1,
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3 einen Ausschnitt der Manipulatorvorrichtung im Bereich des Manipulatorkopfes, wobei ein alternativ aufgebauter Endeffektor gezeigt ist, und
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4 vergleichbar der 3 ein Ausschnitt der Manipulatorvorrichtung, wobei ein weiterer vorteilhafter Aufbau eines Manipulatorkopfes illustriert ist.
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Die in der Zeichnung mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Manipulatorvorrichtung enthält zweckmäßigerweise eine Positioniereinrichtung 2 und einen an der Positioniereinrichtung 2 bevorzugt lösbar angebrachten Manipulatorkopf 3. Mit Hilfe der Positioniereinrichtung 2 kann der Manipulatorkopf 3 bewegt und wunschgemäß positioniert werden, wobei die entsprechende Bewegung als Positionierbewegung 4 bezeichnet werden soll und in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil illustriert ist.
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Die Positionierbewegung 4 ist beim Ausführungsbeispiel eine eindimensionale Linearbewegung in der Achsrichtung einer imaginären Hauptachse 5, die beim Ausführungsbeispiel horizontal orientiert ist, prinzipiell aber jede beliebige räumliche Ausrichtung haben kann.
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Die Manipulatorvorrichtung 1 besitzt zweckmäßigerweise einen beispielsweise als Gestell oder als Platte konzipierten Grundkörper 6, an dem die Positioniereinrichtung 2 fixiert ist. Letztere ist beim Ausführungsbeispiel von einem elektrisch betätigbaren Linearantrieb 7 gebildet, der über ein Abtriebsteil 8 verfügt, das zu einer linearen Abtriebsbewegung 12 antreibbar ist. Das Abtriebsteil 8 ist beispielsweise als Schlitten ausgebildet und ist bevorzugt an einer Linearführungseinrichtung 13 linear verschiebbar geführt, die beim Ausführungsbeispiel von einem Gehäuse 14 des Linearantriebes 7 gebildet oder an diesem Gehäuse 14 angebracht ist.
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Der Linearantrieb 7 enthält Antriebsmittel 15, die mit dem Abtriebsteil 8 in Antriebsverbindung stehen und bei ihrer Betätigung die Abtriebsbewegung 12 hervorrufen können. Exemplarisch enthalten die Antriebsmittel 15 einen Elektromotor, der eine sich in dem Gehäuse 14 erstreckende Gewindespindel rotativ antreiben kann, die mit dem Abtriebsteil 8 in Gewindeeingriff steht und bei ihrer Rotation die lineare Abtriebsbewegung 12 hervorruft.
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Alternativ kann der Linearantrieb 7 auch vom durch Fluidkraft betätigbaren Typ sein oder auch als Hybridantrieb gestaltet sein.
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Der Linearantrieb 7 ist beispielsweise von zwei Säulen 16 getragen und überspannt einen Positionierbereich 17, in dem sich die Positionierbewegung 4 des Manipulatorkopfes 3 abspielt.
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Der Manipulatorkopf 3 enthält zwei Komponenten, von denen die erste Komponente eine antriebsmäßig mechanisch mit der Positioniereinrichtung 2 verbundene Halteeinheit 18 ist, während die zweite Komponente ein mit der Halteeinheit 18 berührungslos bewegungsgekoppelter Endeffektor 19 ist. Der Endeffektor 19 wird von der Halteeinheit 18 festgehalten, so dass die Halteeinheit 18 und der Endeffektor 19 stets nur einheitlich translatorisch bewegbar sind. Diese einheitliche Bewegung ist die schon angesprochene Positionierbewegung 4, zu der der Manipulatorkopf 3 durch Krafteinleitung in die Halteeinheit 18 antreibbar ist.
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Dadurch, dass der Manipulatorkopf 3 mit seiner Halteeinheit 18 beim Ausführungsbeispiel an dem Abtriebsteil 8 befestigt ist, macht er die Abtriebsbewegung 12 des Abtriebsteils 8 mit. Vorzugsweise liegt zwischen der Halteeinheit 18 und dem Abtriebsteil 8 eine lösbare Verbindung vor, was es ermöglicht, den Manipulatorkopf 3 bei Bedarf abzunehmen und eventuell auch durch einen anderen Manipulatorkopf 3 zu ersetzen.
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Die Positioniereinrichtung 2 kann abweichend vom Ausführungsbeispiel auch so ausgebildet sein, dass sie eine mehrachsige translatorische Bewegung des Manipulatorkopfes 3 hervorrufen kann. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zu der Positionierbewegung 4 eine hierzu rechtwinkelige zweite Positionierbewegung 4a durchführbar ist, wobei sich die beiden Positionierbewegungen 4, 4a auch beliebig überlagern können, so dass der Manipulatorkopf 3 zweidimensional in einer Positionierebene 22 verlagerbar ist.
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Bei Bedarf kann die Positioniereinrichtung 2 auch noch weitere Bewegungsmöglichkeiten für den Manipulatorkopf 3 bieten, so insbesondere eine durch einen Doppelpfeil schematisch angedeutete dritte Positionierbewegung 4b, die rechtwinkelig zu der Positionierebene 22 orientiert ist. Auf diese Weise ist eine räumlich dreiachsige Verlagerung des Manipulatorkopfes 3 möglich, wobei sich die Bewegungsrichtungen beliebig überlagern können.
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Bei Bedarf können auch noch Rotationsachsen als weitere Bewegungsachsen hinzukommen, was in der Zeichnung nicht weiter illustriert ist.
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Die Manipulatorvorrichtung 1 ist mit besonders vorteilhaften Maßnahmen zur kräftemäßigen Kopplung zwischen der Halteeinheit 18 und dem Endeffektor 19 ausgestattet.
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Die Halteeinheit 18 enthält eine aus einem supraleitenden Material bestehende supraleitende Kopplungseinheit 23 und der Endeffektor 19 verfügt über eine permanentmagnetische Kopplungseinheit 24. Durch die Interaktion dieser beiden Kopplungseinheiten 23, 24 sind die Halteeinheit 18 und der Endeffektor 19 unter Belassung eines definierten Luftspaltes 25 berührungslos derart kräftemäßig aneinander gekoppelt, dass ihre räumliche Relativposition konstant ist. Der Endeffektor 19 wird in allen drei Raumrichtungen bezüglich der Halteeinheit 18 festgehalten. Nach außen hin wirken die Halteeinheit und der Endeffektor 19 daher wie eine nur einheitlich translatorisch bewegbare Baueinheit, wobei sie allerdings keinerlei mechanische Verbindung zwischen sich aufweisen und sich auch nicht berühren.
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Der supraleitenden Kopplungseinheit 23 ist eine Kühleinrichtung 26 zugeordnet, die zweckmäßigerweise ein Bestandteil der Halteeinheit 18 ist und die deren Bewegung mitmacht. Die Kühleinrichtung 26 ist so ausgebildet und angeordnet, dass sie das supraleitende Material der supraleitenden Kopplungseinheit 23 auf zumindest die materialspezifische sogenannte Sprungtemperatur und vorzugsweise auch darunter abkühlen kann. Die Sprungtemperatur ist diejenige Temperatur, bei deren Erreichen oder Unterschreiten das supraleitende Material in den supraleitenden Zustand übergeht, welcher sich dadurch auszeichnet, dass der elektrische Widerstand auf null absinkt.
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Beim Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung 26 von einem elektrisch betätigbaren Typ und arbeitet insbesondere nach dem Prinzip einer Kompressorkälteanlage. Dementsprechend ist sie beim Ausführungsbeispiel mit einem schematisch angedeuteten, elektrisch betätigten Kühlkompressor 27 ausgestattet.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel enthält die Halteeinheit 18 einen Kühlbehälter, in dem, zur Umgebung hin isoliert, ein die gewünschte Abkühlung gewährleistendes Kühlmedium aufgenommen ist, insbesondere flüssiger Stickstoff. In diesem Fall ist allerdings von Zeit zu Zeit ein Austausch des Kühlmediums erforderlich, um die gewünschte Betriebstemperatur des supraleitenden Materials zu gewährleisten.
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Um den Manipulatorkopf 3 in den aus der Zeichnung ersichtlichen betriebsbereiten Zustand zu versetzen, werden der Endeffektor 19 und die Halteeinheit 18 derart benachbart zueinander angeordnet, dass die gepunktet angedeuteten Magnetfelder 28 der permanentmagnetischen Kopplungseinheit 24 die supraleitende Kopplungseinheit 23 durchsetzen, worauf das supraleitende Material mit Hilfe der Kühleinrichtung 26 auf oder unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird. Dadurch werden die Magnetfelder 28 quasi „gespeichert” bzw. „eingefroren”, so dass aus dem zuvor eingestellten Abstand zwischen der Halteeinheit 18 und dem Endeffektor 19 ein Luftspalt 25 mit zumindest weitestgehend gleichbleibender Breite resultiert. Die Spaltbreite des Luftspaltes 25 beträgt beispielsweise 5 bis 7 mm, gemessen in der Achsrichtung einer Hauptwirkachse 32, die in 1 strichpunktiert angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Breite des Luftspaltes 25 in Abhängigkeit von der am Endeffektor 10 angreifenden Last geringen Änderungen unterliegen kann. Die die Halteeinheit 18 und den Endeffektor 19 zusammenhaltenden Magnetfelder 28 bewirken zweckmäßigerweise eine gewisse ”Elastizität” der Kopplung bzw. Verbindung zwischen den beiden Komponenten 18, 19.
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Bevorzugt hat die permanentmagnetische Kopplungseinheit 24 eine flächenhafte Ausdehnung und die Hauptwirkachse 32 verläuft rechtwinkelig dazu.
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Durch das „Speichern” bzw. „Einfrieren” der Magnetfelder 28 wird nicht nur die Breite des Luftspaltes 25 konstant gehalten, sondern auch die sonstige räumliche Relativposition zwischen der Halteeinheit 18 und dem Endeffektor 19. Dies solange, wie die supraleitende Kopplungseinheit 23 nicht über die Sprungtemperatur hinaus wieder erwärmt wird.
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Bevorzugt wird als supraleitendes Material ein keramischer Hochtemperatursupraleiter verwendet. Bevorzugt kommt Yttrium-Barium-Kupferoxid zum Einsatz. Hier kann die Sprungtemperatur bereits oberhalb von 90 Kelvin liegen. Beim Ausführungsbeispiel liefert die Kühleinrichtung 26 eine konstante Kühltemperatur von 73 Kelvin (–200° Celsius), so dass auch bei eventuellen Temperaturschwankungen eine zuverlässige Kraftkopplung zwischen den beiden Kopplungseinheiten 23, 24 und mithin zwischen der Halteeinheit und dem Endeffektor 19 gewährleistet ist.
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Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt die Halteeinheit 18 über die permanentmagnetische Kopplungseinheit 24 und der Endeffektor 19 ist mit der supraleitenden Kopplungseinheit 23 und der Kühleinrichtung 26 ausgestattet.
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Der Luftspalt 25 hat eine als Spaltebene 33 bezeichenbare Ausdehnungsebene, die bevorzugt rechtwinkelig zu der Hauptwirkachse 32 ausgerichtet ist.
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In vorteilhafter Weise verläuft die Spaltebene 33 parallel zu der Positionierebene 22.
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Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 bildet die permanentmagnetische Kopplungseinheit 24 unmittelbar den Endeffektor 19, der hier als Magnetgreifer 19a ausgebildet ist. Dieser Magnetgreifer 19a ist in der Lage, wie illustriert ein zumindest partiell ferromagnetisches Objekt 34 durch magnetische Kraftwirkung festzuhalten. Dieses Objekt 34 kann mithin durch Verfahren des Manipulatorkopfes 3 wunschgemäß positioniert werden. In der 1 sind drei von vielen möglichen Positionen des Manipulatorkopfes 3 ersichtlich, wobei zwei davon nur strichpunktiert angedeutet sind.
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Die 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsformen von Manipulatorköpfen 3, die sich in der Ausgestaltung des Endeffektors 19 voneinander und von der Ausführungsform der 1 und 2 unterscheiden.
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Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist der Endeffektor 19 ein insbesondere mechanischer Greifer 19b, der ohne Anwendung von Magnetkraft in der Lage ist, ein Objekt 34 zwecks Positionierung festzuhalten. Gezeigt ist eine Ausführungsform als Backengreifer mit mehreren beweglichen Greifbacken 36, die mit dem festzuhaltenden Objekt 34 verspannbar sind.
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Der Greifer 19b ist beispielsweise manuell betätigbar und verfügt über ein Betätigungsmittel 42, an dem sich ein Werkzeug ansetzen lässt, um die Greifbacken 36 zu betätigen.
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Der Greifer 19b ist bevorzugt alternativ oder zusätzlich auch noch mit Fremdenergie betätigbar, wobei eine elektrisch betätigbare Variante gezeigt ist. Die hierzu erforderliche elektrische Betätigungsenergie wird durch geeignete Übertragungsmittel 43 zweckmäßigerweise drahtlos von einer externen Energiequelle 49 übertragen.
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Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Greifer 19b ein mit Unterdruck arbeitender Sauggreifer.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Endeffektor 19 ein Werkzeug 19c, mit dem sich ein unabhängig vom Manipulatorkopf 3 anderweitig fixiertes Objekt, das nicht abgebildet ist, behandeln, bearbeiten oder vermessen lässt. Insofern kann das Werkzeug 19c ein Behandlungswerkzeug, ein Bearbeitungswerkzeug oder ein Messwerkzeug sein. Gezeigt ist eine Ausführungsform als Messwerkzeug mit einem Tastkopf 44, der an einem Werkstück zur Anlage bringbar ist, um dieses auszumessen.
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Die 4 macht auch deutlich, dass die Manipulatorvorrichtung 1 mit Übertragungsmitteln 45 ausgestattet sein kann, die eine drahtlose elektrische Signalübertragung zum und/oder vom Endeffektor 19 ermöglichen. Beispielsweise können die Übertragungsmittel 45 von dem Werkzeug 19c erfasste oder generierte Daten drahtlos an eine entfernt davon angeordnete elektronische Steuereinrichtung 46 übertragen und/oder es erfolgt eine Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinrichtung 46 zum Endeffektor 19.
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Für die drahtlose Übertragung bietet sich insbesondere eine Infrarotübertragung oder eine Funkübertragung an.
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Ein und dieselbe Manipulatorvorrichtung 1 kann so ausgebildet sein, dass sie sowohl Übertragungsmittel 43 zur drahtlosen elektrischen Energieübertragung als auch Übertragungsmittel 45 zur drahtlosen elektrischen Signalübertragung enthält.
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Die drahtlose Übertragung von Energie und/oder Signalen zum Endeffektor 19 und/oder vom Endeffektor 19 hat den Vorteil, dass an dem Endeffektor 19 keine Schläuche, Kabel oder sonstigen Übertragungseinrichtungen angebracht werden müssen und der Endeffektor 19 tatsächlich keinerlei mechanische Anknüpfung an externe Komponenten aufweist.
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Eine besonders zweckmäßig ausgestattete Manipulatorvorrichtung 1 verfügt über eine Trennwand 47, die einen Arbeitsbereich 35 von einem Außenbereich 37 abtrennt, und zwar vorzugsweise in mediendichter Weise. Eine solche, beim Ausführungsbeispiel vorhandene Trennwand 47 hat bevorzugt eine ebene Ausdehnung mit einer als Wandebene 48 bezeichneten Hauptausdehnungsebene. Die Trennwand 47 befindet sich in dem Positionierbereich 17 und ist so ausgerichtet, dass zwischen ihr und dem Manipulatorkopf 3 Relativpositionen möglich sind, bei denen die Wandebene 48 mit der Spaltebene 33 zusammenfällt.
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Beim Ausführungsbeispiel ist dies stets der Fall. Hier ist die Positioniereinrichtung 2 so ausgebildet, dass die Positionierebene 22 parallel zu der Wandebene 48 verläuft.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Manipulatorkopfes 3 macht es möglich, den Endeffektor 19 hinter der Trennwand 47 in dem Arbeitsbereich 35 zu positionieren und gleichzeitig die Halteeinheit 18 in dem Außenbereich 37 zu belassen. Dies geschieht einfach dadurch, dass der Manipulatorkopf 3 mittels der Positioniereinrichtung 2 derart verfahren wird, dass sich die Trennwand 47 berührungslos durch den Luftspalt 25 hindurch erstreckt. Es versteht sich, dass die Dicke der Trennwand 47 geringer ist als die Spaltbreite des Luftspaltes 25, damit die Trennwand 47 tatsächlich berührungslos in den Luftspalt 25 eingreifen kann.
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Werden beispielsweise mittels eines in dem Arbeitsbereich 35 platzierten, gesondert zu dem Manipulatorkopf 3 ausgebildeten Werkzeuges 52 Arbeiten an einem Objekt 34 vorgenommen, das an dem im Arbeitsbereich 35 positionierten Endeffektor 19 fixiert ist, können sich diese Arbeiten nicht auf die in dem Außenbereich 37 platzierten Komponenten der Positioniereinrichtung 2 auswirken. Bei dem im Arbeitsbereich 35 befindlichen Werkzeug 52 handelt es sich beispielsweise um ein Farbauftragswerkzeug oder um ein mechanisches Bearbeitungswerkzeug.
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Besonders vorteilhaft ist der Aufbau des Manipulatorkopfes 3, wenn der Arbeitsbereich 35 von einem durch eine Begrenzungswand 53 ringsum abgeschlossenen Arbeitsraum 35a gebildet ist, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist. Dieser Arbeitsraum 35a ist bevorzugt ein sogenannter Reinraum. Die erwähnte Trennwand 47 ist ein Bestandteil der Begrenzungswand 53 und erstreckt sich bis in den Bereich einer von der Begrenzungswand 53 definierten Zugangsöffnung 54, die mittels eines gestrichelt angedeuteten Verschlussmittels 55 wahlweise freigebbar oder verschließbar ist. Bei diesem Verschlussmittel 55 handelt es sich beispielsweise um eine Tür oder um einen Vorhang. Es ist zweckmäßig, wenn das Verschlussmittel 55 so ausgebildet ist, dass der Arbeitsraum 35a bezüglich des Außenbereiches 37 hermetisch abgeschlossen ist, wenn die Zugangsöffnung 54 verschlossen ist.
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Bei freigegebener Zugangsöffnung 54 kann der Manipulatorkopf 3 gemäß 1 aus einer komplett im Außenbereich 37 befindlichen, strichpunktiert angedeuteten Ausgangsposition 56 in eine in durchgezogenen Linien abgebildete Arbeitsposition 57 verfahren werden, in der die Halteeinheit 18 weiterhin in dem Außenbereich 37 liegt, der Endeffektor 19 jedoch einschließlich eines daran eventuell angeordneten Objektes 34 sich in dem Arbeitsraum 35a befindet. Bei 58 ist der Manipulatorkopf 3 strichpunktiert in einer Übergangsposition 58 gezeigt, in der er gerade dabei ist, sich entlang der Trennwand 47 zu bewegen, so dass die Trennwand 47 mit ihrem die Zugangsöffnung 54 begrenzenden Randabschnitt 47a im Begriff ist, in den Luftspalt 25 einzutauchen.
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Der in dem Arbeitsraum 35a positionierte Endeffektor 19 schwebt darin ohne jegliche mechanische Abstützung und allein durch die aus der Wechselwirkung zwischen den beiden Kopplungseinheiten 23, 24 resultierenden magnetischen Kopplungskräfte.
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Die Trennwand 47 und insbesondere die gesamte Begrenzungswand 53 bestehen zweckmäßigerweise aus einem Kunststoffmaterial oder aus Glas. Es ist von Vorteil, wenn es sich um ein durchsichtiges Material handelt. Selbstverständlich wird ein Material gewählt, das die Magnetkopplung zwischen der Halteeinheit 18 und dem Endeffektor 19 nicht beeinträchtigt.
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Zweckmäßigerweise sind die beiden Kopplungseinheiten 23, 24 so ausgebildet, dass der Endeffektor 13 um die Hauptwirkachse 32 herum relativ zu der Halteeinheit 18 verdrehbar ist. Dies begünstigt eine Rundumbearbeitung eines am Endeffektor 19 fixierten Objektes 34, da der Endeffektor 19 in eine reibungsfreie Rotationsbewegung versetzt werden kann.
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Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, die Kopplungseinheiten 23, 24 so auszubilden, dass der Endeffektor 19 keinerlei Relativbewegung bezüglich der Halteeinheit 18 ausführen kann und diesbezüglich insbesondere drehfest fixiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0438030 A1 [0002]
- EP 2335884 B1 [0004]
