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Die Erfindung betrifft einen Sauggreifer, mit mindestens einem Arbeitskopf, der an einer in Achsrichtung einer Hauptachse orientierten Arbeitsseite einen Gegenstand auf Grund eines nach dem Bernoulli-Prinzip erzeugten Unterdruckes festhalten kann, wobei der Arbeitskopf im Bereich der Arbeitsseite eine zu der Hauptachse konzentrische Ringdüse für nach radial außen ausströmende Druckluft aufweist und über eine sich konzentrisch um die Ringdüse herum erstreckende kreisringförmige Strömungsleitfläche verfügt, die an der der Arbeitsseite zugewandten Stirnfläche eines Luftleitkörpers des Arbeitskopfes ausgebildet ist und gemeinsam mit der zugewandten Oberfläche des jeweils festzuhaltenden Gegenstandes einen Durchlassspalt für die an der Ringdüse ausströmende Druckluft begrenzt.
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Sauggreifer dieser Art ermöglichen ein berührungsfreies oder berührungsarmes Festhalten von umzupositionierenden Gegenständen und werden deshalb gelegentlich auch als Schwebesauger bezeichnet. Ein aus der
DE 30 36 829 A1 bekannter Sauggreifer der eingangs genannten. Art enthält einen Luftleitkörper mit einem in seinem Innern aufgenommenen Luftleitkern, wobei diese beiden Komponenten eine sich zu einer Arbeitsseite hin öffnende Ringdüse definieren, durch die hindurch im Betrieb des Sauggreifers Druckluft austritt. An die Ringdüse schließt sich konzentrisch eine sich rechtwinkelig zur axialen Hauptachse des Arbeitskopfes erstreckende, ebene Stirnfläche des Luftleitkörpers an, die eine Strömungsleitfläche bildet und gemeinsam mit der Oberfläche des jeweils festzuhaltenden Gegenstandes einen Durchlassspalt definiert, durch den hindurch die Druckluft nach radial außen hin zur Umgebung abströmt. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Durchlassspaltes ruft nach dem Bernoulli-Prinzip eine Absenkung des statischen Druckes hervor, so dass der Gegenstand auf Grund der Wechselwirkung mit dem ansonsten an ihm angreifenden Umgebungsdruck durch den Arbeitskopf angesaugt und festgehalten wird. Bei dem bekannten Sauggreifer gewährleistet eine in den Luftleitkern eingesetzte Kugel einen gewissen Minimalabstand des festzuhaltenden Gegenstandes vom Arbeitskopf.
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Ein ebenfalls gattungsgemäßer Sauggreifer ist aus der
EP 1 641 037 A1 bekannt, bei dem der Arbeitskopf einen sich rings um eine radial orientierte Ringdüse herum erstreckenden Ringraum aufweist, dessen Begrenzungsfläche einen schrägen. Verlauf hat und an den sich radial außen eine planparallele Strömungsleitfläche anschließt.
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Die
DE 36 42 937 A1 offenbart einen auf dem Funktionsprinzip eines Vakuums-Ejektors basierenden Sauggreifer, der an seiner Arbeitsseite je nach Ausführungsform eine Kreisdüse oder Ringdüse aufweist. Die Druckluft strömt schräg aus und wird von dem anzusaugenden Gegenstand umgelenkt. Radial außen schließt sich noch eine als Diffusor wirkende schräge Randfläche an.
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Aus der
EP 0 844 646 A2 ist ein Sauggreifer mit einem axial orientierten Ringspalt bekannt, wobei die Erzeugung einer kreisförmigen und zu dem Ringspalt konzentrischen Stufe in der Greifoberfläche im Vordergrund steht. Durch diese Stufe wird die Strömung der Luft verlangsamt, um das Strömungsverhalten eines auf dem festzuhaltenden Gegenstand aufgebrachten Behandlungsmediums zu beeinflussen.
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Die
DE 35 36 432 A1 beschreibt einen Sauggreifer mit einer Ringdüse, deren Austrittsöffnung bündig mit einer sich anschließenden planparallelen Strömungsleitfläche verläuft.
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Die
DE 20 2006 016 833 U1 und
DE 10 2007 045 854 A1 beschreiben jeweils einen Sauggreifer, bei dem die Unterdruckerzeugung auf einem Wirbelkammerprinzip basiert, wie es auch bei einigen in der
EP 1 641 037 A1 beschriebenen Ausführungsformen der Fall ist, wobei in einer mit schrägen Begrenzungsflächen versehenen ringförmigen Wirbelkammer Wirbelluftströme erzeugt werden, die einen Unterdruck hervorrufen.
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Aus der
FR 2 566 682 A1 ist ein Sauggreifer bekannt, bei dem durch direktes Absaugen durch einen Absaugkanal hindurch ein Unterdruck erzeugt wird.
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Aus dem im Internet veröffentlichten Artikel ”Berührungsarm handhaben mit Schwebesaugern”, 30. September 2004, der J. Schmalz GmbH, 72293 Glatten, geht ein ebenfalls nach dem Bernoulli-Prinzip arbeitender ”Schwebesauger” hervor, bei dem der Abluftstrom wiederum einen Sog erzeugt, der für ein den handzuhabenden Gegenstand festzuhaltendes Vakuum sorgt.
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Die bekannten Sauggreifer arbeiten zwar zuverlässig. Allerdings besteht zunehmend Bedarf an einer höheren Effizienz und einer damit verbundenen Energieeinsparung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Sauggreifer der eingangs genannten Art so zu optimieren, dass er einen besseren Wirkungsgrad besitzt.
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Diese Aufgabe wird zum einen dadurch gelöst, dass von der Strömungsleitfläche mindestens ein mit Radialabstand konzentrisch um die Ringdüse herum angeordneter ringförmiger Verengungswulst axial in Richtung zur Arbeitsseite absteht, so dass der sich gemeinsam mit der zugewandten Oberfläche des festzuhaltenden Gegenstandes ausbildende Durchlassspalt in seinem radialen Verlauf mindestens eine lokale Engstelle aufweist.
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Zum anderen wird die Aufgabe auch dadurch gelöst, dass die ringförmige Austrittsöffnung der Ringdüse zumindest teilweise und vorzugsweise zur Gänze axial außerhalb des Luftleitkörpers angeordnet ist, wobei sie bezüglich der sich anschließenden Strömungsleitfläche axial vorgelagert ist, und dass die Strömungsleitfläche einen nach radial außen hin schräg in Richtung zur Arbeitsseite strebenden Schrägverlauf aufweist, so dass der sich ausbildende Durchlassspalt einen sich nach radial außen hin verjüngenden Keilquerschnitt aufweist.
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Berechnungen haben gezeigt, dass durch die zweitgenannte Maßnahme bei gleichem Luftdurchsatz eine Erhöhung der Saug- bzw. Haltekraft im Bereich von 4% bis 6% möglich ist und durch die erstgenannte Maßnahme sogar eine Erhöhung im Bereich von 5 bis 7%. Auch die Kombination beider Maßnahmen ist möglich. Somit wird deutlich, dass der Luftdurchsatz und folglich der Luftverbrauch deutlich gesenkt werden kann, wenn man sich mit den bisher üblichen Haltekräften begnügt. Der Sauggreifer ermöglicht folglich einen äußerst wirtschaftlichen Betrieb.
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Bei der Variante mit schräger Strömungsleitfläche reduziert sich die Spalthöhe des sich im Betrieb ausbildenden Durchlassspaltes mit zunehmendem Abstand von der zentralen Hauptachse, so dass der ansonsten mit zunehmendem Abstand von der Hauptachse auftretenden Vergrößerung des Strömungsquerschnittes entgegengewirkt wird. Somit lässt sich ein relativ hohes Niveau der Strömungsgeschwindigkeit bis in die Nähe des äußeren Randes der Strömungsleitfläche aufrechterhalten, was auf. Grund des Bernoulli-Effektes auch in denjenigen Außenbereichen für einen nennenswerten Unterdruck sorgt, in denen bei konventionellen Sauggreifern der Unterdruck schon stark abgefallen ist.
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Der Neigungswinkel der schrägen Strömungsleitfläche bezüglich einer zur Hauptachse rechtwinkeligen Radialebene sollte allerdings sehr gering sein, um keinen kontraproduktiven Strömungsrückstau hervorzurufen. Als ungefähre Größenordnung empfiehlt sich insbesondere eine dahingehende Schrägstellung, dass der Durchlassspalt eine größte Höhe im Anschluss an die Ringdüse von etwa 0,3 mm bis 0,4 mm aufweist und eine geringste Höhe im äußeren Endbereich der Strömungsleitfläche von etwa 0,1 mm weniger.
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Bei der dem gleichen Zweck dienenden anderen Variante kommt ein vergleichbarer technologischer Ansatz zum Tragen. Wiederum wird die den Durchlassspalt durchsetzende Luftströmung zu Gunsten einer Absenkung des statischen Druckes beschleunigt. Dies geschieht hier durch Hervorrufen einer lokalen Engstelle innerhalb des Durchlassspaltes, die sich in einem radialen Abstand zur Ringdüse konzentrisch um diese herum erstreckt. Hervorgerufen wird sie durch eine an der Strömungsleitfläche angeordnete, als Verengungswulst bezeichnete wulst- oder höckerartige Erhebung mit ringförmiger Gestalt, die über die sich anschließenden Abschnitte der Strömungsleitfläche ein. Stück weit axial vorsteht. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn. die Höhe des Verengungswulstes in einer Größenordnung von 25 bis 35% der Nennhöhe des Durchlassspaltes beträgt. Der Verengungswulst bewirkt eine lokale Geschwindigkeitserhöhung der ausströmenden Luft und sorgt folglich auch in größerem radialem Abstand zur Ringdüse für einen höheren. Unterdruck.
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Es besteht die Möglichkeit, zwei oder mehr als zwei Verengungswulste mit radialem Abstand kozentrisch zueinander an der Strömungsleitfläche anzuordnen. Zwar wird der Effekt der Geschwindigkeitserhöhung mit zunehmendem Radialabstand von der Hauptachse geringer. In Verbindung mit der hier jedoch größer werdenden Ringfläche stellt sich gleichwohl eine bemerkenswerte Vergrößerung des Unterdruckes ein. Die Anzahl der Verengungswulste kann auch von der absoluten Größe der Strömungsleitfläche abhängig gemacht werden.
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Durch die geschilderten Maßnahmen kann auch eine Reduktion des Luftdurchsatzes erzielt werden, was zu einer Verringerung der Schallentwicklung führt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Es besteht die Möglichkeit, die ringförmige Austrittsöffnung der Ringdüse so zu platzieren, dass sie nicht axial über den Luftleitkörper hinausragt. In Verbindung mit einem zur Definition der Ringdüse beitragenden, in einer Ausnehmung des Luftleitkörpers angeordneten Luftleitkerns, erreicht man dies insbesondere durch eine dahingehende Anordnung des Luftleitkerns, dass er nicht über die Strömungsleitfläche des Luftleitkörpers hinausragt. Eine solche Ausgestaltung eignet sich insbesondere für die Realisierung eines berührungslosen Greifvorganges.
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Zu Gunsten eines weiter optimierten Wirkungsgrades wird zweckmäßigerweise angestrebt, dass die Druckluft die Ringdüse in möglichst genau radialer Richtung bezüglich der Hauptachse verlässt. Hier sind die durch Zusammenprall mit dem festzuhaltenden Gegenstand auftretenden Strömungsverluste minimal und die ausströmende Luft ruft auch keine relevante Abstoßkraft bezüglich des festzuhaltenden Gegenstandes hervor. Derartige Gegebenheiten lassen sich am einfachsten dadurch realisieren, dass man die ringförmige Austrittsöffnung der Ringdüse zumindest teilweise und vorzugsweise in ihrer Gesamtheit axial außerhalb des Luftleitkörpers platziert. Dadurch ist sie der sich anschließenden Strömungsleitfläche axial vorgelagert. In Verbindung mit einem zur Definition der Ringdüse beitragenden Luftleitkern lassen sich solche Gegebenheiten am einfachsten dadurch realisieren, dass der Luftleitkern an der Arbeitsseite axial zumindest geringfügig aus dem Luftleitkörper herausragt. Über den bevorzugt tellerförmig ausgebildeten Endabschnitt des Luftleitkerns kann sich der Arbeitskopf im Betrieb unter Umständen auch am festzuhaltenden Gegenstand abstützen, so dass auf Reibung basierende Querkräfte aufgebaut werden, die eine Lagesicherung des Gegenstandes bezüglich dem Arbeitskopf quer zur Hauptachse zur Folge haben.
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Der vorzugsweise vorhandene Luftleitkern kann mit unveränderlicher Relativposition am Luftleitkörper angeordnet sein. Einen wesentlich variableren Betrieb ermöglicht allerdings eine Ausgestaltung, bei der der Luftleitkern in der Achsrichtung der Hauptachse relativ zum Luftleitkörper verstellbar ist, so dass sich unterschiedliche Querschnitte der Ringdüse einstellen lassen. Durch die somit mögliche variable Vorgabe des der ausströmenden Druckluft zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnittes lässt sich der Durchfluss verändern und somit die im Bereich der Strömungsleitfläche erzielbare Saug- bzw. Haltekraft. Der Anwender hat dadurch die Möglichkeit, die jeweilige Haltekraft individuell an die Eigenschaften der festzuhaltenden Gegenstände anzupassen, insbesondere an das Gewicht und die Stabilität dieser Gegenstände.
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Es können Mittel vorhanden sein, die ein rein manuelles Justieren der Relativposition zwischen Luftleitkern und Luftleitkörper ermöglichen. Beispielsweise kann der Luftleitkörper unter Verwendung geeigneter Gewindemittel unterschiedlich weit in den Luftleitkörper einschraubbar ausgebildet sein. Komfortabler ist eine Variante, bei der spezielle Antriebsmittel zur Veränderung und Einstellung der Relativposition vorhanden sind, insbesondere elektrisch betätigbare Antriebsmittel und hierbei beispielsweise ein Piezoantrieb oder ein Tauchankerantrieb.
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Zur weiteren Vergrößerung der Haltekraft kann der Luftleitkern im Bereich seiner der Arbeitsseite zugewandten vorderen Stirnfläche mindestens eine Vertiefung aufweisen. Zweckmäßigerweise ist genau eine zentral platzierte Vertiefung vorhanden. Die Vertiefung bewirkt, dass bei festgehaltenem Gegenstand zwischen diesem Gegenstand und dem Luftleitkern ein weiterer Zwischenraum entsteht, in dem sich durch Druckausgleich und/oder Saugwirkung ebenfalls ein Unterdruck einstellt.
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Zur Abstützung bezüglich des festzuhaltenden Gegenstandes kann der Arbeitskopf an seiner Stirnseite mindestens einen über die Stirnfläche vorstehenden Stützkörper aufweisen, der insbesondere aus einem gummielastischen Material besteht, welches zum einen einen hohen Reibungskoeffizient besitzt und zum anderen eine schonende Berührung des festzuhaltenden Gegenstandes garantiert.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Stützkörper am Luftleitkern angeordnet, wobei sich zweckmäßigerweise sämtliche Stützkörper an dem Luftleitkern befinden. Mindestens ein oder sämtliche Stützkörper können aber auch an dem Luftleitkörper angeordnet sein.
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Bei Bedarf kann mindestens ein Bypasskanal eine Verbindung zwischen der Vertiefung und dem Durchlassspalt herbeiführen, um einen raschen Unterdruckaufbau in der vom Gegenstand abgedeckten Vertiefung zu generieren.
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Zur weiteren Optimierung des Sauggreifers kann die Stirnfläche des Luftleitkörpers so gestaltet sein, dass die Strömungsleitfläche nicht vollständig bis zur kreiszylindrischen Außenkontur des Luftleitkörpers verläuft, sondern mit gewissem Abstand davor endet und sich stattdessen ein ringförmiger schräger Endabschnitt der Stirnfläche anschließt, der sich nach radial außen hin axial von der Arbeitsseite entfernt.
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Somit ergibt sich bei angesaugtem Gegenstand radial im Anschluss an den Durchlassspalt ein sich keilförmig nach außen hin erweiternder Diffusorspalt, auf Grund dessen die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass durch den erweiterten Diffusorspalt eine Erhöhung der Haltekraft erreicht werden kann. Grund hierfür ist die Ablösung der Strömung vom festgehaltenen Gegenstand im Bereich des Diffusorspalts.
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Zweckmäßigerweise ist der Arbeitskopf mit Sensormitteln ausgestattet, die eine Detektion des jeweils festzuhaltenden Gegenstandes ermöglichen. Auf diese Weise kann während des Betriebes des Sauggreifers kontrolliert werden, ob ein Gegenstand korrekt erfasst ist oder nicht. Die Sensormittel könnten beispielsweise als Näherungssensoren ausgebildet sein, insbesondere Hall-Sensoren, wobei jedenfalls für eine berührungslose Aktivierung ausgelegte Sensormittel bevorzugt werden. Als Sensormittel kann auch mindestens ein Drucksensor vorhanden sein, der den im Bereich der Arbeitsseite herrschenden Unterdruck erfasst, wobei der erfasste Unterdruck in einer internen oder externen Auswerteelektronik mit Referenzwerten verglichen werden kann, um eine exakte Diagnose des jeweiligen Betriebszustandes zu ermöglichen. Die zur Druckerfassung dienenden Sensormittel sind insbesondere so angeordnet, dass sie den im Bereich der Stirnfläche des vorzugsweise vorhandenen Luftleitkerns herrschenden Unterdruck erfassen können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
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1 eine bevorzugte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sauggreifers in einem Längsschnitt gemäß Schnittlinie I-I, wobei der Bereich des Endabschnittes des Luftleitkerns zusätzlich in einem strichpunktiert umrahmten Ausschnitt vergrößert und aufgebrochen abgebildet ist,
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2 eine Unteransicht des Sauggreifers aus 1 mit Blickrichtung gemäß Pfeil II ohne Darstellung des festzuhaltenden Gegenstandes,
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3 eine alternative Ausführungsform des Sauggreifers, wiederum in einem Längsschnitt, wobei zur Optimierung auf eine schräg verlaufende Strömungsleitfläche zurückgegriffen wird, im Unterschied zu der beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 rechtwinkelig ausgerichteten, jedoch mit Verengungswulsten versehenen Strömungsleitfläche, und
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sauggreifers, bei dem die bei den anderen Ausführungsbeispielen jeweils für sich allein realisierten Maßnahmen kumulativ realisiert sind.
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Alle abgebildeten Sauggreifer 1 eignen sich zum Festhalten eines schematisch angedeuteten Gegenstandes 2 mittels eines in einem Durchlassspalt 3 unter Ausnutzung des sogenannten Bernoulli-Prinzips generierten Unterdruckes.
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Der Gegenstand 2 kann prinzipiell eine in weiten Grenzen beliebige Außenkontur haben. Gezeigt ist ein plattenförmiger Gegenstand 2. Jedenfalls ist es von Vorteil, wenn der handzuhabende Gegenstand 2 an seiner in Gebrauchslage dem Sauggreifer 1 zugewandten Seite eine zumindest im Wesentlichen ebene Oberfläche 4 aufweist.
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Der Sauggreifer 1 enthält beim Ausführungsbeispiel einen einzigen Arbeitskopf 5, kann jedoch prinzipiell auch mit mehreren gleichzeitig nutzbaren Arbeitsköpfen 5 ausgestattet sein.
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An seiner in 1, 3 und 4 nach oben weisenden einen Stirnseite – im Folgenden als Oberseite bezeichnet – kann der Arbeitskopf 5 mit einer Befestigungseinrichtung 6 ausgestattet sein, über die er mit einer Betätigungseinrichtung koppelbar ist, die seine wunschgemäße Positionierung und Verlagerung bewirkt. Selbstverständlich kann die Befestigungseinrichtung 6 auch anderweitig am Arbeitskopf 5 platziert sein.
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Ein durch den Sauggreifer 1 festzuhaltender Gegenstand 2 wird im Bereich der in 1, 3 und 4 unterhalb des Arbeitskopfes 5 liegenden Seite des Sauggreifers 1 platziert. Diese Seite sei im Folgenden als Arbeitsseite 7 bezeichnet.
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Der Arbeitskopf 5 umfasst einen ein- oder mehrteiligen Luftleitkörper 8, der zweckmäßigerweise zumindest im Wesentlichen kreiszylindrisch gestaltet ist. Er verfügt über eine der Arbeitsseite 7 zugewandte untere Stirnfläche 12 und eine dieser entgegengesetzte obere Stirnfläche 13, sowie dazwischen, insbesondere zumindest im Anschluss an die untere Stirnfläche 12, eine kreiszylindrische Außenkontur 14. Die Mittellängsachse des Sauggreifers 1 ist gleichzeitig die Mittellängsachse des Arbeitskopfes 5 und sei im Folgenden als Hauptachse 15 bezeichnet.
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Im Innern des Luftleitkörpers 8 ist eine zur unteren Stirnfläche 12 ausmündende Ausnehmung 16 ausgebildet, deren Längsachse mit der Hauptachse 15 zusammenfällt. Ihr Querschnitt erweitert sich zu der unteren Stirnfläche 12 hin, wobei der größte Querschnitt im Übergangsbereich zu der unteren Stirnfläche 12 vorliegt.
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An den oberen Endabschnitt 17 der Ausnehmung 16 schließt sich ein im Innern des Luftleitkörpers 8 ausgebildeter Hohlraum 18 an, vorzugsweise ebenfalls koaxial zu der Hauptachse 15 und mit einem bezüglich dem oberen Endabschnitt 17 der Ausnehmung 16 größeren Querschnitt.
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Koaxial in der Ausnehmung 16 und dem sich daran anschließenden Hohlraum 18 erstreckt sich ein Luftleitkern 22. Dadurch ergibt sich innerhalb der Ausnehmung 16 ein außen von der Wandung 19 der Ausnehmung 16 und innen von der Außenumfangsfläche 32 des Luftleitkerns 22 begrenzter ringförmiger Strömungskanal 23. Er mündet mit seinem oberen Endabschnitt in eine einen größeren Außendurchmesser aufweisende Ringkammer 24, die von dem von dem Luftleitkern 22 zentral durchsetzten Hohlraum 18 gebildet ist.
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In die Ringkammer 24 mündet ein Lufteinspeisekanal 25, der über eine Einspeiseöffnung 26 zur Außenfläche des Arbeitskopfes 5 ausmündet, über die sich eine Verbindung mit einer nicht weiter dargestellten Druckluftquelle herstellen lässt. Letzteres geschieht insbesondere mittels einer nicht weiter abgebildeten Druckluftleitung. Beim Ausführungsbeispiel mündet der Lufteinspeisekanal 25 seitlich in die Ringkammer 24 ein, jedoch kann er prinzipiell auch an anderer Stelle, insbesondere axial, einmünden.
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Über die Einspeiseöffnung 26 eingespeiste Druckluft tritt in die Ringkammer 24 ein und gelangt von dort über den oberen Endabschnitt 17 in den ringförmigen Strömungskanal 23. Der Luftleitkörper 8 definiert gemeinsam mit dem Luftleitkern 22 im Bereich dessen der Arbeitsseite 7 zugewandten unteren Endabschnittes eine als Ringdüse 27 bezeichnete, zur Hauptachse 15 konzentrische ringförmige Düse 27 mit einer zur Arbeitsseite 7 ausmündenden ringförmigen Austrittsöffnung 28. Die in den Strömungskanal 23 eingespeiste Druckluft tritt durch die Ringdüse 27 hindurch, in der sie zweckmäßigerweise nochmals beschleunigt wird, um dann über die Austrittsöffnung 28 zu der Arbeitsseite 7 hin auszutreten.
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Durch die Ringkammer 24 wird eine Stabilisierung und Vergleichmäßigung des Luftübertrittes in den sich nach unten hin anschließenden Strömungskanal 23 erzielt. Die Folge sind reduzierte Druckverluste und höhere Strömungsgeschwindigkeiten. Prinzipiell könnte der Sauggreifer 1 aber auch ohne die Ringkammer 24 und mittels direkter Einspeisung der Druckluft in den ringförmigen Strömungskanal 23 betrieben werden.
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Damit die Luft möglichst auch den Strömungskanal 23 verlustarm durchströmt, ist es von Vorteil, wenn die Außenumfangsfläche 32 des Luftleitkerns 22 kontinuierlich gekrümmt ist, ebenso wie die Seitenwand 19 der Ausnehmung 16. Für die Außenumfangsfläche 32 bietet sich eine konkav gekrümmte Kontur an, für die Seitenfläche 19 der Ausnehmung 16 eine konvex gekrümmte Kontur. Somit erreicht man eine sich in Richtung der Arbeitsseite 7 bzw. der unteren Stirnfläche 12 trompetenartig erweiternde Kanalstruktur. Die hindurchströmende Luft wird dadurch von ihrer anfänglich axialen Strömungsrichtung allmählich in eine nach radial außen orientierte Strömungsrichtung umgelenkt.
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In 3 ist strichpunktiert bei 22' eine Variante des Luftleitkerns 22 angedeutet, die eine abgestufte Kontur besitzt, mit einem nach oben ragenden Schaft und einem unten angeordneten plattenförmigen Endabschnitt 35. Auch mit einem derart gestalteten Luftleitkern 22' ist der Sauggreifer 1 betriebsfähig, weist allerdings auf Grund der abgestuften Kanalkontur und den daraus resultierenden Wirbeln einen etwas geringeren Wirkungsgrad auf.
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An der unteren Stirnfläche 12 des Luftleitkörpers 8 ist eine sich konzentrisch um die Ringdüse 27 bzw. deren Austrittsöffnung 28 herum erstreckende ringförmige Strömungsleitfläche 33 ausgebildet. Sie leitet die aus der Ringdüse 27 radial in alle Richtungen austretende Luftströmung nach radial außen in Richtung zur Außenkontur 14. Die Strömungsleitfläche 33 definiert gemeinsam mit der weiter oben erwähnten, dem Sauggreifer 1 zugewandten Oberfläche 4 des Gegenstandes 2 den ebenfalls ringförmigen Durchlassspalt 3.
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Der Durchlassspalt 3 hat eine zur Hauptachse 15 konzentrische ringförmige innere Spaltmündung, die unmittelbar im Anschluss an die Austrittsöffnung 28 liegt. Radial weiter außen liegt folglich die ebenfalls konzentrisch zur Hauptachse 15 angeordnete äußere Spaltmündung 34 des Durchlassspaltes 3, deren Umfangserstreckung um die Hauptachse 15 herum auf Grund des größeren Abstandes zur Hauptachse 15 naturgemäß größer ist als diejenige der inneren Spaltmündung.
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Die aus der Ringdüse 27 austretende Druckluft strömt gemäß den in 2 eingezeichneten Pfeilen allseits in radialer Richtung durch den Durchlassspalt 3 hindurch zu der den Sauggreifer 1 umgebenden Atmosphäre ab. Auf Grund der hohen Strömungsgeschwindigkeit sinkt der statische Druck innerhalb des Durchlassspaltes 3 nennenswert unter den Atmosphärendruck ab, so dass sich ein gewisser Unterdruck aufbaut (Bernoulli-Prinzip). Als Folge davon wird der Gegenstand 2 in Richtung der Strömungsleitfläche 33 an den Arbeitskopf 5 herangezogen und festgehalten. Auf Grund der in dem Durchlassspalt 3 strömenden Druckluft findet allerdings keine Berührung zwischen dem Gegenstand 2 und der Strömungsleitfläche 33 statt. Auf diese Weise ist ein schonendes „Greifen” des Gegenstandes 2 möglich.
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Bei allen Ausführungsbeispielen ist der Luftleitkern 22 in vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass er an der unteren Stirnfläche 12 axial aus dem Luftleitkörper 8 herausragt. Zugleich ist die Außenumfangsfläche 32 so gestaltet, dass sie im Bereich des außerhalb des Luftleitkörpers 8 liegenden unteren Endabschnittes 35 des Luftleitkerns 22 der unteren Stirnfläche 12 zur Arbeitsseite 7 hin mit Abstand axial vorgelagert ist. Dies hat den Effekt, dass die ringförmige Austrittsöffnung 28 der Ringdüse 27 zumindest teilweise und vorzugsweise in ihrer Gesamtheit axial außerhalb des Luftleitkörpers 8 liegt. Gleichzeitig wird durch einen entsprechend aufeinander abgestimmten Verlauf der Außenumfangsfläche 32 und der Innenumfangsfläche 19 der Ausnehmung 16 vorzugsweise erreicht, dass die Austrittsöffnung 28 zumindest im Wesentlichen radial nach außen ausgerichtet ist. Die Folge hiervon ist, dass die aus der Ringdüse 27 ausströmende Druckluft eine bezüglich der Hauptachse 15 zumindest im Wesentlichen rechtwinkelige Ausströmrichtung aufweist (Strömungspfeile 36).
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Der untere Endabschnitt 35 des Luftleitkerns 22 kann insbesondere tellerförmig verbreitert ausgebildet sein, um den genannten Effekt zu erzielen.
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Steht der Luftleitkern 22 verhältnismäßig weit nach außen über den Luftleitkörper 8 vor, kann er als mechanisches Abstützelement für den festzuhaltenden Gegenstand 2 fungieren. Eine mechanische Abstützung kann gewünscht sein, um auf Grund der hierbei auftretenden Reibung eine Querstabilisierung des festzuhaltenden Gegenstandes 2 rechtwinkelig zur Hauptachse 15 zu bewirken. Allerdings wird zweckmäßigerweise ein unmittelbarer Kontakt zwischen Gegenstand 2 und Luftleitkern 22 vermieden, um Beschädigungen auszuschließen. Stattdessen stattet man den Luftleitkern 22 gemäß dem vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich seiner der Arbeitsseite 7 zugewandten unteren Stirnfläche 39 zweckmäßigerweise mit mindestens einem Stützkörper 37a, 37b aus, der über die untere Stirnfläche 39 vorsteht und an dem sich der Gegenstand 2 so abstützen kann, dass zwischen Letzterem und der unteren Stirnfläche 39 ein Luftspalt 42 verbleibt.
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Der Stützkörper 37a, 37b besteht zweckmäßigerweise aus einem zumindest geringfügig nachgiebigen Material und insbesondere aus einem Material mit gummielastischen Eigenschaften. In Verbindung mit seiner Nachgiebigkeit kann der Stützkörper 37a, 37b auch einen erhöhten Reibungskoeffizient aufweisen, so dass der herangedrückte Gegenstand 2 nicht verrutschen kann und folglich eine Positionssicherung quer zur Hauptachse 15 erfährt.
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Soll ein Gegenstand 2 gänzlich berührungslos festgehalten werden, kann auch die in 3 gezeigte Ausführungsform eines Luftleitkerns 22' gewählt werden, der nicht oder nur kaum aus dem Luftleitkörper 8 herausragt oder gar vollständig innerhalb des Luftleitkörpers 8 sitzt. In einem solchen Fall lässt es sich allerdings kaum vermeiden, dass die Austrittsöffnung der Ringdüse 27 zumindest teilweise bezüglich der unteren Stirnfläche 12 bzw. der Strömungsleitfläche 33 axial zurückversetzt ist und dementsprechend eine dahingehende Neigung aufweist, dass die die Ringdüse 27 verlassende Druckluft mit bezüglich der Hauptachse 15 schräger Ausströmrichtung ausströmt und auf die Oberfläche 4 auftrifft.
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Da zu Gunsten eines optimalen Wirkungsgrades anzustreben ist, dass die Druckluft die Ringdüse 27 mit bezüglich der Hauptachse 15 möglichst exakt radialer Strömungsrichtung verlässt, wird man bei dem strichpunktierten Ausführungsbeispiel jedenfalls versuchen, den auch hier tellerförmig ausgebildeten unteren Endabschnitt 35 des Luftleitkerns 22' möglichst dünn auszubilden, damit die strichpunktiert markierte Austrittsöffnung 28' möglichst nahe auf die axiale Höhe der unteren Stirnfläche 12 herangerückt wird.
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Da der Spaltquerschnitt des Durchlassspaltes 3 mit zunehmender radialer Entfernung von der Ringdüse 27 zunimmt, verringert sich normalerweise die Strömungsgeschwindigkeit mit hohem Gradient, so dass der für die Erzeugung der Haltekraft maßgebliche Bereich der Strömungsleitfläche 33 schon relativ weit radial innerhalb der eigentlichen Außengrenze 43 der Strömungsleitfläche 33 endet. Bei allen Ausführungsbeispielen sind nun Maßnahmen vorgesehen, die diesen Effekt zumindest teilweise kompensieren.
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Beim Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind an der unteren Stirnfläche 12 innerhalb des Umrisses der Strömungsleitfläche 33 zwei ringförmige Verengungswulste 38a, 38b am Luftleitkörper 8 angeordnet. Sie sind beide mit Bezug zur Hauptachse 15 konzentrisch angeordnet, wobei sie radial zueinander beabstandet sind. Außerdem ergibt sich ein radialer Abstand zwischen dem innenliegenden Verengungswulst 38a und der Austrittsöffnung 28 der Ringdüse 27, sowie zwischen dem außenliegenden Verengungswulst 38b und dem Außenrand 43 der Strömungsleitfläche 33.
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Beide Verengungswulste 38a, 38b sind erhaben bezüglich der Strömungsleitfläche 33 ausgebildet und stehen von dieser axial ab. Ihre Höhe beträgt beispielsweise 20 bis 35% der Nennhöhe des Durchlassspaltes 3.
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Die Verengungswülste 38a, 38b definieren gemeinsam mit der gegenüberliegenden Oberfläche 4 des Gegenstandes 2 je eine zur Ringdüse 27 konzentrische, lokale Engstelle 44 im radialen Verlauf des Durchlassspaltes 3. Die ausströmende Druckluft wird im Bereich dieser Engstellen 44 jeweils beschleunigt, so dass der statische Druck lokal absinkt und sich Bereiche ausbilden, in denen der Gegenstand 2 verstärkt herangezogen wird.
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Die Verengungswulste 38a, 38b haben zweckmäßigerweise eine abgerundete, stromlinienförmige Querschnittskontur, um der Luftströmung möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen.
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Bei entsprechend größerer radialer Ausdehnung der Strömungsleitfläche 33 können auch mehr als zwei Verengungswulste 38a, 38b vorhanden sein. Ebenso ist es möglich, die Strömungsleitfläche 33 mit nur einem ringförmigen Verengungswulst auszustatten.
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Beim Ausführungsbeispiel der 3 wird, verglichen mit einem geradlinigen Verlauf der Strömungsleitfläche 33, innerhalb des Durchlassspaltes 3 durch einen besonderen Schrägverlauf der Strömungsleitfläche 33 nach radial außen hin eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft hervorgerufen. Die Strömungsleitfläche 33 verläuft ausgehend vom Bereich der Austrittsöffnung 28 schräg nach radial außen und gleichzeitig in Richtung zur Arbeitsseite 7, also axial vom Luftleitkörper 8 weg. Somit ergibt sich ausgehend von der Austrittsöffnung 28 bis hin zum Außenwand 43 ein kegeliger Verlauf mit sehr geringer Steigung, was dazu führt, dass der sich unter Mitwirkung des Gegenstandes 2 ausbildende Durchlassspalt 3 einen sich nach radial außen hin verjüngenden Keilquerschnitt aufweist. Somit wird die nach radial außen hin zunehmende Umfangslänge des Strömungsquerschnittes durch eine sich verringernde Spalthöhe kompensiert. Man erreicht dadurch, dass sich auch noch in relativ großem Radialabstand zur Ringdüse 27 nennenswerte Haltekräfte aufbauen.
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Der Schrägverlauf der Strömungsleitfläche 33 erstreckt sich zweckmäßigerweise kontinuierlich über die gesamte radiale Abmessung der Strömungsleitfläche 33 hinweg.
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Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt eine kombinierte Anwendung der bei den anderen beiden Ausführungsbeispielen angewandten Beschleunigungsprinzipien. Zum einen verfügt die Strömungsleitfläche 33 über einen Schrägverlauf und zum anderen ist die Strömungsleitfläche 33 mit mindestens einem konzentrischen Verengungswulst 38 versehen.
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Insbesondere wenn der Luftleitkern 22 über die untere Stirnfläche 12 vorsteht, ist es von Vorteil, wenn der Luftleitkern 22 in seiner unteren Stirnfläche 39 eine zentral angeordnete Vertiefung 45 aufweist, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist. In dieser Vertiefung 45 kann sich durch den Luftspalt 42 hindurch auf Grund des auftretenden Druckausgleiches an statischem Druck ebenfalls ein Unterdruck ausbilden, was zu einer Erhöhung der Haltekraft beiträgt.
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Grundsätzlich wäre auch eine dezentrale Anordnung der Vertiefung 45 und/oder eine Mehrfachanordnung von Vertiefungen denkbar.
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Gemäß dem vergrößerten Ausschnitt der 1 kann die Vertiefung 45 in vorteilhafter Weise mit dem Vorhandensein mindestens eines Stützkörpers 37a, 37b kombiniert werden.
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Beispielsweise kann ein ringförmiger Stützkörper 37a, insbesondere nach Art eines gummielastischen O-Ringes, so in einer Vertiefung 45 angeordnet sein, dass er sich entlang deren äußeren Randes um die Hauptachse 15 herum erstreckt und zugleich ein Stück weit axial aus der Vertiefung 45 herausragt und somit über die untere Stirnfläche 39 übersteht.
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Da in diesem Fall durch den Dichtkontakt zwischen dem ringförmigen Stützkörper 37 und dem Luftleitkern 22 sowie dem Gegenstand 2 der statische Druckausgleich behindert ist, empfiehlt sich die zusätzliche Realisierung mindestens eines im Luftleitkern 22 verlaufenden Bypasskanals 46. Der Bypasskanal 46 ist so ausgebildet, dass er eine ständig offene Verbindung zwischen der Vertiefung 45 und dem radial außerhalb des Stützkörpers 37 der unteren Stirnfläche 39 des Luftleitkerns 22 vorgelagerten Bereich herstellt. Dieser letztgenannte Bereich ist beim Ausführungsbeispiel von dem Luftspalt 42 gebildet.
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Beim Ausführungsbeispiel sind entlang des Randes der Vertiefung 45 mehrere Bypasskanäle 46 verteilt angeordnet, wie insbesondere auch aus 2 ersichtlich ist. Sie sind hier in besonders einfacher Weise in Gestalt von sacklochartigen Vertiefungen realisiert, die vom ringförmigen Stützkörper 37a nur partiell überdeckt werden, so dass selbiger quasi untertunnelt wird.
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Bei 37b sind noch einzelne klotz- oder säulenförmige Stützkörper angedeutet, die alternativ oder zusätzlich zu dem ringförmigen Stützkörper 37a Verwendung finden können.
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Bei Bedarf können im Übrigen zur Abstützung und Querstabilisierung des Gegenstandes 2 dienende Stützkörper alternativ oder zusätzlich im Bereich der Strömungsleitfläche 33 des Luftleitkörpers 8 vorgesehen sein, die dann punktuell den Durchlassspalt 3 axial durchsetzen.
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Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten für den Sauggreifer 1 erschließen sich, wenn der Luftleitkern 22, 22' in seiner bezüglich dem Luftleitkörper 8 eingenommenen Relativposition in Achsrichtung der Hauptachse 15 variabel positionierbar ist, wie dies in 1 und 3 bei 53 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist.
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Durch axiales Verstellen des Luftleitkerns 22, 22 bezüglich dem Luftleitkörper 8 lässt sich der der austretenden Druckluft als Strömungsquerschnitt zur Verfügung stehende Querschnitt der Ringdüse 27 variieren. Man kann also den Querschnitt der Austrittsöffnung 28, 28' verändern und auf diese Weise einen direkten Einfluss auf die Strömungsrate der aus der Ringdüse 27 austretenden Druckluft nehmen. Dies gestattet eine Beeinflussung des Luftverbrauchs und mithin der erzielbaren Haltekraft, um eine direkte Anpassung an das Gewicht oder sonstige Strukturmerkmale eines festzuhaltenden Gegenstandes durchführen zu können.
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Zur Ermöglichung der Veränderung des Strömungsquerschnittes ist der Luftleitkörper 8 bei den beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 3 gemäß Doppelpfeil 53 verstellbar am Luftleitkörper 8 gelagert. Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist hierzu eine sehr einfache Methode gewählt, nämlich eine Schraubverbindung. Der Luftleitkörper 8 ist mittels eines strichpunktiert angedeuteten Gewindeabschnittes 54 axial verstellbar in den Luftleitkörper 8 eingeschraubt. Zum Verändern der Relativposition muss er lediglich verdreht werden. Die jeweils eingestellte Relativposition kann zweckmäßigerweise mittels nicht weiter dargestellter Sicherungsmittel fixiert werden, beispielsweise in Gestalt einer Klemmschraube oder einer Kontermutter.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 illustriert, dass der Sauggreifer 1 auch mit speziellen Antriebsmitteln 52 (strichpunktiert angedeutet) ausgestattet sein kann, die durch fluidische und insbesondere durch elektrische Betätigung ein Einstellen der bezüglich dem Luftleitkörper 8 eingenommenen Relativposition des Luftleitkerns 22 ermöglichen. Die Antriebsmittel 52 sind beispielsweise als Piezoantrieb oder als Tauchankerantrieb ausgebildet, der am Luftleitkörper 8 fixiert ist und an dem Luftleitkern 22 angreift und bei Betätigung ein axiales Verschieben des Luftleitkerns 22 in Achsrichtung der Hauptachse 15 hervorruft. Es versteht sich, dass auch andere, insbesondere motorische Antriebsmittel 52 alternativ einsetzbar sind.
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Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn der Sauggreifer 1 mit in 1 nur schematisch angedeuteten Sensormitteln 57 ausgestattet ist, die eine Detektion des festzuhaltenden Gegenstandes 2 ermöglichen. Die Sensormittel 57 können beispielsweise berührungslos arbeitende Annäherungssensoren sein. Besonders vorteilhaft sind Sensormittel 57, die mindestens einen Drucksensor beinhalten, der den zwischen dem Arbeitskopf 5 und dem festzuhaltenden Gegenstand 6 herrschenden Unterdruck erfassen kann, wobei das Erreichen eines bestimmten Unterdruckes signalisiert, dass der Gegenstand 2 die zum sicheren Festhalten erforderliche Annäherung an den Arbeitkopf 5 erfahren hat. Besonders zuverlässig ist diese Detektion dann, wenn die zur Druckerfassung genutzten Sensormittel 57 am oder im Luftleitkern 22 angeordnet sind und zur Druckerfassung desjenigen Unterdruckes dienen, der sich in dem Zwischenraum zwischen der Stirnfläche des Luftleitkerns 22 und dem Gegenstand 2 ausbildet.
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Die Sensormittel 57 können ihre Signale an eine schematisch angedeutete Auswerteelektronik 58 senden, die in Abhängigkeit von den Sensorsignalen den Betrieb des Sauggreifers 1 steuert.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, auch die Antriebsmittel 52 mit der Auswerteelektronik 58 zu koppeln und den Aktivierungszustand der Antriebsmittel 52 von den Sensorsignalen abhängig zu machen. So lässt sich beispielsweise mittels einer entsprechend intelligenten Software eine ständige Überwachung dahingehend vornehmen, ob der sich zwischen dem Arbeitskopf 5 und dem Gegenstand 2 einstellende Unterdruck ausreicht, um den Gegenstand 2 festzuhalten. Ergeben sich Abweichungen vom Referenzwert, kann dem durch eine Veränderung der Axialposition des Luftleitkerns 22 Rechnung getragen werden, so dass sich der Luftdurchsatz entweder vergrößert oder verringert, um die Haltekraft entsprechend zu vergrößern oder abzusenken.
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Durch geeignete Sensormittel sind bei Bedarf auch noch andere Diagnosemöglichkeiten in Bezug auf den Sauggreifer 1 realisierbar.
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Die Auswerteelektronik 58 ist vorzugsweise ein direkter Bestandteil des Sauggreifers 1, kann aber auch extern angeordnet sein.
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Die 4 zeigt eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der Haltekraft. Diese besteht darin, dass der Außenrand 43 der Strömungsleitfläche 33 bezüglich der Außenkontur 14 des Luftleitkörpers 8 radial nach innen zurückversetzt ist und sich daran, radial außen, ein zur Außenkontur 14 auslaufender schräger Endabschnitt 47 der unteren Stirnfläche 12 anschließt. Der schräge Endabschnitt 47 ist konzentrisch um die Strömungsleitfläche 33 herum angeordnet und erstreckt sich ausgehend von dem Außenrand 43 schräg nach radial außen und zugleich nach oben, also axial von der Arbeitsseite 7 weg. Die schräge Fläche kann sowohl geradlinig bzw. eben ausgebildet sein wie beim Ausführungsbeispiel, kann aber auch ganz oder abschnittsweise abgerundet sein, sowohl konvex als auch konkav.
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Kooperiert der Sauggreifer 1 mit einem Gegenstand 2, bildet sich im Bereich des schrägen Endabschnittes 47 ein an den Durchlassspalt 3 anschließender, sich nach radial außen erweiternder Diffusorspalt 48 aus, wobei die Erweiterung beim Ausführungsbeispiel keilförmig ausfällt. Der Diffusorspalt 48 bewirkt eine Ablösung der Strömung vom Gegenstand 2. Dies führt zur Beschleunigung der Strömung und damit zu einer Absenkung des statischen Drucks auf der Oberfläche 4 des Gegenstands 2. Der Diffusorspalt bewirkt also eine zusätzliche Erhöhung der Haltekraft.
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Ein zur Bildung eines Diffusorspaltes 48 beitragender schräger Endabschnitt 47 der unteren Stirnfläche 12 kann im Übrigen auch bei den anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden, weshalb er in 1 und 3 strichpunktiert angedeutet ist.
