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Die Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung und einen insbesondere dafür geeigneten Druckkraftsensor.
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Vorrichtungen zur Handhabung von Werkstücken können u. a. in Form von Greifern mit wenigstens zwei Greifarmen ausgeführt sein, die unter der Einwirkung einer Antriebskraft aufeinander und auf ein zwischen den beiden Greifarmen angeordnetes Werkstück zu bewegbar sind, um das Werkstück mit einer Druckkraft zu erfassen und das Werkstück für einen Bearbeitungsvorgang zu fixieren oder das Werkstück an eine andere Position zu verlagern. Durch Wegnahme der Antriebskraft oder Aufbringen einer Öffnungskraft kann das Werkstück wieder freigegeben werden. Solche Handhabungsvorrichtungen werden auch als Greifhand bezeichnet.
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Die auf das Werkstück von den Greifarmen hereinwirkende Druckkraft soll einerseits das Werkstück zuverlässig halten, darf andererseits nicht so groß sein, dass Greifer oder Werkstück beschädigt werden können. Eine Überwachung der Druckkraft kann über die auf die Greifarme einwirkende Antriebskraft vorgenommen werden, was aber häufig durch die Geometrie der Handhabungsvorrichtung und durch Kraftverluste im Übertragungswerg von der Antriebskraft zur Druckkraft zu wenig präzis ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Handhabungsvorrichtung mit einem Druckkraftsensor und einen insbesondere dafür geeigneten Druckkraftsensor anzugeben.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Verwendung eines kapazitiven Sensors mit einer elastischen Dielektrikumsschicht zwischen einer ersten Sensorelektrodenfläche und einer Gegenelektrodenfläche und die Auswertung des veränderlichen Kapazitätswerts des kapazitiven Sensors ermöglicht vorteilhafterweise die Bestimmung der auf die elastische Dielektrikumsschicht wirkenden Druckkraft, mit welcher der die erste Sensorelektrodenfläche tragende Greifarm auf das Werkstück drückt. Hierfür ist die Dielektrikumsschicht zwischen der ersten Sensorfläche und der Gegenelektrodenfläche unter Einwirkung der Druckkraft reversibel in ihrer Dikke veränderbar, wodurch sich der vom Abstand der ersten Sensorfläche von der Gegenelektrodenfläche abhängige Kapazitätswert ändert. Der Kapazitätswert des kapazitiven Sensors oder die Änderung des Kapazitätswerts gegenüber einem z. B. bei Abwesenheit einer Druckkraft gegebenen Referenzwerts werden in einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Höhe der Druckkraft ausgewertet. Die Druckkraft kann dadurch innerhalb eines vorgebbaren Meßbereichs kontinuierlich oder zumindest in mehreren Zwischenwerten bestimmt werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
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1 eine Handhabungsvorrichtung mit Druckkraftsensoren,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt des Sensorbereichs,
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3 eine Ausführung mit verlängerter Sensoranordnung,
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4 eine Sensorausführung mit Sandwich-Kondensator,
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5 eine Ausführung mit metallischem Werkstück,
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6 eine mehrteilige Sensorfläche,
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7 eine Greifsituation zu einem Sensor nach 6.
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1 zeigt in schematischer Ausführung eine Handhabungsvorrichtung HV mit einem von dieser gegriffenen Werkstück WS. Die Handhabungsvorrichtung weist beispielsweise an einem freien Ende einer Tragstruktur TS ein Gehäuse AG auf, an welchem zwei Greifarme GA1 und GA2 um Schwenkgelenke SG1, SG2 drehbar gelagert sind. Es kann auch vorgesehen sein, nur einen der beiden Greifarme schwenkbar zu lagern. Dem Werkstück WS zu weisend sind an den einander zu weisenden Flächen der Greifarme GA1, GA2 jeweils Greifflächen GF ausgebildet, welche vorteilhafterweise flexibel und elastisch nachgebend ausgebildet sind. Die Greifflächen GF liegen in der dargestellten Greifsituation an dem Werkstück WS an und sind vorzugsweise rutschhemmend ausgebildet. Eine Verschwenkung der Greifarme GA1, GA2 relativ zueinander und zu dem Werkstück um die Schwenkgelenke SG1, SG2 kann beispielsweise in der Art vorgesehen sein, dass ein Aktuator AK, beispielsweise ein Druckluftbalg, die dem Werkstück abgewandten Enden der Greifarme GA1, GA2 bei Druckluftbeaufschlagung auseinander drückt und hierdurch die dem Werkstück zugewandten Enden der Greifarme GA1, GA2 mit den einander und dem Werkstück WS zu weisenden Greifflächen GF auf das Werkstück zu bewegt werden. Eine solche Schließbewegung kann beispielsweise entgegen der rückstellend, d. h. die Greifarme öffnend wirkenden Feder FE erfolgen. Die Art der Ausbildung des Antriebs der Greifarme zu deren Verlagerung zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung ist hierbei lediglich beispielhaft zu verstehen. Mechanismen für die Betätigung solcher Greifarme sind in zahlreichen Ausführungen an sich bekannt.
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In der in 1 dargestellten Greifstellung drücken die Greifarme GA1, GA2 mit den Greifflächen GF gegen das Werkstück WS, welches im Beispielsfall der 1 in der gezeigten Ansicht als Hohlzylinder ausgeführt sein kann und beispielsweise durch ein zu ergreifendes Reagenzglas mit vertikaler Zylinderachse WA gegeben sein kann. Die Kraft, mit welcher die Greifflächen GF auf das Werkstück WS drücken, ist durch die Aktuatorkraft des Aktuators AE und die rückstellende Kraft der Feder FE bestimmt, hängt aber auch ab von dem Abstand des Werkstücks WS von den Schwenkgelenken SG1, SG2 und von eventuellen Kraftverlusten im Mechanismus der Greifarme, welcher im Realfall komplexer sein kann als in der in 1 schematisch dargestellten einfachen Ausführung.
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Zur Bestimmung der tatsächlich zwischen den Greifflächen GF und dem Werkstück WS wirkenden Kräfte ist an wenigstens einem der beiden Greifarme eine Sensoreinrichtung mit einem Druckkraftsensor vorgesehen. Wenn bedingt durch die Ausführung der Anlenkung der Greifarme davon ausgegangen werden kann, dass die Druckkräfte, mit welchen die Greifflächen GF auf das Werkstück WS wirken, an beiden Greifflächen entgegen gesetzt gleich groß sind oder wenn aus anderem Grund nur die Druckkraft an einem Greifarm zu bestimmen ist, kann eine Sensoreinrichtung an einem der beiden Greifarme ausreichend sei. Im skizzierten Beispiel sind beide Greifarme GA1, GA2 mit jeweils einer eigenen Sensoreinrichtung SA1, SA2 ausgestattet.
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Die Sensoreinrichtungen sind als kapazitive Druckkraftsensor ausgebildet, welche in Abhängigkeit von der zwischen Greiffläche GF und Werkstück wirkenden Druckkraft einen veränderlichen Kapazitätswert aufweisen. Der jeweilige aktuelle Kapazitätswert wird in einer Auswerteeinrichtung AE, welche beispielsweise in dem Gehäuse AG untergebracht sein kann, ausgewertet.
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Für die Ausbildung als kapazitiver Druckkraftsensor weist eine Sensoreinrichtung eine erste Elektrodenfläche auf, welche mit einer Gegenelektrodenfläche einen Kondensator bildet. Die erste Elektrodenfläche und die Gegenelektrodenfläche sind durch eine dielektrische Schicht voneinander getrennt, welche elastisch verformbar ist und deren Dicke unter der Einwirkung zwischen Greiffläche und Werkstück wirkenden Druckkraft reversibel verringerbar ist. Durch die Verringerung der Dicke der Dielektrikumsschicht zwischen erster Elektrodenfläche und Gegenelektrodenfläche erhöht sich der Kapazitätswert des Kondensators, dessen Kondensatorflächen durch die erste Elektrodenfläche und die Gegenelektrodenfläche gebildet sind. Der Kapazitätswert und/oder die Veränderung des Kapazitätswerts gegenüber einem Referenzwert, welcher insbesondere der Kapazitätswert bei Abwesenheit einer Druckkraft sein kann, kann in der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, um ein Maß für die zwischen Greiffläche GF und Werkstück WS bei der jeweiligen Sensoranordnung im wesentlichen in Richtung der Flächennormale der Greiffläche wirkende Kraft zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann hierfür insbesondere wenigstens einen Oszillator, beispielsweise in Form eines Schwingkreises oder eines Multivibrators, enthalten, dessen Oszillationsfrequenz vom Kapazitätswert des kapazitiven Sensors abhängt und zur Bestimmung eines Maßes für die Druckkraft auswertbar ist. Erste Elektrodenfläche und Gegenelektrodenfläche sind hierfür mit der Auswerteeinrichtung elektrisch verbunden.
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2 zeigt eine erste vorteilhafte Ausführung einer derartigen Sensoreinrichtung mit einem kapazitiven Druckkraftsensor. Die Sensoreinrichtung SA1, die an einem dem Werkstück WS zuweisenden Bereich des Greifarms GA1 angeordnet ist, weist eine erste Elektrodenfläche EF aus einem elektrisch leitendem Material, insbesondere einem Metall aus, welche von dem Greifarm GA1 durch eine elastisch verformbare Dielektrikumsschicht KD beabstandet ist. Als Material für die Dielektrikumsschicht KD kann insbesondere ein geschäumtes Kunststoffmaterial, vorgesehen sein. Auf der der Dielektrikumsschicht KD abgewandten Seite der ersten Elektrodenfläche EF ist eine Deckschicht DS vorgesehen, welche zum einen die elektrisch leitende Elektrodenfläche EF elektrisch gegen das Werkstück WS isoliert und welche zum anderen für ein sicheres Greifen des Werkstücks WS rutschhemmend ausgebildet sein kann. Die Deckschicht DS, die erste Elektrodenschicht EF und die Dielektrikumsschicht KD sind vorzugsweise fest miteinander verbunden und können beispielsweise miteinander verklebt oder als Laminatstruktur vorbereitet sein.
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In dem Beispielsfall nach 2 sei angenommen, dass der Greifarm GA1 metallisch sei und die Gegenelektrodenfläche GE zu der ersten Elektrodenfäche EF für die Ausbildung eines Kondensators bildet. Die erste Elektrodenfläche EF ist über eine Leitung LE elektrisch mit der Auswerteeinrichtung AE verbunden. Bei Ausführung des Greifarms GA1 aus einem nicht elektrisch leitendem Material kann die Gegenelektrodenfläche GE durch eine zwischen die Dielektrikumsschicht KD und den Greifarm GA1 eingefügte elektrisch leitende Schicht gebildet sein, welche dann wiederum gesondert mit der Auswerteeinrichtung AE zu verbinden ist. Für die Kontaktierung der Leitung LE mit der ersten Elektrodenfläche EF ist in dem in 2(A) dargestellten Beispiel die Elektrodenfläche EF in einem Randbereich von der Deckschicht DS befreit.
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Die Dielektrikumsschicht KD besitze in einem in 2(A) dargestellten Ausgangszustand, in welchem die Greiffläche GF der Deckschicht DS noch nicht an dem Werkstück WS anliegt und deshalb noch keine Druckkraft zwischen Werkstück und Greiffläche wirkt, eine Dicke DA. In 2(B) ist eine Situation dargestellt, in welcher das Werkstück WS von der Handhabungsvorrichtung ergriffen ist und durch eine zwischen Greiffläche GF und dem Werkstück WS wirkende Druckkraft die Dielektrikumsschicht KD in einer der Kontur der Werkstückoberfläche folgenden Form elastisch komprimiert ist. Die Dicke der Dielektrikumsschicht KD ist hierbei gegenüber der Ausgangsdicke DA bis zu einer minimalen Schichtdicke DD verringert, wodurch sich der Kapazitätswert des durch die erste Elektrodenfläche EF und die Gegenelektrodenfläche GE gebildeten Kondensators erhöht. Diese Erhöhung des Kapazitätswerts kann in der Auswerteeinrichtung AE ausgewertet werden, wobei mit an sich bekannten und gebräuchlichen Oszillatoreinrichtungen bereits Kapazitätsänderungen von wenigen Picofarad detektiert werden können.
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Die Elektrodenfläche EF und die Deckschicht DS seien dabei als weitgehend kraftfrei flexibel verformbar angesehen. Die Schichtdicken sind nicht als maßstäblich zu verstehen. Insbesondere kann die erste Elektrodenfläche EF eine wesentlich geringere Schichtdicke aufweisen als die Deckschicht DS. Die erste Elektrodenfläche EF kann auch in sich strukturiert sein und beispielsweise eine Mehrzahl kleinflächiger Durchbrüche aufweisen, durch welche eine direkte mechanische Verbindung zwischen der Deckschicht DS und der Dielektrikumsschicht KD herstellbar sein kann. Der Greifarm GA1 sei an seiner der Dielektrikumsschicht KD zu weisenden Fläche als im Vergleich zur Verformbarkeit der Dielektrikumsschicht KD starr angesehen. Nach Wegfall der Druckkraft zwischen Werkstück und Greiffläche GF bzw. Greifarm GA1 nimmt die Sensoranordnung SA1 wieder die in 2(A) dargestellte Ausgangssituation ein.
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In 3 ist eine Variante dargestellt, bei welcher die Schichtenkombination aus Dielektrikumsschicht KD, über eine größere Länge des Greifarms vom eigentlichen Greifbereich weg verlängert ist bis in den Bereich des Gehäuses AG, wodurch eine vorteilhaft störungsfreie Führung der elektrische Verbindung der ersten Elektrodenfläche EF über deren Verlängerung entlang des Greifarms GA1 und über eine Leitung LE mit der Auswerteeinrichtung AE möglich ist. Hierbei ist angenommen, dass der Kapazitätswert in der Ausgangssituation auch durch die Verlängerung der Schichtstruktur und die dadurch erhöhte Kondensatorfläche zwischen erster Elektrodenfläche EF und Gegenelektrodenfläche des Greifarms klein bleibt gegenüber der bei Einwirkung einer Druckkraft sich ergebenden Kapazitätserhöhung.
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4 zeigt eine Ausführung, bei welcher die erste Elektrodenfläche EF sandwichartig zwischen zwei auf gleichem Potential, vorzugsweise Massepotential MA liegende Gegenelektrodenflächen GE1 und GE2 eingefügt und durch Dielektrikumsschichten KD1, KD2 von beiden Gegenelektrodenflächen beabstandet und elektrisch getrennt ist. Die Kapazität der Sensoranordnung ist dann durch die Summe zweier Teilkapazitäten zwischen der ersten Elektrodenfläche EF einerseits gegen die Gegenelektrodenfläche GE1 und andererseits gegen die Gegenelektrodenfläche GE2 bestimmt. Vorzugsweise sind beide Dielektrikumsschichten KD1, KD2 in der zu 2 beschriebenen Weise bei Einwirkung einer Druckkraft elastisch kompressibel, wodurch bei beiden Teilkapazitäten bei Einwirkung einer Druckkraft eine Kapazitätserhöhung auftritt. Die Einbettung der ersten Elektrodenfläche EF zwischen zwei Gegenelektrodenflächen GE1, GE2 kann die Abschirmung der ersten Elektrodenfläche EF gegen Störeinflüsse aus der Umgebung verbessern und auch eine eventuell zwischen Elektrodenfläche EF und Werkstück auftretende, a priori nicht bekannte parasitäre Kapazität neutralisieren. Über der Gegenelektrodenfläche GE2 ist dem Werkstück zu weisend wieder eine Deckschicht DS aus vorzugsweise elektrisch isolierendem und insbesondere rutschhemmend ausgebildetem Material vorgesehen. Die elektrische Potentialverbindung zwischen den beiden Gegenelektrodenflächen GE1, GE2 ist durch die leitende Verbindung MV angedeutet.
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5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher eine Elektrodenfläche EG auf einem Greifarm GI aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Ein Werkstück WM sei als elektrisch leitend angesehen. Auf der dem Werkstück WM zu weisenden Seite der ersten Elektrodenfläche EG ist eine elastisch verformbare Dielektrikumsschicht GD angeordnet, welche in diesem Beispiel zugleich die Greiffläche gegenüber dem Werkstück WM bildet. Das Werkstück WM mit elektrisch leitender Oberfläche zumindest in einem der Dielektrikumsschicht KD zu weisenden Oberflächenbereich kann in einer solchen Ausführungsform die Gegenelektrode für die Ausbildung eines Kondensators mit der ersten Elektrodenfläche EG bilden und hierfür beispielsweise mit dem Massepotential MA verbunden sein. Der Kapazitätswert des durch die erste Elektrodenfläche EG und die elektrisch leitende Oberfläche des Werkstücks WM gebildeten Kondensators verändert sich wieder in Abhängigkeit von der zwischen Greifarm GI und Werkstück wirkenden Druckkraft, welche zu einer Verringerung der Dicke der Dielektrikumsschicht KD gegenüber einer Ausgangsdicke führt.
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Bei elektrisch leitende Werkstückoberfläche oder insgesamt metallischen Werkstücken kann eine Kondensatoranordnung auch in der Weise ausgebildet sein, dass der Kondensator durch zwei elektrisch in Serie geschaltete Teilkondensatoren gebildet ist, welche zwischen jeweils einer ersten Elektrodenfläche EG der einander gegenüberstehenden beiden Greifarme GI und der elektrisch leitenden Oberflächenbereichen des Werkstücks WM gebildet und über das Werkstück miteinander verbunden sind.
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6 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung mit einer Unterteilung der ersten Elektrodenfläche in mehrere benachbarte Teilelektrodenflächen FA, FB, FC und FD. Die Teilelektrodenflächen sind durch schmale Lücken SV, SH elektrisch gegeneinander isoliert und einzeln über Leitungen LA, LB, LC und LD mit der Auswerteeinrichtung AE kontaktiert. Die 6 bildet eine Ansicht in Richtung der Flächennormale der Elektrodenfläche EF der voran gegangenen Figuren.
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7 zeigt eine zu 2(B) analoge Darstellung für eine in Teilelektrodenflächen aufgeteilte erste Elektrodenfläche nach Art der 6.
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Bei nicht mittig über der Lücke SV liegendem Werkstück WS, welches hierfür wieder als einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisend angesehen sei, ergeben sich unterschiedliche Kapazitätswerte in den entsprechend der mehreren Teilelektrodenflächen gebildeten Teilkondensatoren zwischen den Teilelektrodenflächen und einer Gegenelektrodenfläche. Die einzelnen Kapazitätswerte der Teilkondensatoren sind durch getrennte elektrische Verbindungen der Teilelektrodenflächen mit der Auswerteeinrichtung AE getrennt auswertbar. Aus Ungleichheiten der Kapazitätswerte bzw. der Änderungen der Kapazitätswerte kann in der Auswerteeinrichtung auf die Position des Werkstücks relativ zu der Mitte der Greiffläche geschlossen und der Greifvorgang abgebrochen werden, wenn die Auswertung der Kapazitätswerte auf eine unzulässige Greifposition schließen läßt. In der in 7 dargestellten Greifposition ergibt sich im Bereich der Teilelektrodenfläche FA eine deutlich geringere minimale Dicke DMA der Dielektrikumsschicht KD als im Bereich der Teilelektrodenfläche FB mit der minimalen Dicke DMB. Die Kapazitätswerterhöhung ist daher für den Teilkondensator der Teilelektrodenfläche FA wesentlich höher als für den Teilkondensator der Teilelektrodenfläche FB.
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Eine weitere Auswertemöglichkeit ergibt sich über die Auswertung von Unterschieden zwischen Kapazitätswerten zu Teilelektrodenflächen FA und FC bzw. FB und FD in der Weise, dass bei gleichen Kapazitätswerten oder Kapazitätswertänderungen zu den Teilelektrodenflächen FA und FC einerseits und FB und FD andererseits von einer Ausrichtung einer Zylinderachse WA eines zylindrischen Werkstücks WS senkrecht zur Zeichenebene der 7 bzw. parallel zur Ausrichtung der Lücke SP nach 6 ausgegangen werden kann, und dass andererseits bei deutlichen Unterschieden in den Kapazitätswerten bzw. Kapazitätswertsänderungen zu der Teilelektrodenfläche FA gegenüber der Teilelektrodenfläche FC bzw. der Teilelektrodenfläche FB gegenüber der Teilelektrodenfläche FD zusätzlich eine Verkippung der Zylinderachse des zylindrischen Werkstückabschnitts WS im Greifbereich der Greifarme angenommen werden kann.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
