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Die Erfindung betrifft einen Vakuumgreifer und findet insbesondere für die Verklebung von Folien auf Batteriezellen Anwendung.
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Aus dem Stand der Technik sind Greifvorrichtungen bekannt, die mittels Kamera eine Verklebung von Folien auf Batteriezellen umsetzen. Hier wird das Pick&Place Handling verwendet, wobei eine Folie aufgenommen und über eine Kamera geführt wird. Diese erfasst die Außenkonturen der Folie und übermittelt sie an einen Rechner zur Errechnung der Relativlage der Folie zur Basiskontur. Folglich wird die Folie passgenau auf der Basiskontur plaziert und verklebt. Jedoch erfordert dieses Vorgehen ein hochkomplexes Bildverarbeitungssystem welches nur von Spezialisten in Betrieb genommen werden kann und entsprechend kostenintensiv ist. Des Weiteren werden komplexe Komponenten wie Beleuchtung, Bildverarbeitung und eine Steuerungseinheit benötigt. Die Komplexität der einzelnen Bauteile führt zu einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und führt zu einer hohen Fehlerwahrscheinlichkeit durch Verschmutzung, Fremdlicht oder verändertes Material. Eine Chance der Fehlererkennung ist hingegen eher gering.
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In der Druckschrift
DE 1159 609 B wird ein Vakuumgreifer beschrieben, welcher insbesondere zum Lampentransport bei Maschinen für die Herstellung von Glühlampen dient. Ein die Lampen aufnehmender Halter ist dabei gegenüber einem Stützglied verschiebbar angeordnet, wodurch verbesserte Einstellmöglichleiten erzielt werden sollen. Der Halter und das Stützglied liegen dabei an Anlageflächen aneinander an, wodurch eine hohe Reibung zu verzeichnen ist.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 015 981 A1 ist ein Foliengreifer bekannt, der Folie an zumindest einer Stelle, in zumindest ein Saugrohr teilweise einsaugt. Durch die Einsaugung der Folie in das Saugrohr können Querkräfte von dem Saugrohr aufgenommen werden, wodurch eine Haltekraft der Folie erhöht werden kann. Dadurch kann ein ungewolltes Abschälen der Folie von dem Foliengreifer beim Bewegen des Foliengreifers verhindert werden, wodurch die Folie prozesssicher transportiert werden kann. Dadurch kann die Folie in einem automatisierten Vorgang von einem Ort in einen anderen Ort verliersicher transportiert werden, wodurch eine prozesssichere Automatisierung des Handlings der Folie realisiert werden kann. Da der Vakuumgreifer fest mit dem Handhabungselement verbunden ist, muss der Greifer genau positioniert werden und kann sich nicht selbst an einem Anschlag ausrichten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumgreifer zu entwickeln, welcher einen einfachen konstruktiven Aufbau und eine geringe Fehlerwahrscheinlichkeit bei geringen Kosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Vakuumgreifer besteht aus einem ersten Greiferelement sowie einem horizontal unter dem ersten Greiferelement angeordneten zweiten Greiferelement zur Aufnahme eines Bauteiles, wobei erfindungsgemäß das erste Greiferelement und das zweite Greiferelement schwimmend zueinander gelagert und von einer zueinander schwimmenden Lagerung in einen zueinander gestellfesten Zustand überführbar sind. Das zweite Greiferelement ist dazu in einer horizontalen Ebene relativ zu dem ersten Greiferelement bewegbar. Durch die schwimmende Lagerung ist eine genaue Ausrichtung des zweiten Greiferelementes mit dem aufgenommenen Bauteil realisierbar. Nachdem diese Lagepositionierung realisiert wurde können dass das erste und das zweite Greiferelement zueinander lagefixiert werden. Anschließen wird der Vakuumgreifer in eine Ablageposition bewegt und das Bauteil in einer gewünschten Position abgelegt. Zur Realisierung der schwimmenden und der gestellfesten Lagerung ist zwischen dem ersten Greiferelement und dem zweiten Greiferelement ein Spalt mittels eines oder mehrerer Vorrichtungselemente ausbildbar und schließbar, wobei die Vorrichtungselemente aus einer ersten Position, in der eine schwimmende horizontale Relativbewegung zwischen dem ersten Greiferelement und dem zweiten Greiferelement realisiert wird, in eine zweite Position, in der das erste Greiferelement und das zweite Greiferelement zueinander gestellfest sind, überführbar sind. Die Greiferelemente sind vorzugsweise über Vorrichtungselemente in der Art von Stelzen in dem schwimmenden Zustand beabstandet, wobei die Stelzen nach oben verfahrbar sind und so das zweite Greiferelement am ersten Greiferelement aus einen beabstandeten schwimmenden Zustand in einen am ersten Greiferelement anliegenden gestellfesten Zustand überführen. Dazu sind die Stelzen an ihrem oberen Ende mit dem ersten Greiferelement vertikal verstellbar gekoppelt und weisen wenigstens ein Federelement auf, welches die schwimmende Verbindung zwischen den ersten Greiferelement und dem zweiten Greiferelement gewährleistet, wobei die Stelzen an ihrem unteren Ende mit dem zweiten Greiferelement verbunden sind.
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Das erste Greiferelement ist mit einem Handhabungselement verbunden und mittels des Handhabungselementes zwischen Positionen, in welcher das Bauteil aufgenommen, positioniert und abgelegt wird, bewegbar. Über das Handhabungselement wird weiterhin eine schnelle Vorpositionierung des Vakuumgreifers ermöglicht. An dem Vakuumgreifer sind Vakuumleitungen angeschlossen, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Greiferelement ein Vakuum erzeugt wird, welches eine nach oben wirkende Anzugskraft/Normalkraft auf das zweite Greiferelement und auf ein an der Unterseite des zweiten Greiferelement anliegendes Bauteil ausübt.
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Der Vakuumgreifer ist mit dem Handhabungselement aus einer Aufnahmeposition, in welcher das Bauteil aufgenommen wird, über eine Positionierposition, in welcher die Lagepositionierung des Bauteils erfolgt, in eine Ablageposition, in welcher das Bauteil in der geforderten Endposition abgelegt wird, bewegbar ist. Nach Abschluss der Lagepositionierung befindet sich das Bauteil in der geforderten Position am Vakuumgreifer und die Stelzen werden mittels eines Betätigers nach Abschluss Lagepositionierung nach oben gestellt, wodurch das zweite Greiferelement in die zweite gestellfeste Position überführt wird und über die durch das Vakuum auf das zweite Greiferelement wirkende Anzugskraft das zweite Greiferelement mit dem aufgenommenen Bauteil an der Unterseite des ersten Greiferelement anliegt und somit eine kraftschlüssige gestellfeste Verbindung zwischen den Greiferelementen realisiert ist. Das nun am Vakuumgreifer in einer definierten Lage aufgenommene Bauteil wird nun mittels des Handhabungselementes zu der gewünschten Endposition bewegt und in dieser abgelegt, wozu das Vakuum aufgehoben wird.
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Das erste Greiferelement weist bevorzugt einen oder mehrere Anschlüsse für eine Vakuumleitung auf und zwischen dem ersten und dem zweiten Greiferelement ist eine Vakuumkammer ausgebildet, zu der die Anschlüsse führen und das zweite Greiferelement weist an seiner Unterseite mit der Vakuumkammer in Verbindung stehende Öffnungen auf, mittels derer das Bauteil durch das Vakuum an die Unterseite des zweiten Greiferelementes ansaugbar ist, so dass der Greifer so die Funktion eines Vakuumgreifers realisiert. Der über den Abstand des ersten und des zweiten Greiferelementes entstehende umfangsseitige Spalt bewirkt ein Einströmen von Luft in die zwischen ersten und zweiten Greiferelement ausgebildete Vakuumkammer.
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Die Stelzen weisen Federelemente auf, die durch eine axiale Vorspannung einen stetigen Kontakt zu den Greiferelementen gewährleisten. Über einen Betätiger können die Stelzen nach oben verfahren werden und dadurch den Spalt zwischen den Greiferelementen schliessen. Durch das Schliessen des Spalts entsteht eine kraftschlüssige gestellfeste Verbindung zwischen den beiden Greiferelementen. Dieser Vorgang wird, nachdem der Vakuumgreifer von einer Aufnahmeposition mittels des Handhabungselements in eine Positionierposition bewegt und das Bauteil positioniert wurde (nach einer Vorpositionierung an einem Anschlag), gestartet.
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Für eine hohe Genauigkeit werden seitlich wirkende Kräfte erzeugt, die den Vakuumgreifer mit dem schwimmenden zweiten Greiferelement gegen einen Anschlag drücken.
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Die seitlich wirkenden Kräfte sind beispielsweise durch eine partielle umfangsseitige Veränderung der über den Spalt in Richtung zur Vakuumkammer eingeleiteten Luftstömung realisierbar. Dazu kann beispielsweise über einen Bereich des Spaltes ein die Luftströmung beeinflussendes Segel greifen. Dieses ist bevorzugt am zweiten Greiferelement an einer Seite in Höhe des Spaltes befestigt. Das Segel nutzt die Luftströmung des am Spalt entstehenden Vakuums und lenkt das zweite Greiferelement aus.
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Alternativ ist es möglich, die Luftströmung beeinflussende unterschiedlich große Spaltabstände/Spalthöhen umfangsseitig vorzusehen, so dass aufgrund unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten der Luft ebenfalls eine seitliche Kraft wirkt.
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Der erfindungsgemäße Vakuumgreifer gewährleistet eine sehr genaue Positionierung des Bauteils.
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Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Vakuumgreifer in Startposition,
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2 Vakuumgreifer mit angesaugtem Bauteil,
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3 Vakuumgreifer fixiert mit Bauteil
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4 Detaildarstellung einer Stelze in schwimmender Position
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5 Detaildarstellung einer Stelze in fixierter Position
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6 Vakuumgreifer als Variante mit Segel
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1 zeigt den Vakuumgreifer 1 in der Ausgangsposition. Der Vakuumgreifer 1 besitzt ein erstes Greiferelement 1.1 und ein zweites Greiferelement 1.2, wobei das zweite Greiferelement 1.2 schwimmend gegen das erste Greiferelement 1.1 gelagert ist, wobei das erste Greiferelement 1.1 mit einem nicht dargestellten Handhabungselement verbunden ist. Zwischen den Greiferelementen 1.1 und 1.2 wird Luft abgesaugt und so ein Vakuum in der Vakuumkammer V und eine Ansaugkraft FV erzeugt. Die Greiferelemente 1.1, 1.2 liegen zueinander horizontal beabstandet und bilden einen Leckagespalt /Spalt 2 über welchen Luft L angesaugt wird. Der Abstand des Spaltes 2 wird über Stelzen 3 hergestellt. Die Stelzen 3 greifen in korrespondierende hier nicht bezeichnete Ausnehmungen im zweiten Greiferelement 1.2 ein und gewährleisten eine horizontale Relativbewegung des zweiten Greiferelements 1.2 zum ersten Greiferelements 1.1 und somit eine mögliche Ausgleichsbewegung in horizontaler Ebene. Dazu sind die Stelzen 3 in dem ersten Greiferelement 1.1 so aufgenommen, dass sie in alle seitlichen Richtungen eine Bewegung in einem definierten Bewegungsradius realisieren können. Der Bewegungsradius wird über vertikal verlaufende Durchgangsöffnungen 1.a definiert, durch welche die Stelzen 3 reichen. Der Innendurchmesser der Durchgangsöffnungen 1.a ist dabei größer als der Außendurchmesser der Stelzen 3, wodurch der Bewegungsradius definiert wird. Weiterhin sind die Stelzen 3 so ausgebildet bzw. an dem oberen und unteren Ende gelagert, dass diese eine Relativbewegung/Ausgleichsbewegung realisieren können. So ist eine exakte Positionierung des zweiten Greiferelements 1.2 in der horizontalen Ebene relativ zum ersten Greiferelement 1.1 möglich. Durch nach oben fahren eines auf die Stelzen 3 von oben wirkenden Betätigers 4 wird der Spalt 2 geschlossen und das erste Greiferelement 1.1 und das zweite Greiferelement 1.2 von einem schwimmenden Zustand in einen zueinander gestellfesten Zustand überführt und bilden so über eine kraftschlüssige Verbindung eine kompakte Einheit (3). Das Vakuum zwischen den Greiferelementen 1.1 und 1.2 wird über zwei Anschlüsse 5 an entsprechende Vakuumleitungen erzeugt, die an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen sind. Weiterhin ist zwischen dem ersten und dem zweiten Greiferelement 1.1, 1.2 die Vakuumkammer V ausgebildet, zu der entsprechende Anschlüsse 5 für die Erzeugung des Vakuums führen. Über Öffnungen 6 an der Unterseite des zweiten Greiferelements 1.2 kann mittels der durch das Vakuum erzeugten Ansaugkraft FV ein hier nicht dargestelltes Bauteil angesaugt werden.
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In 2 wird das über die Öffnungen 6 an die Unterseite des zweiten Greiferelementes 1.2 des Vakuumgreifers 1 mit der Ansaugkraft FV angesaugte Bauteil 7 gezeigt, welches beispielsweise in der Art einer dünnen Folie/Klebefolie ausgebildet ist. Der Spalt 2 ist mittels der Stelzen 3 noch geöffnet und lässt eine Lagepositionierung des zweiten Greiferelements 1.2 relativ zum ersten Greiferelement 1.1 in alle Richtungen in einer horizontalen Ebene in einem bestimmten Bewegungsradius zu. Die benötigte Kraft FV zum Ansaugen des Bauteils 7 wird über das Vakuum erzeugt, welches mittels der Anschlüsse 5 für Vakuumleitungen, die zu der Vakuumkammer V führen, umgesetzt wird. Der Luftstrom L ist durch die dicken Pfeile dargestellt. Das zweite Greiferelement 1.2 und/oder das an diesem angesaugte Bauteil 7 wird nun gegen ein oder mehrere nicht dargestellte seitliche Positionierungselemente bewegt, und dadurch die seitliche Lage definiert. Wenn die Lagepositionierung erfolgt ist, wird das zweite Greiferelement 1.2 zum ersten Greiferelement 1.1 lagefixiert.
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Das dafür erforderliche Schließen des Spalts 2 erfolgt, nachdem der Vakuumgreifer 1 mit dem Bauteil 7 positioniert wurde. Die Endposition der geforderten Lage wird bevorzugt über zwei feste seitliche Anschläge (nicht dargestellt) und einen pneumatischen seitlichen Anschlag (nicht dargestellt) definiert, gegen welche das Bauteil 7 oder das zweite Greiferelement 1.2 mit einer oder zwei Seitenkanten bewegt wird. Das zweite Greiferelement 1.2 wird bevorzugt über den seitlichen Kontakt des Bauteils 7 (den seitlichen Kontakt der Klebefolie) mit entsprechenden Anschlägen bzw. Positionierelementen seitlich ausgelenkt und lagefixiert. Nachdem die Soll-Position des am zweiten Greiferelement 1.2 anliegenden Bauteils 7 erreicht ist, wird der Spalt 2 geschlossen (3), so dass das zweite Greiferelement 1.2 und damit das Bauteil 7 über das in der Vakuumkammer V anliegende Vakuum und die dadurch wirkende Ansaugkraft FV gestellfest am ersten Greiferelement 1.1 des Vakuumgreifers 1 lagefixiert sind und so eine genaue Positionierung und vergrößerte Kraftübertragung ermöglicht. Durch Schließung des Spalts 2 mittels des nach oben gefahrenen Betätigers 4 durch die auf das zweite Greiferelement 1.2 und das Bauteil 7 wirkende Ansaugkraft wird die Kraftübertragung über die Öffnungen 6 vergrößert.
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Das Bauteil 7, welches vornehmlich eine Folie/Klebefolie ist kann nun mit dem Vakuumgreifer 1 über ein Handhabungselement in die gewünschte Endposition überführt, in dieser abgesenkt und vorzugsweise auf einer Batteriezelle verklebt werden.
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Die für die Überführung des Greifers (Einzelheit X gemäß 2) von einem schwimmenden Zustand in einen gestellfesten Zustand benötigte Stelze 3 wird in 4 im Detail dargestellt, wobei hier ein Spalt 2 eingestellt ist. Die Stelze 3 besteht aus einem oberen Stößelsegment 3.1, einer Hülse 3.2 in welcher eine Feder 3.3 integriert ist und einem unteren Stößelsegment 3.4 und reicht durch eine vertikale Durchgangsöffnung 1.a des ersten Greiferelements 1.1. Das obere Stößelsegment 3.1 steht über die Feder 3.3 mit dem unteren Stößelsegment 3.4 in Wirkkontakt. Die Feder 3.3 beaufschlagt das obere Stößelsegment 3.1 nach oben in Richtung zum Betätiger 4 und das untere Stößelsegment 3.1 nach unten in Richtung zum zweiten Greiferelement 1.2 mit einer Vorspannkraft. Dadurch wird abgesichert, dass das zweite Greiferelement 1.2 immer am Stößel 3 anliegt. Die Feder 3.3 bewirkt somit einen stetigen Kontakt zwischen den Stößelsegmenten 3.1, 3.4 sowie dem zweiten Greiferelement 1.2 und Betätiger 4. Zur Vermeidung seitlich auftretender Kräfte zwischen den Stößelsegmenten 3.1, 3.4 werden diese in der Hülse 3.2 geführt. Das obere Stößelsegment 3.1 weist in Richtung zum Betätiger 4 eine konvex gekrümmte (kugelsegmentartige) erste Anlagefläche 3.1.1 auf, die an einer Anlagefläche 4.1 des Betätigers 4 anliegt. Das untere Stößelsegment 3.4 ist in Richtung zum zweiten Greiferelement 1.2 mit einer ebenfalls konvex gekrümmten zweiten Anlagefläche 3.4.1 versehen und greift in eine Ausnehmung 1.2.1 des zweiten Greiferelemente 1.2 ein und liegt an dem Boden 1.2.2 der Ausnehmung 1.2.1 an. Der Betätiger 4 wurde beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch über ein nicht dargestelltes Kolben/Zylindersystem in eine untere Endposition (2, 4) überführt und drückt dadurch die Stelze 3 entgegen der Ansaugkraft nach unten, wodurch das zweite Greiferelement 1.2 nach unten bewegt und um den Spalt 2 von dem ersten Greiferelement 1.1 beabstandet wird. Durch die konvex gekrümmten ersten und zweiten Anlageflächen 3.1.1 und 3.4.1 der Stelze 3 rollen diese bei einer seitlichen Krafteinwirkung auf das zweite Greiferelement 1.2 an der Anlagefläche 4.1 des Betätigers 4 und dem Boden 1.2.2 der Ausnehmung 1.2.1 des zweiten Greiferelementes ab, was durch die Pfeile angedeutet ist, wodurch das zweite Greiferelement 1.2 in einer horizontalen Ebene bewegbar/ausschwenkbar in Bezug auf das erste Greiferelement 1.1 ist. Der Freiheitsgrad wird dabei durch den nicht bezeichneten Abstand des Außendurchmessers der Stelze 3 vom Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 1a des ersten Greiferelementes 1.1 bestimmt.
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In der in den 2 und 4 dargestellten Position lässt sich das zweite Greiferelement 1.2 sehr leicht in der horizontalen Ebene in alle Richtungen in Bezug auf das erste Greiferelement 1.1 schwimmend bewegen /auslenken.
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Vorzugsweise werden drei oder mehr Stelzen 3 zwischen dem ersten und dem zweiten Greiferelement 1.1, 1.2 angeordnet.
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In 5 wird die Stelze 3 bei fixiertem Vakuumgreifer dargestellt (Einzelheit Y gemäß 3). In fixierter Lage ist der Spalt 2 geschlossen, d.h. das erste Greiferelement 1.1 und das zweite Greiferelement 1.2 liegen aneinander an. Die Verschiebung des zweiten Greiferelementes 1.2 in diese Position wird durch eine nach oben gerichtete Hubbewegung des Betätigers 4 realisiert, durch welche der Stößel 3 und das zweite Greiferelement 1.2 aufgrund des Vakuums mit nach oben bewegt werden, bis das zweite Greiferelement 1.2 an der Unterseite des ersten Greiferelementes 1.1 anliegt.
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Für die genaue Positionierung ist die Erzeugung geringster seitlicher Kräfte insbesondere in eine Vorzugsrichtung notwendig. Diese Kräfte werden beispielsweise gemäß einer nicht dargestellten Variante über schräg liegende Federn umgesetzt, welche zwischen den Greiferelementen liegen.
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Eine Vereinfachung dieser seitlichen Positioniermöglichkeit bei garantierter Vermeidung von Reibeffekten wird in 6 dargestellt. Das schwimmend an dem ersten Greiferelement 1.1 aufgenommene zweite Greiferelement 1.2 besitzt ein nach oben weisendes Segel 1.2.3 an einer der Außenseiten. Das Segel 1.2.3 sitzt an einer Seite des Spalts 2 und wird von der Luftströmung der Luft L, die in Richtung zur Vakuumkammer V erzeugt wird, mitbewegt. Es wirkt eine Kraft F auf das Segel 1.2.1 und führt zu einer seitlichen Auslenkung des zweiten Greiferelementes 1.2 relativ zum ersten Greiferelement 1.1.
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Eine weitere nicht dargestellte Variante ist die seitliche Auslenkung des zweiten Greiferelements in eine Vorzugsrichtung durch partielle umfangsseitige Veränderung der über den Spalt in Richtung zur Vakuumkammer eingeleiteten Luftströmung über beispielsweise verschieden große Spaltbreiten, die umfangsseitig bevorzugt an gegenüberliegenden Positionen ausgebildet sind. Aufgrund der Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem größeren/höheren Bereich des Spaltes und dem gegenüberliegenden schmaleren Spalt mit geringerer Höhe entsteht eine seitliche Kraft, die das zweite Greiferelement relativ zum ersten Greiferelement auslenkt.
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Aufgrund der schwimmenden Lagerung zwischen den Greiferelementen 1.1, 1.2 mit Hilfe eines erzeugten Vakuums und der die beiden Greiferelemente 1.1, 1.2 koppelnden Elemente, mit welchen das zweite Greiferelement 1.2 aus einer zum ersten Greiferelement 1.1 schwimmend gelagerten Position in eine gestellfeste Position überführbar ist, wird eine hohe Genauigkeit erreicht, da keine Leitungen oder Schläuche die Positionierung beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumgreifer
- 1.1
- erstes Greiferelement
- 1.a
- Durchgangsöffnungen
- 1.2
- zweites Greiferelement
- 1.2.1
- Ausnehmung
- 1.2.2
- Boden
- 1.2.3
- Segel
- 2
- Spalt
- 3
- Stelze
- 3.1
- erstes Stößelsegment
- 3.1.1
- erste Anlagefläche
- 3.2
- Hülse
- 3.3
- Federelement
- 3.4
- zweites Stößelsegment
- 3.4.1
- zweite Anlagefläche
- 3.5
- Durchmessererweiterung
- 3.6
- Ausnehmung
- 4
- Betätiger
- 4.1
- Anlagefläche
- 5
- Anschluss für Vakuumleitung
- 6
- Öffnung
- 7
- Bauteil
- F
- Kraft
- FV
- Ansaugkraft
- L
- strömende Luft
- V
- Vakuumkammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1159609 B [0003]
- DE 102012015981 A1 [0004]
