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1. Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Manipulator, und insbesondere einen Leichtbauroboter.
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2. Technischer Hintergrund
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Manipulatoren sind automatisch gesteuerte, freiprogrammierbare Mehrzweck-Maschinen. Sie können beispielsweise in einer Fertigung oder Montage eingesetzt werden, um ein Bauteil oder Werkstück zu bearbeiten. Ein Manipulator kann aus einer Vielzahl von beweglichen Gliedern oder Achsen bestehen. Durch eine gezielte Regelung von Motoren, und insbesondere Servomotoren, können die einzelnen Achsen eines Manipulators bewegt werden.
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Insbesondere bei Leichtbaurobotern sind Elektronikkomponenten innerhalb des Manipulators verbaut und häufig durch ein luftundurchlässiges Gehäuse aus Leichtmetall von der Umgebung getrennt. Beim Betrieb entwickeln die Elektronikkomponenten Wärme, die jedoch aufgrund der dichten Bauweise schlecht entweichen kann und sich deshalb innerhalb des Leichtbauroboters staut. Die Wärmeabstrahlung durch die Oberfläche des Manipulators reicht dabei oft nicht aus, um die Wärmeentwicklung ausreichend abzuführen. Aus diesem Grund ist die Ausfallrate der Elektronikkomponenten von Leichtbaurobotern vergleichsweise hoch.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator bereitzustellen, welcher auch bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Manipulator bereitzustellen, welcher die oben genannten Nachteile zumindest teilweise ausräumt.
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Diese und weitere Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch einen Manipulator gemäß Anspruch 1 gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Manipulator, und insbesondere einen Leichtbauroboter. Ein Leichtbauroboter kann ein besonders kleiner und leichter Roboter sein, dessen bewegliche Glieder und Achsen zumindest teilweise durch eine Hülle oder ein Gehäuse von der Umgebung abgeschirmt sind.
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Der Manipulator weist eine Druckluftleitung auf. Ferner weist der Manipulator ein Wirbelrohr auf, welches innerhalb des Manipulators angeordnet ist. Ein Wirbelrohr, wie etwa ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, kann eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile sein, mit welcher sich ein strömendes Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt. Das Wirbelrohr weist einen Gaseingang auf, durch welchen Gas in das Wirbelrohr eingeleitet werden kann. Ferner weist das Wirbelrohr einen Warmgasausgang und einen Kaltgasausgang auf, aus welchen jeweils der heiße und kalte Gasstrom aus dem Wirbelrohr austreten kann. Der Kaltgasausgang des Wirbelrohrs wird dabei erfindungsgemäß zur Kühlung eines Elements des Manipulators verwendet. Das Element kann dabei ein wärmeentwickelndes Element des Manipulators sein, wie beispielsweise eine Elektronikkomponente.
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Somit kann der Manipulator zumindest teilweise gekühlt werden, wobei keine zusätzliche Wartung notwendig ist, weil das Wirbelrohr als passives Element ohne bewegliche Teile ausgebildet ist. Der Manipulator kann somit zuverlässig arbeiten, da eine wirksame und aktive Kühlung bereitgestellt ist. Fehlfunktionen des Manipulators werden somit stark reduziert.
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Der kalte Gasstrom hat dabei eine geringere Temperatur als der heiße Gasstrom. Dabei kann die Temperatur des kalten Gasstroms geringer sein als die Temperatur des Gases, welches in das Wirbelrohr eingeleitet wird. Ebenso kann die Temperatur des heißen Gasstromes höher sein als die Temperatur des Gases, welches in das Wirbelrohr eingeleitet wird. Der heiße Gasstrom muss dabei nicht zwingend eine sehr hohe Temperatur haben, sondern kann auch als warmer Gas- bzw. Luftstrom empfunden werden.
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Vorzugsweise weist der Manipulator ferner ein Thermostatventil auf, welches zwischen der Druckluftleitung und dem Gaseingang des Wirbelrohrs bereitgestellt ist. Das Thermostatventil ist dabei eingerichtet, eine Druckluftzufuhr von der Druckluftleitung zu dem Wirbelrohr zu steuern. Das Thermostatventil kann somit steuern, wie viel Druckluft an den Gaseingang des Wirbelrohrs bereitgestellt wird. Temperatur, Durchfluss und Kälteleistung können somit über das Thermostatventil geregelt werden. Energieverbrauch und Verluste der Druckluft können somit effizient minimiert werden. Mittels der Thermostatregelung kann auch sichergestellt werden, dass dem Druckluftsystem des Manipulators nur wenig Druckluft über das Wirbelrohr verloren geht. Die Funktionalität weiterer Komponenten des Manipulators, die eine Druckluftversorgung benötigen, wird somit nicht eingeschränkt.
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Vorzugsweise führt die Druckluftleitung zu einem Handflansch und/oder einem Endeffektor des Manipulators. Somit kann durch dieselbe Druckluftleitung sowohl die Funktionalität des Endeffektors als auch die Kühlung mittels des Wärmetauschers gewährleistet werden. Eine zusätzliche Druckluftleitung wird nicht benötigt.
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Vorzugsweise ist der Kaltgasausgang des Wirbelrohrs mit einem Wärmetauscher innerhalb des Manipulators gekoppelt. Der Wärmetauscher ist selber wiederum vorzugsweise mit interner Elektronik des Manipulators wärmeleitend gekoppelt. Durch das Koppeln kann Wärme ausgetauscht werden. Der Wärmetauscher kann als Kühlkörper vorzugsweise effizient die niedrigen Temperaturen speichern, die von dem Kaltgasausgang des Wirbelrohrs bereitgestellt werden. Der Kühlkörper kann dabei vorzugsweise die Wärmemenge des kalten Gasstromes, welcher sich durch niedrige Temperaturen auszeichnet, speichern. Somit kann eine konstante, homogene Kühlung des Manipulators bereitgestellt werden, abhängig von der Masse des Wärmetauschers.
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Vorzugsweise ist der Warmgasausgang und/oder der Kaltgasausgang des Wirbelrohrs über einen Schalldämpfer mit der Umgebung des Manipulators verbunden. Der heiße bzw. kalte Gasstrom wird somit über den bzw. die Schalldämpfer aus dem Manipulatorgehäuse geleitet, so dass keine zusätzliche Lärmbelastung auftritt. Vorzugsweise ist auch der Kaltgasausgang des Wirbelrohrs, bevorzugt nach dem Wärmetauscher, mit der Umgebung des Manipulators verbunden.
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Vorzugsweise liegt in der Druckluftleitung und/oder an dem Gaseingang des Wirbelrohrs ein Druck von 2–10 Bar, weiter vorzugsweise von 4–8 Bar, und weiter vorzugsweise von etwa 6 Bar vor. Somit kann eine wirksame Funktionalität des Wirbelrohrs bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise beträgt ein Massenstrom von Druckluft durch den Gaseingang des Wirbelrohrs 1–20%, weiter vorzugweise 5–15% und weiter vorzugsweise etwa 10% des Druckluft-Massenstroms in der Druckluftleitung. Somit wird nur ein geringer Anteil von Druckluft für die Kühlung verwendet und eine Funktionalität, beispielsweise eines druckluftgetriebenen Endeffektors, wird aufrechterhalten.
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Vorzugsweise weist der Manipulator weiterhin einen Luftfilter an der Druckluftleitung auf. Vorzugsweise wird dadurch eine Filtrierung mit 25 Micron oder weniger, und weiter vorzugsweise mit 5 Micron oder weniger erreicht. Somit kann ein störungsfreier Betrieb des Wirbelrohrs und somit der Kühlung ermöglicht werden. Ein Micron kann dabei eine Maßeinheit darstellen, mit der sich die Partikelgröße kennzeichnen lässt, die von einem Filter gefiltert wird. Der Fachmann versteht, dass die „Micron”-Einstufung die Partikelgröße bezeichnen kann, die durch Filter mit bestimmtem Wirkungsgrad gefiltert wurden.
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Vorzugsweise weist der Manipulator weiterhin ein Abschaltventil auf, welches eingerichtet ist, die Zufuhr von Druckluft von der Druckluftleitung zu dem Gaseingang des Wirbelrohrs ein- und auszuschalten. Das Abschaltventil hat somit zwei Zustände, einen geöffneten und einen geschlossenen. Es kann mittels des Abschaltventils in geschlossenem Zustand effizient geregelt werden, dass temporär keine Druckluft dem Wirbelrohr zugeleitet wird, wenn beispielsweise ein maximaler Druck an dem Endeffektor des Manipulators benötigt wird. Andererseits kann durch Öffnen des Abschaltventils ermöglicht werden, dass eine maximale Kühlung bewirkt wird. Vorzugsweise ist das Abschalt- und/oder das Thermostatventil des Manipulators mit einem Temperatursensor zur Regelung des/der Ventils/Ventile verbunden.
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4. Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:
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1 ein Manipulatorteil gemäß einer Ausführungsform; und
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2 einen Manipulator gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 1 ist ein Manipulatorteil 10 dargestellt, welches ein Manipulatorarm oder ein Teil eines Manipulatorarms sein kann. In dem Manipulatorteil 10 ist eine Druckluftleitung 11 angeordnet, welche über eine Abzweigung 12 mit einem Thermostatventil 30 verbunden ist. Das Thermostatventil 30 regelt eine Zufuhr von Druckluft zu einem Wirbelrohr 20. In dem Wirbelrohr 20 wird die Druckluft, die über die Abzweigung 12 und das Thermostatventil 30 bzw. einen Gaseingang des Wirbelrohrs 30 bereitgestellt wird, nach dem von Georges J. Ranque und Rudolf Hilsch beschriebenen Prinzip, in einen heißen und einen kalten Gasstrom aufgeteilt. An einem Ende des Wirbelrohrs 20, dem Kaltgasausgang, ist ein Wärmetauscher 21 bereitgestellt, durch den der kalte Gasstrom, der von dem Wirbelrohr 20 bereitgestellt wird, fließt. Der kalte Gasstrom kühlt dabei den Wärmetauscher 21 und wird nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 21 über eine Ausgang 22 an die Umgebung abgegeben.
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Beispielsweise kann die Druckluft, die von dem Wirbelrohr 20 an den Wärmetauscher 21 bereitgestellt wird, zwischen 10 Grad Celsius und –50 Grad Celsius liegen. Der Wärmetauscher 21 ist mit einem Elektronikmodul 13 des Manipulatorteils 10 gekoppelt. Wärme, die von dem Elektronikmodul 13 entwickelt wird, wird von dem Wärmetauscher 21 aufgenommen und von dem in die Umgebung austretenden Kaltgas abgeführt, sodass das Elektronikmodul 13 effektiv gekühlt wird. Die Kühlung ist durch das Wirbelrohr 20 wesentlich effektiver, als wenn die vorhandene Druckluft direkt zur Kühlung verwendet würde.
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An einem zweiten Ausgang des Wirbelrohrs 20, dem Warmgasausgang, ist ein Schalldämpfer 23 bereitgestellt. Über diesen wird der heiße Gasstrom von dem Wirbelrohr 20 an einen weiteren Ausgang 24, und letztendlich an die Umgebung abgegeben. Ebenso kann auch an dem Kaltgasausgang ein entsprechender Schalldämpfer bereitgestellt sein (nicht gezeigt).
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Die 2 zeigt einen Manipulator 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Manipulator 1 umfasst mehrere Manipulatorteile 10a, 10b, 10c, welche jeweils entsprechend dem Manipulatorteil 10 gemäß 1 aufgebaut sein können. In dem Manipulator 1 ist eine Druckluftleitung 11 bereitgestellt, welche von einer Druckluftzufuhr gespeist wird, in welcher sich auch ein Druckluftfilter 16 befindet. Die Druckluftleitung 11 führt zu einem Endeffektor 14 des Manipulators 1, welcher mittels Druckluft betrieben werden kann. Zwischen den einzelnen Manipulatorteilen 10a, 10b, 10c sind Gelenke 15a, 15b bereitgestellt. Das Gelenk 15a wird mittels einer Achssteuerungselektronik 13 betrieben. Zur Kühlung dieser Elektronik 13 ist ein Wirbelrohr 20 bereitgestellt, dessen Gaseingang über ein Abschaltventil 40 mit der Druckluftleitung 11 verbunden ist. Durch Öffnen und Schließen des Abschaltventils 40 kann selektiv der Zustrom von Druckluft zu dem Wirbelrohr 20 gesteuert werden.
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Die Funktionsweise des Wirbelrohrs 20 ist dabei analog zu dem Wirbelrohr 20 der 1 aufgebaut. Ein Kaltgasausgang des Wirbelrohrs 20 ist mit einem Wärmetauscher 21 gekoppelt, so dass der Kaltgasstrom des Wirbelrohrs 20 den Wärmetauscher 21 durchströmt und abkühlt und anschließend über den Ausgang 22 an die Umgebung entweicht. Der Wärmetauscher 21 ist wiederum mit der Achssteuerungselektronik 13 wärmeleitend gekoppelt, so dass diese gekühlt wird. Der Warmgasausgang des Wirbelrohrs 20 ist über einen Schalldämpfer 23 und einen Ausgang 24 mit der Umgebung verbunden.
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Der Fachmann versteht, dass mehr als nur das Wirbelrohr 20 in dem Manipulator 1 bereitgestellt sein kann. Beispielsweise können weitere elektronische Komponenten des Manipulators 1 mit weiteren Wirbelrohren gekühlt werden, beispielsweise eine entsprechende Achssteuerungselektronik an dem Gelenk 15b (nicht gezeigt). Ferner versteht der Fachmann, dass ein Wärmetauscher 21 als zusätzliches Element nicht notwendig ist, um eine Kühlung bereitzustellen, diese jedoch verbessert. Beispielsweise kann der Kaltgasstrom des Wärmetauschers direkt auf eine zu kühlende Komponente des Manipulators 1 geleitet bzw. geblasen werden, so dass Wärme von dieser Komponente abgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulator
- 10, 10a, 10b, 10c
- Manipulatorteil
- 11
- Druckluftleitung
- 12
- Abzweigung
- 13
- Elektronikmodul/Achssteuerelektronik
- 14
- Endeffektor
- 15a, 15b
- Gelenk
- 16
- Luftfilter
- 20
- Wirbelrohr
- 21
- Wärmetauscher
- 22, 24
- Ausgang
- 23
- Schalldämpfer
- 30
- Thermostatventil
- 40
- Abschaltventil
