GOMBERT, Bernd (Am Technologiepark 12, Seefeld, 82229, DE)
DÖRRE, Holger (Tschaikowskistr. 26, Suhl, 98529, DE)
ZAMZOW, Silvio (Dorfstr. 60, Beinerstadt, 98660, DE)
SCHÜLER, Ralf (Hauptstr. 308, Wichtshausen, 98530, DE)
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GOMBERT, Bernd (Am Technologiepark 12, Seefeld, 82229, DE)
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| Patentansprüche 1 . Greifer für eine Handhabungseinrichtung mit mindestens einem elastisch verformbaren Greiferelement (01 ; 02; 03), welches durch eine Kraft zum Handhaben eines zu handhabenden Gegenstandes verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (06; 07; 08; 36) zur Messung einer Verformung des Greiferelementes (02; 03) in den Greifer integriert ist. 2. Greifer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Greifer- element (02; 03) aus einem elastischen Material besteht, in welches der Sensor (06; 07; 08; 36) teilweise oder vollständig eingelassen ist. 3. Greifer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als ein Mikrosystem (06; 07; 08; 36) ausgebildet ist, welches ein Sensorelement (13; 14; 16; 17; 41 ) und eine elektronische Schaltung (18, 19, 21 , 22, 23, 24, 27, 28, 32) zum Betrieb des Sensors (06; 07; 08; 36) umfasst. 4. Greifer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (13; 14; 16; 17; 41 ) zur Messung eines Ortes, eines Drehwinkels, einer Geschwindigkeit, einer Rotationsgeschwindigkeit, einer Be- schleunigung, einer Drehbeschleunigung, eines Impulses, eines Drehimpulses und/oder einer Kraft ausgeführt ist. 5. Greifer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement durch mindestens einen dehnungsempfindlichen Widerstand (13; 14; 16; 17) gebildet ist, der vollständig in das elastische Material des Greiferelementes (02; 03) eingelassen ist. 6. Greifer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- element durch vier der dehnungsempfindlichen Widerstände (13, 14, 16, 17) gebildet ist, die in einer Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind. 7. Greifer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor- element durch einen optischen Positionssensor (41 ) gebildet ist, der an einem ersten Ort in das elastische Material des Greiferelementes (03) eingelassen ist, wobei weiterhin ein einen Lichtstrahl lenkendes Element (42) an einem zweiten vom ersten Ort entfernten Ort in das elastische Material des Greiferelementes (03) eingelassen ist. 8. Greifer nach einen der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (06; 07; 08; 36) mindestens ein weiteres der Sensorelemente umfasst, wobei die Sensorelemente zur Messung derselben Messgröße in unterschiedlichen geometrischen Dimensionen ausgeführt sind. 9. Greifer nach einen der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (06; 07; 08; 36) mindestens ein weiteres der Sensorelemente umfasst, welches zur Messung einer Temperatur, eines Druckes, einer Feuchtigkeit, eines Volumens, einer optischen Größe und/oder einer akustischen Größe ausgeführt ist. 10. Greifer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (18, 19, 21 , 22, 23, 24, 27, 28, 32) eine elektronische Schnittstelle umfasst, die als Funkschnittstelle ausgebildet ist. |
Greifer für eine Handhabungseinrichtung
Beschreibung Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Greifer für eine Handhabungseinrichtung, mit welchem ein zu handhabender Gegenstand gegriffen werden kann. Bei der Handhabungseinrichtung kann es sich um eine beliebige Vorrichtung zum Fördern, Lagern, Positionieren, Ausrichten, Sortieren oder Schwenken von Gegenständen handeln, beispielsweise eine Positionier- baugruppe, ein mehrachsiger Roboter oder eine Getränkeabfüllanlage.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Vorrichtungen zum Greifen eines zu handhabenden Gegenstandes bekannt. Die DE 10 2005 002 715 A1 , die DE 20 2006 018 379 U1 , die DE 10 2008 022 848 A1 , die DE 10 2005 041 929 A1 , die DE 10 2004 034 306 B3, die
DE 10 2008 019 766 B3 und die DE 297 13 510 U1 zeigen verschiedene Greifer zum Greifen von Behältnissen, beispielsweise von Flaschen.
Aus dem Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, Handhabungseinrich- tungen mit Sensoren zu versehen, um beispielsweise die Position und Lage des zu handhabenden Gegenstandes zu erkennen. Beispielsweise zeigt die DE 10 2005 023 997 A1 eine Vorrichtung zum Aufbringen von Stopfen auf Behältnisse mit einem Sensor auszustatten, um die Annäherung einer Flasche erkennen zu können.
Als Sensoren zur Messung von Kräften sind u. a. Dehnungsmessstreifen (DMS) bekannt, wie sie beispielsweise in der DE 10 2006 053 949 A1 ge- zeigt sind. Weiterhin sind dehnungsempfindliche Widerstände bekannt, die mithilfe einer Dickschichttechnologie auf dünne Keramikplättchen aufgedruckt werden, wie es u. a. aus der Produktinformation„EDT 1002" der HYB d.o.o., Slowenien, Mai 2009 bekannt ist. Ferner können piezokeramische Sensoren zur Kraftmessung genutzt werden.
Es ist bekannt, Kräfte indirekt zu messen, beispielsweise indem die durch die Kraft verursachte elastische Verformung eines Elementes optisch erfasst wird. Hierfür ist eine Position optisch zu messen, wie es beispielsweise aus der EP 1 181 510 B1 , der EP 0 383 389 B1 , der DE 10 2005 022 794 A1 , der DE 10 2006 042 873 A1 , der DE 10 2006 058 805 A1 , der DE 10 2006 058 806 A1 , der DE 10 2008 019 144 A1 , der DE 101 58 777 B4 und der DE 10 2004 013 683 A1 bekannt ist. Für die optische Messung von Positionen eignen sich insbesondere optische Positionssensoren (OPS; engl. Position Sensitive Device, PSD), wie sie beispielsweise in der Produktinformation„S3931 , S3932, S3270" der HAMAMATSU Photonics K. K., Japan, August 2009 gezeigt sind. Derartige OPS können auch für eine zwei bzw. mehrdimensionale Positionsbestimmung genutzt werden, wofür entsprechende Signalverarbeitungseinheiten bekannt sind, wie sie beispiels- weise in der Produktinformation„C4674, C7563" der HAMAMATSU Photonics K. K., Japan, März 2007 gezeigt sind. Auch ist eine optische Positionsund Ausrichtungsbestimmung in allen sechs Freiheitsgraden möglich, wie es beispielsweise in der Produktinformation„Industrial Steering Device (ISD)" der SpaceControl GmbH, Deutschland, 06.1 1 .2007 gezeigt ist.
In dem wissenschaftlichen Artikel von A. N. Akimov, A. E. Klimov, V. N. Shumsky und A. L. Aseev:„Submillimeter Matrix Photosensitive Device on PbSnTe: In Films" in Physical and Technical Aspects of Micro- and Optoe- lectronics, ISSN 8756-6990, 2007, Vol. 43, Nr. 4 werden lichtempfindliche Sensoren gezeigt, die eine Genauigkeit im Submillimeterbereich aufweisen.
Es sind weitere Verfahren zur indirekten Messung von Kräften bekannt, bei- spielsweise die Bestimmung der durch die Kraft bewirkten mechanischen Auslenkung/Verformung mithilfe von Differenzspulen.
Die DE 10 2004 043 752 B4 zeigt eine Messvorrichtung mit einer optischen Sensorik für das Ermitteln von Lageänderungen einer um eine Drehachse schwenkbar in einer Waschmaschine gelagerten Trommel.
Aus der DE 10 2004 043 754 B3 ist es bekannt, Belastungen einer Lagerung anhand von elastischen Formänderungen optisch zu messen.
Aus der DE 296 03 860 U1 ist eine Versetzvorrichtung zum Greifen und Heben von Lasten bekannt, bei welcher die durch einen Benutzer aufgebrachte Kraft mithilfe eines Sensors gemessen wird. Der Sensor dient nicht zum Messen der Kraft zum Greifen und Heben der zu versetzenden Last.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Greifer zum Greifen von Behältnissen, beispielsweise in Getränkeabfüllanlagen weisen passive, elastisch gelagerte und federvorgespannte Greiferfinger oder aktive, mittels Kurvenscheiben und Kurvenrollen ansteuerbare Greiferfinger auf. Solche Greifer werden mit einer konstanten, einmalig eingestellten Drehzahl betrieben. Diese voreingestellte Drehzahl wird erstmals bei der Inbetriebnahme der Abführanlage empirisch ermittelt, wofür ein Worst-Case-Fall simuliert wird, indem die größte und schwerste Flasche befördert wird. Die höchstmögliche Drehzahl ergibt sich, wenn es gerade nicht mehr zu Schwingungen oder Flaschenverklemmungen kommt. Die auf diese Weise eingestellte Drehzahl ist jedoch nicht optimal, da bei der Beförderung leichterer Flaschen auch höhere Drehzahlen wählbar wären.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, Greifer von Handhabungseinrichtungen flexibler und genauer auf die zu handhabenden Gegenstände einrichten zu können. Die genannte Aufgabe wird durch einen Greifer gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Greifer dient der Handhabung eines oder mehrerer zu greifender Gegenstände, beispielsweise in einer Getränkeabfüllanlage, in welcher Glas- oder PET-Flaschen im geleerten oder befüllten Zustand befördert werden. Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Greifer an unterschiedlichsten Handhabungseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise in Positionierungseinrichtungen und Robotersystemen. Der Greifer weist mindestens ein Greiferelement auf, über welches der zu handhabende Gegenstand direkt oder indirekt gehandhabt wird. Das Greiferelement ist zumindest teilweise elastisch verformbar. Zur Verformung des Greiferelementes kommt es insbesondere durch eine Kraft zum Handhaben des zu handhabenden Gegenstandes. Beispielsweise kann die Gewichtskraft des zu handhabenden Gegenstandes auf das Greiferelement wirken, wenn der zu handhabende Gegenstand gehoben wird. Es kann sich aber auch um diejenige Kraft handeln, welche notwendig ist, um den zu handhabenden Gegenstand festzuhalten. Ein weiteres Beispiel ist diejenige Kraft, die notwendig ist, um den zu handhabenden Gegenstand zu beschleunigen. Jedenfalls bewirkt die Kraft zum Handhaben des zu handhabenden Gegenstandes eine Verformung des Greiferelementes. Die Verformbarkeit kann dabei so gewählt sein, dass sie für die Funktion der Handhabung bedeutungslos bzw. vernachlässigbar ist. Jedenfalls muss die Verformung messbar sein. Erfindungsgemäß ist ein Sensor zur Messung der Verformung des Greiferele- mentes in den Greifer, insbesondere in das Greiferelement integriert. Folglich wird mit dem Sensor eine im Greiferelement auftretende mechanische Größe, insbesondere eine Kraft oder ein Drehmoment gemessen, welche zur Handhabung des zu handhabenden Gegenstandes aufgebracht wird oder durch diese bedingt ist. Die Verformung des elastisch verformbaren Greiferelementes erfolgt durch eine Kraft bzw. eine von der Kraft abgeleitete Größe, wie ein Drehmoment oder ein Impuls. Mithilfe des Sensors kann die Verformung gemessen werden, wodurch Rückschlüsse auf die die Verfor- mung bewirkende Kraft bzw. die von der Kraft abgeleitete mechanische Größe gezogen werden können. Auch kann der Sensor allein den elastisch verformbaren Teil des Greiferelementes bilden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Greifers ist es möglich, die Handhabung des zu handhabenden Gegenstandes unmittelbar zu überwachen, sodass der Zustand der Handhabungseinrichtung exakt erfassbar ist. Beispielsweise können Daten, welche den Zustand der Handhabungseinrichtung kennzeichnen, erfasst, ausgewertet, weiterverarbeitet und gespeichert werden, um Warnsignale oder Algorithmen zur Steuerung, Regelung oder Abschaltung der Handhabungseinrichtung auszulösen. Die Handhabung des einen oder der mehreren zu handhabenden Gegenstände kann in ihrem Ablauf, beispielsweise in ihrer Geschwindigkeit oder Drehzahl adaptiv geregelt werden, wobei der jeweils aktuelle Zustand berücksichtigt wird, wodurch die Leistungsfähigkeit der Handhabungseinrichtung gesteigert werden kann. Beispielsweise können bei einer Getränkeabfüllanlage, die mit dem erfindungsgemäßen Greifer ausgestattet ist, Drehzahl und Geschwindigkeit bei der Befüllung und Beförderung der Getränkeflaschen geregelt werden, wodurch eine höhere Anzahl an Getränkeflaschen gefüllt werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine konstruktive Optimierung einer Handhabungseinrichtung, beispielsweise einer derartigen Anlage oder Komponenten davon möglich. Im Laufe der Inbetriebnahme kann das charakteristische Bewegungs- oder Schwingungs-Zeit-Profil aufgenommen und ge- speichert werden, über welches Rückschlüsse auf nichtlineare Effekte wie Reibung und Materialausdehnung in der mechanischen Toleranzkette gewonnen werden können. Beispielsweise kann in einer Getränkeabfüllanlage ein Modell der jeweiligen Flasche und deren Bewegung gebildet werden. Es kann der kritische Punkt für die Übergabe einer Flasche ermittelt werden. Aus diesen Informationen oder aus Kombinationen daraus kann das Übergabeprofil der Flasche oder der Greifer selbst optimiert werden. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht weiterhin eine prozess- und steuerungstechnische Optimierung bei der Inbetriebnahme einer Handhabungseinrichtung. Für das Beispiel einer Getränkeabfüllanlage kann der kritische Punkt für die Flaschenübergabe von einem der Greifer zu einem nächsten der Greifer ermittelt werden, wodurch die Geschwindigkeit und die Drehzahl für jeden einzelnen Flaschentyp und jedes einzelne Flaschengewicht ange- passt und optimiert werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt weiterhin eine Prozessüberwachung im laufenden Betrieb der Handhabungseinrichtung, beispielsweise in der laufenden Produktion. Bei einer Getränkeabfüllanlage können für die unterschiedlichen Flaschentypen und Flaschengewichte Bewegungs-, Geschwin- digkeits-, Beschleunigung- und Ruckprofile bei der ersten Inbetriebnahme aufgenommen und abgespeichert werden, die anschließend in der laufenden Produktion Sollprofile darstellen. Werden im Produktionsprozess Abweichungen gemessen, können Warnungen ausgegeben werden, um beispielsweise einen Verschleiß des Greifers, Schäden des Greifers oder einen Bruch des Greifers vorbeugend zu erkennen und zu melden. Es kann somit eine vorbeugende Wartung oder Lokalisierung der Störstelle oder einer Kol- lision erleichtert werden. Auch kann mithilfe des erfindungsgemäßen Greifers erkannt werden, ob eine Flasche vorhanden ist oder nicht, wie hoch der Flaschenfüllstand ist und von welchem Typ die Flasche ist. Mithilfe des erfindungsgemäßen Greifers ist es möglich, die Handhabungseinrichtung zu einem komplexen, adaptiven Regelkreis zu erweitern. Beispielsweise kann bei der Getränkeabfüllanlage das Optimum für eine Bewegung der Flasche in Abhängigkeit vom Flaschentyp und -gewicht selbsttätig erkannt werden, sodass eine Maximierung der Flaschenausbringung möglich ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Greifers ist die Möglichkeit ei- ner rückwirkenden Erkennung von Störursachen in der Handhabungseinrichtung. Messdaten, welche mit dem Sensor des erfindungsgemäßen Greifers über einen längeren Produktionszeitraum erfasst und abgespeichert wurden, können als Basis dienen, rückschauend die Ursachen für eine Störung, beispielsweise einen Greiferverschleiß, einen Ermüdungsbruch oder Kollisionen zu ermitteln. Die ermittelten Ursachen können wiederum dazu dienen, die Handhabungseinrichtung in ihrer Konstruktion zu optimieren.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers ist das Greiferelement durch einen Finger zum Erfassen des zu handhabenden Gegenstandes gebildet. Auf den Finger wirken unmittelbar die Kräfte, welche zum Festhalten und zum Heben des zu handhabenden Gegenstandes aufgebracht werden. Folglich können mit dem Sensor Rückschlüsse auf diese Kräfte gezogen werden.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers ist das Greiferelement durch ein Halteelement gebildet, welches dem Halten eines den zu handhabenden Gegenstand erfassenden Elementes dient. Beispielsweise kann das Greiferelement durch ein Halteelement gebildet sein, an welchem ein oder mehrere Finger zum Erfassen des zu handhabenden Gegenstandes befestigt sind. Auf das Halteelement wirken beispielsweise die Gewichtskraft des zu handhabenden Gegenstandes und eine Kraft zum Beschleunigen des zu handhabenden Gegenstandes.
Das Greiferelement besteht bevorzugt teilweise oder vollständig aus einem elastischen Material, beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie Polyamid.
Der Sensor ist bevorzugt teilweise oder vollständig in das elastische Material eingelassen, beispielsweise dadurch, dass der Sensor in das Greiferelement eingegossen ist. Insbesondere bei einer vollständigen Einlassung des Sensors in das elastische Material ergibt sich für den Sensor ein dauerhafter Schutz vor äußeren Einflüssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Art der Integration keine wesentlichen Änderungen an bestehenden Komponenten einer Handhabungseinrichtung, insbesondere den Greifern erfordert. Der Sensor ist bevorzugt als ein Mikrosystem ausgebildet, welches ein Sen- sorelement und eine elektronische Schaltung zum Betrieb des Sensors um- fasst. Der als Mikrosystem ausgebildete Sensor stellt Signale zur Verfügung, welche von einer die Handhabungseinrichtung steuernden bzw. regelnden Schaltung ausgewertet werden können. Die Ausführung als Mikrosystem erlaubt die platzsparende Integration des Sensors in den Greifer, u. a. auch für eine nachträgliche Erweiterung eines bereits vorhandenen Greifers. Der als Mikrosystem ausgebildete Sensor kann in einer Massenproduktion preiswert hergestellt werden.
Das Sensorelement ist bevorzugt zur Messung eines Ortes, eines Drehwinkels, einer Geschwindigkeit, einer Rotationsgeschwindigkeit, einer Beschleunigung, einer Drehbeschleunigung, eines Impulses, eines Drehimpulses und/oder einer Kraft ausgeführt. Es kommen grundsätzlich alle Sensor- elemente in Betracht, mit denen eine Verformung direkt oder indirekt gemessen werden kann.
Das Sensorelement ist bevorzugt durch mindestens einen dehnungsempfindlichen Widerstand gebildet, welcher vollständig in das elastische Materi- al des Greiferelementes eingelassen ist. Eine Verformung des elastischen Materials des Greiferelements wirkt sich unmittelbar auf den dehnungsempfindlichen Widerstand aus, welcher seinen Widerstand in Abhängigkeit von der Verformung ändert. Das Sensorelement ist besonders bevorzugt durch vier der dehnungsempfindlichen Widerstände gebildet, welche in einer Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind. Hierdurch kann die Verformung besonders genau gemessen werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers ist das Sensorelement durch einen optischen Positionssensor gebildet. Der optische Positionssensor ist an einem ersten Ort in das elasti- sehe Material des Greiferelementes eingelassen, wobei seine aktive Fläche unbedeckt bleibt. An einem zweiten vom ersten Ort entfernten Ort ist weiterhin ein einen Lichtstrahl lenkendes Element in das elastische Material des Greiferelementes eingelassen. Das den Lichtstrahl lenkende Element kann beispielsweise durch eine Blende oder durch einen Reflektor gebildet sein. Weiterhin ist bevorzugt eine Lichtquelle am Greifer angeordnet, mit welcher der Lichtstrahl auf das den Lichtstrahl lenkende Element emittierbar ist. Die Lichtquelle bildet bevorzugt mit dem optischen Positionssensor eine Einheit. Der durch das lenkende Element gelenkte Lichtstrahl ist auf den optischen Positionssensor gerichtet. Alternativ kann das den Lichtstrahl lenkende Element durch eine Lichtquelle gebildet sein, die zum Aussenden eines gerichteten Lichtstrahles auf den optischen Positionssensor konfiguriert ist. Eine Verformung des elastischen Materials des Greiferelementes führt dazu, dass sich die Entfernung und/oder die Ausrichtung zwischen dem optischen Posi- tionssensor und dem den Lichtstrahl lenkenden Element ändert, sodass der gelenkte Lichtstrahl auf eine andere Position auf dem optischen Positionssensor gelenkt wird, die mit dem optischen Positionssensor messbar ist. Der optische Positionssensor kann für eine ein-, zwei- oder mehrdimensionale Positionsbestimmung ausgeführt sein.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers umfasst der Sensor mindestens ein weiteres der Sensorelemente, wobei die mindestens zwei Sensorelemente zur Messung derselben Messgröße in unterschiedlichen geometrischen Dimensionen ausgeführt sind. Beispiels- weise können Sensorelemente zur Messung einer Kraft senkrecht zueinander angeordnet sein, sodass eine Messung der Kraft in zwei Richtungen erfolgen kann.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers umfasst der Sensor mindestens ein weiteres der Sensorelemente, welches zur Messung einer weiteren physikalischen Größe ausgeführt ist. Es eignen sich insbesondere Sensorelemente, welche zur Messung einer Temperatur, eines Druckes, einer Feuchtigkeit, eines Volumens, einer optischen Größe und/oder einer akustischen Größe ausgeführt sind. Mithilfe des weiteren Sensorelementes ist es möglich, eine weitere den Zustand am Greifer charakterisierende Größe zu messen.
Die elektronische Schaltung umfasst bevorzugt einen Verstärker, einen Wandler, beispielsweise einen AD-Wandler, einen Speicher zum Speichern der gemessenen Werte, eine elektrische Schnittstelle und/oder eine Auswerteeinheit. Die elektrische Schnittstelle dient der Übertragung einer Versor- gungsspannung und/oder der Übertragung von Messwerten und ggf. Steuerdaten. Die Übertragung der Messwerte und Steuerdaten kann drahtlos mit einer Funkschnittstelle erfolgen. Auch die Übertragung der Versorgungsspannung kann drahtlos über ein elektromagnetisches Feld erfolgen. Auch muss die Übertragung der Versorgungsspannung nicht permanent erfolgen, sondern kann auch zeitweise, beispielsweise zum Laden eines Akkumulators erfolgen. Alternativ kann der Sensor mit einer Batterie ausgestattet sein. Durch den Speicher ist es möglich, auf eine permanente Übertragung von Messwerten zu verzichten. Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Greifers, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 : eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 2: einen Sensor des in Fig. 1 gezeigten Greifers; Fig. 3: einen Schaltplan einer elektronische Schaltung des in Fig. 2 gezeigten Sensors; Fig. 4: eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Greifers in einer Schnittansicht; und
Fig. 5: ein Detail des in Fig. 4 gezeigten Greifers.
Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Greifers in einer perspektivischen Ansicht. Es handelt sich um einen Greifer zum Greifen von Flaschen, welcher in einer Getränkeabfüllanlage verwendet wird. Der Greifer umfasst zunächst einen ersten Greiferfinger 01 und einen zweiten Greiferfinger 02, zwischen denen eine Flasche gehalten werden kann. Die beiden Greiferfinger 01 , 02 sind an einer Ausgleichstruktur 03 befestigt, welche als Halteelement zum Halten der beiden Greiferfinger 01 , 02 dient. An der Ausgleichstruktur 03 sind zwei Klammern 04 ausgebildet, mit denen der Greifer befestigt werden kann. Die beiden Greiferfinger 01 , 02, die Ausgleichstruktur 03 und die Klammern 04 bestehen aus einem einzigen Teil, welches aus einem Kunststoff gespritzt wurde. Bei dem Kunststoff handelt es sich beispielsweise um ein Polyamid PA66Gf25, welches bei einer Temperatur von 180 °C in einem Spritzgießprozess verarbeitet wird. Der Kunststoff kann durch Glas- und/oder Kohlefasern verstärkt sein.
Der gesamte Greifer ist aufgrund des verwendeten thermoplastischen Kunststoffes elastisch verformbar. Diese Verformbarkeit dient zunächst seiner Funktion als Greifer. Die elastisch verformbare Ausgleichstruktur 03 weist eine Parallelogrammanordnung auf, welche geeignet ist, Fluchtungs- fehler auszugleichen, die während einer Übergabe einer zu befüllenden Flasche auftreten können. Hierdurch wird der Greifer vor unzulässig hohen Zwangskräften und vor einem Bruch geschützt. Die Ausgleichstruktur 03 kann aber auch durch einen einzelnen elastisch verformbaren Steg gebildet sein. Die elastische Verformbarkeit der Greiferfinger 01 , 02 erleichtert das Greifen von Flaschen, beispielsweise von PET-Flaschen an deren Neckring. Die Flaschen werden durch die Greiferfinger 01 , 02 form- und/oder kraftschlüssig gegriffen. Die Klammern 04 sind ebenfalls elastisch verformbar, sodass der Greifer durch eine Schnappverbindung befestigt werden kann.
In den Greifer sind ein erster Sensor 06, ein zweiter Sensor 07 und ein dritter Sensor 08 integriert. Die drei Sensoren 06, 07, 08 sind gleich ausgeführt und vollständig in das Material des Greifers eingelassen. Folglich sind die drei Sensoren 06, 07, 08 jeweils vollständig von dem Kunststoff umgeben, sodass sie wirkungsvoll gegen störende oder schädigende Umgebungseinflüsse, wie z. B. Feuchtigkeit, Staub, Strahlung oder Glaspartikel geschützt sind. Die drei Sensoren 06, 07, 08 sind bei der Herstellung des Greifers durch den Spritzgießvorgang in den Greifer eingespritzt.
Die drei Sensoren 06, 07, 08 befinden sich in denjenigen Bereichen des Greifers, die bei einer Verwendung des Greifers die größten Verformungen aufweisen. Der erste Sensor 06 befindet sich im zweiten Greiferfinger 02 an derjenigen Stelle des Greiferfingers 02, an welcher dieser den geringsten Querschnitt aufweist. Der zweite Sensor 07 ist längs zu der zu greifenden Flasche in der Ausgleichstruktur 03 angeordnet. Der dritte Sensor 08 ist quer zu der zu greifenden Flasche in der Ausgleichstruktur 03 angeordnet. Mithilfe des ersten Sensors 06 können Rückschlüsse auf die Gewichtskraft der gehaltenen Flasche gezogen werden. Mithilfe des zweiten Sensors 07 und des dritten Sensors 08 können Rückschlüsse auf Ausgleichkräfte gezogen werden, welche während des Greifvorganges auftreten können. Da der zweite Sensor 07 senkrecht zum dritten Sensor 08 ausgerichtet ist, können Kräftekomponenten in zwei Richtungen gemessen werden. Die drei Senso- ren 06, 07, 08 sind jeweils als ein Mikrosystem ausgebildet und über ein Kabel (nicht gezeigt) anschließbar.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 gezeigten ersten Sensor 06 im Detail in einer perspektivischen Ansicht. Der erste Sensor 06 umfasst zunächst ein erstes Ke- ramikplättchen 1 1 und ein zweites Keramikplättchen 12, die beispielsweise jeweils eine Dicke von 0,38 mm oder auch 0,62 mm aufweisen. Auf dem ersten Keramikplättchen 1 1 sind ein erster dehnungsempfindlicher Widerstand 13 und ein zweiter dehnungsempfindlicher Widerstand 14 angeordnet. Auf der Rückseite des ersten Keramikplättchens 1 1 sind ein dritter dehnungsempfindlicher Widerstand 16 (gezeigt in Fig. 3) und ein vierter dehnungsempfindlicher Widerstand 17 (gezeigt in Fig. 3) angeordnet. Die dehnungs- empfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17 sind durch Leiterbahnen 18 elektrisch miteinander verbunden. Das erste Keramikplättchen 1 1 und das zweite Keramikplättchen 12 sind über ein Flachbandkabel 19 miteinander verbunden. Das Flachbandkabel 19 dient der elektrischen Verbindung der vier dehnungsempfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17 mit aktiven elektroni- sehen Bauelementen 21 , welche auf dem zweiten Keramikplättchen 12 angeordnet sind. Auf dem zweiten Keramikplättchen 12 sind weiterhin passive elektronische Bauelemente 22 angeordnet, welche u. a. dem Betrieb der aktiven elektronischen Bauelemente 21 dienen. Die Leiterbahnen 18, die aktiv elektronischen Bauelemente 21 , die dehnungsempfindlichen Wider- stände 13, 14, 16, 17 und die passiven elektronischen Bauelemente 22 sind mithilfe eines Siebdruckverfahrens als Paste auf die beiden Keramikblätt- chen 1 1 , 12 aufgedruckt. Diese Technologie wird auch als Dickschichttechnik bezeichnet. Hierfür sind die beiden Keramikplättchen 1 1 , 12 anschließend einem Trocknungsprozess in einem Durchlaufofen bei Temperaturen von bis zu 850 °C auszusetzen, wodurch die Komponenten auf den Keramikplättchen 1 1 , 12 eingebrannt werden.
Die dehnungsempfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17, die aktiven elektronischen Bauelemente 21 und die passiven elektronischen Bauelemente 22 können auch auf einem einzigen Keramikplättchen bzw. Träger angeordnet werden. Die Ausführung mit den beiden Keramikplättchen 1 1 , 12 weist den Vorteil auf, dass die einzelnen Keramikplättchen 1 1 , 12 geringeren Verformungen ausgesetzt sind. Statt Keramikplättchen können auch Plättchen aus einem hitzebeständigen Edelstahl verwendet werden.
Fig. 3 zeigt einen Schaltplan der elektrische Schaltung des in Fig. 2 gezeigten ersten Sensors 06. Die vier dehnungsempfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17 sind in Form einer Widerstandsvollbrücke, welche auch Wheatstone- sche Brücke bezeichnet wird, miteinander verbunden. Das an der Widerstandsvollbrücke 13, 14, 16, 17 anliegende Differenzsignal wird mit einem einen hochohmigen Eingang aufweisenden Differenzverstärkers 23 ver- stärkt. Das mithilfe des Differenzverstärkers 23 verstärkte Signal wird einem AD-Wandler 24 und einem ersten Ausgang 26 zugeführt. Das vom AD- Wandler 24 bereitgestellte digitale Signal wird mit einem Schnittstellenwandler 27 gewandelt und über einen weiteren Verstärker 28 zu einem zweiten Ausgang 29 geführt. Der Schnittstellenwandler 27 kann beispielsweise eine Schnittstelle gemäß USB, RS232, CAN oder Ethernet zur Verfügung stellen. An einem Eingang 31 ist eine Brückenversorgungsspannung anzulegen, welche im einfachsten Fall mithilfe eines RC-Tiefpassfilters 32 gefiltert wird. Alternativ kann die anliegende Brückenversorgungsspannung mit einer aktiven Spannungsquelle von z. B. 5 V stabilisiert werden, wobei weiterhin ein mit Dioden realisierter Verpolschutz und/oder Überspannungsschutz integriert sein kann.
Der Sensor 06 kann dadurch kalibriert werden, dass die Brückenspannung an der Widerstandsvollbrücke 13, 14, 16, 17 auf Null eingestellt wird, bei- spielsweise durch ein Lasterritzen der dehnungsempfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17. Der Sensor 06 kann aber auch an dem Schnittstellenwandler 27 aktiv kalibriert werden.
Der Sensor 06 kann alternativ auch für eine drahtlose Übertragung der Brü- ckenversorgungsspannung und der Messwerte konfiguriert sein, beispielsweise unter Nutzung der RFID-Technologie.
Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Greifers in einer Schnittansicht. Der in Fig. 4 gezeigte Greifer gleicht in seiner räumlich-geometrischen Ausdehnung dem in Fig. 1 gezeigten Greifer und weist daher wiederum die zwei Greiferfinger 01 , 02, die Ausgleichstruktur 03 und die Klammern 04 auf. Auch gleicht der in Fig. 4 gezeigte Greifer hinsichtlich Material und Herstellung dem in Fig. 1 gezeigten Greifer. Der in Fig. 4 gezeigte Greifer weist anstelle der drei Sensoren 06, 07, 08 des in Fig. 1 gezeigten Greifers eine optische Sensoreinheit 36 auf, welche in die Ausgleichstruktur 03 integriert ist. Die optische Sensoreinheit 36 umfasst eine erste Trägerkomponente 37, welche in einem quer zur greifenden Flasche angeordneten Teil der Ausgleichstruktur 03 angeordnet ist. Die optische Sensoreinheit 36 umfasst weiterhin eine zweite Trägerkomponente 38, welche in einem längs zur greifenden Flasche angeordneten Teil der Ausgleichstruktur 03 angeordnet ist. Die erste Trägerkomponente 37 trägt eine LED 39 und einen optischen Positionssensor 41 , die beabstandet zueinander angeordnet sind. Die erste Trägerkomponente 37 ist teilweise in das Material der Ausgleichstruktur 03 eingelassen, wobei die LED 39 und der optische Positionssensor 41 aus dem Material herausragen. Die zweite Trägerkomponente 38 trägt eine Schlitzblende 42, die sich zwischen der LED 39 und dem optischen Positionssensor 41 befindet. Auch die zweite Trägerkomponente 38 der optischen Sensoreinheit 36 ist teilweise in das Material der Ausgleichstruktur 03 der Greifers eingelassen, wobei die Schlitzblende 42 aus dem Material herausragt. Fig. 5 zeigt ein Detail der in Fig. 4 gezeigten optischen Sensoreinheit 36. Es sind insbesondere die LED 39, die Schlitzblende 42 und der optische Positionssensor 41 dargestellt. Die LED 39 emittiert einen Lichtstrahl 44 auf die Schlitzblende 42, der von dieser zu einem gerichteten Lichtstrahl 46 geformt wird. Die Ausrichtung des gerichteten Lichtstrahles 46 hängt von dem Ab- stand der ersten Trägerkomponente 37 von der zweiten Trägerkomponente 38 (gezeigt in Fig.4) ab. Dies führt dazu, dass der auf den optischen Positionssensor 41 gerichtete Lichtstrahl 46 je nach Abstand der ersten Trägerkomponente 37 von der zweiten Trägerkomponente 38 auf eine bestimmte Position auf dem optischen Positionssensor 41 trifft, die durch den optischen Positionssensor 41 bestimmbar ist. Hierfür liefert der optische Positionssensor 41 ein analoges Signal, welches linear proportional zur Position des auftreffenden Lichtstrahles 46 ist. Dieses Signal ist wiederum proportional zum Abstand der ersten Trägerkomponente 37 von der zweiten Trägerkomponen- te 38 und somit ein Maß für die Verformung der Ausgleichstruktur 03 (gezeigt in Fig. 4). Der optische Positionssensor 41 ist in dem gezeigten Beispiel eindimensional ausgeführt, sodass die Verformung in genau einer Richtung gemessen werden kann. Alternativ kann der optische Positionssensor 41 auch zweidimensional oder mehrdimensional aufgeführt sein, um Verformungen in zwei oder mehr Richtungen erfassen zu können.
Statt der in Fig. 4 gezeigten optischen Sensoreinheit 36 und der in Fig. 2 gezeigten dehnungsempfindlichen Widerstände 13, 14, 16, 17 können auch andere Sensoren verwendet werden, wie z. B. Hallsensoren, magnetore- sistive Sensoren, kapazitive Sensoren, induktive Sensoren und zusätzlich Temperatursensoren, Beschleunigungssensoren, Strahlungssensoren, biochemische Sensoren und Strömungssensoren. Zur Messung von Kräften bzw. von Drehmomenten sind insbesondere auch piezoelektrische Sensoren verwendbar.
Die in Fig. 4 gezeigte optische Sensoreinheit 36 umfasst weiterhin eine e- lektronische Schaltung (nicht gezeigt) zur Signalverstärkung, Signalverarbei- tung und Signalspeicherung sowie zur Signalwandlung und -Übertragung. Die elektronische Schaltung kann auch weitere Hard- und Softwarekomponenten umfassen, welche die Abarbeitung weiterer Signalverarbeitungsschritte ermöglichen, wie z. B. eine FFT-Analyse, eine Verknüpfung der Daten mit anderen Maschinendaten, wie eine Drehzahl, sowie Signalverarbeitungsschritte, die eine Ausgabe von Steuerungs-, Regelungsund Warnsignalen beinhalten. Bezugszeichenliste:
01 erster Greiferfinger
02 zweiter Greiferfinger
03 Ausgleichstruktur
04 Klammern
05
06 erster Sensor
07 zweiter Sensor
08 dritter Sensor
09
10
1 1 erstes Keramikplättchen
12 zweites Keramikplättchen
13 erster dehnungsempfindlicher Widerstand
14 zweiter dehnungsempfindlicher Widerstand 15
16 dritter dehnungsempfindlicher Widerstand
17 vierter dehnungsempfindlicher Widerstand 18 Leiterbahnen
19 Flachbandkabel
20
21 aktive elektronische Bauelemente
22 passive elektronische Bauelemente 23 Differenzverstärker
24 AD-Wandler
25
26 erster Ausgang
27 Schnittstellenwandler
28 weiterer Verstärker
29 zweiter Ausgang
30 31 Eingang
32 RC-Tiefpassfilter
33
34
35 -
36 optische Sensoreinheit
37 erste Trägerkomponente
38 zweite Trägerkomponente
39 LED
40
41 optischer Positionssensor
42 Schlitzblende
43
44 emittierter Lichtstrahl 45
46 gerichteter Lichtstrahl