DE202015007161U1 - Manipulator with vortex tube - Google Patents
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Abstract
Manipulator (1), aufweisend eine Druckluftleitung (11), und ein Wirbelrohr (20) innerhalb des Manipulators (1), wobei das Wirbelrohr (20) einen Gaseingang, einen Warmgasausgang und einen Kaltgasausgang umfasst, der Gaseingang des Wirbelrohrs (20) mit der Druckluftleitung (11) verbunden ist, und der Kaltgasausgang des Wirbelrohrs (20) zur Kühlung eines Elements (13) des Manipulators (1) verwendet wird.Manipulator (1), comprising a compressed air line (11), and a vortex tube (20) within the manipulator (1), wherein the vortex tube (20) comprises a gas inlet, a hot gas outlet and a cold gas outlet, the gas inlet of the vortex tube (20) with the Compressed air line (11) is connected, and the cold gas outlet of the vortex tube (20) for cooling an element (13) of the manipulator (1) is used.
Description
1. Technischer Bereich1. Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Manipulator, und insbesondere einen Leichtbauroboter.The present invention relates to a manipulator, and more particularly to a lightweight robot.
2. Technischer Hintergrund2. Technical background
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.Manipulators are automatically controlled, programmable multipurpose machines. They can be used, for example, in a production or assembly to machine a component or workpiece. A manipulator may consist of a plurality of movable members or axles. By a targeted control of motors, and in particular servomotors, the individual axes of a manipulator can be moved.
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.In particular, lightweight robots electronic components are installed within the manipulator and often separated by an air-impermeable housing made of light metal from the environment. During operation, the electronic components develop heat, which, however, can escape poorly due to the dense construction and therefore accumulates within the lightweight robot. The heat radiation through the surface of the manipulator is often insufficient to sufficiently dissipate heat. For this reason, the failure rate of the electronic components of lightweight robots is comparatively high.
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.It is therefore an object of the present invention to provide a manipulator which can be used even at high ambient temperatures. It is a further object of the present invention to provide a manipulator which at least partially eliminates the above-mentioned disadvantages.
Diese und weitere Aufgaben, die aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden, werden durch einen Manipulator gemäß Anspruch 1 gelöst.These and other objects, which will be apparent from the following description, are achieved by a manipulator according to
3. Inhalt der Erfindung3. Content of the invention
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.The present invention relates to a manipulator, and more particularly to a lightweight robot. A lightweight robot may be a particularly small and lightweight robot whose movable members and axles are at least partially shielded from the environment by a shell or housing.
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.The manipulator has a compressed air line. Furthermore, the manipulator has a vortex tube, which is arranged within the manipulator. A vortex tube, such as a Ranque-Hilsch vortex tube, may be a device with no moving parts to divide a flowing gas into a hot and a cold stream. The vortex tube has a gas inlet through which gas can be introduced into the vortex tube. Furthermore, the vortex tube has a hot gas outlet and a cold gas outlet, from which in each case the hot and cold gas stream can escape from the vortex tube. The cold gas outlet of the vortex tube is used according to the invention for cooling an element of the manipulator. The element may be a heat-generating element of the manipulator, such as an electronic component.
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.Thus, the manipulator can be at least partially cooled, with no additional maintenance is necessary because the vortex tube is designed as a passive element without moving parts. The manipulator can thus work reliably because effective and active cooling is provided. Malfunction of the manipulator are thus greatly reduced.
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.The cold gas stream has a lower temperature than the hot gas stream. In this case, the temperature of the cold gas stream may be lower than the temperature of the gas, which is introduced into the vortex tube. Likewise, the temperature of the hot gas stream may be higher than the temperature of the gas, which is introduced into the vortex tube. The hot gas flow does not necessarily have to have a very high temperature, but can also be perceived as a warm gas or air flow.
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.Preferably, the manipulator further comprises a thermostatic valve which is provided between the compressed air line and the gas inlet of the vortex tube. The thermostatic valve is arranged to control a compressed air supply from the compressed air line to the vortex tube. The thermostatic valve can thus control how much compressed air is provided to the gas inlet of the vortex tube. Temperature, flow and cooling capacity can thus be controlled via the thermostatic valve. Energy consumption and losses of compressed air can thus be efficiently minimized. By means of the thermostat control can also be ensured that the compressed air system of the manipulator little compressed air is lost through the vortex tube. The functionality of further components of the manipulator, which require a compressed air supply, is thus not restricted.
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.Preferably, the compressed air line leads to a hand flange and / or an end effector of the manipulator. Thus, both the functionality of the end effector and the cooling by means of the heat exchanger can be ensured by the same compressed air line. An additional compressed air line is not needed.
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. Preferably, the cold gas outlet of the vortex tube is coupled to a heat exchanger within the manipulator. The heat exchanger itself is in turn preferably heat-conductively coupled to internal electronics of the manipulator. By coupling heat can be exchanged. The heat exchanger may, as a heat sink, preferably store efficiently the low temperatures provided by the cold gas outlet of the vortex tube. The heat sink may preferably store the amount of heat of the cold gas stream, which is characterized by low temperatures. Thus, a constant, homogeneous cooling of the manipulator can be provided, depending on the mass of the heat exchanger.
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.Preferably, the hot gas outlet and / or the cold gas outlet of the vortex tube is connected via a silencer to the environment of the manipulator. The hot or cold gas stream is thus passed through the silencer or from the manipulator housing, so that no additional noise pollution occurs. Preferably, the cold gas outlet of the vortex tube, preferably after the heat exchanger, connected to the environment of the manipulator.
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.Preferably, in the compressed air line and / or at the gas inlet of the vortex tube, a pressure of 2-10 bar, more preferably from 4-8 bar, and more preferably from about 6 bar before. Thus, effective functionality of the vortex tube can be provided.
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.Preferably, a mass flow of compressed air through the gas inlet of the vortex tube 1-20%, further preferably 5-15% and more preferably about 10% of the compressed air mass flow in the compressed air line. Thus, only a small portion of compressed air is used for cooling and functionality, such as a pneumatic end effector, is maintained.
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.Preferably, the manipulator further comprises an air filter on the compressed air line. Preferably, this achieves filtration of 25 microns or less, and more preferably 5 microns or less. Thus, a trouble-free operation of the vortex tube and thus the cooling can be made possible. A micron can represent a unit of measurement that can be used to identify the particle size that is filtered by a filter. It will be understood by those skilled in the art that the "Micron" rating may refer to the particle size filtered through filters of specified efficiency.
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.Preferably, the manipulator further comprises a shut-off valve which is adapted to switch on and off the supply of compressed air from the compressed air line to the gas inlet of the vortex tube. The shut-off valve thus has two states, one open and one closed. It can be efficiently controlled by means of the shut-off valve in the closed state that temporarily no compressed air is supplied to the vortex tube when, for example, a maximum pressure on the end effector of the manipulator is needed. On the other hand, by opening the shut-off valve, it is possible to allow maximum cooling to be effected. Preferably, the shut-off and / or the thermostatic valve of the manipulator is connected to a temperature sensor for controlling the / the valve / valves.
4. Ausführungsbeispiele4th embodiments
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:In the following, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Identical parts are identified by the same reference numerals. It shows:
In der
Beispielsweise kann die Druckluft, die von dem Wirbelrohr
An einem zweiten Ausgang des Wirbelrohrs
Die
Die Funktionsweise des Wirbelrohrs
Der Fachmann versteht, dass mehr als nur das Wirbelrohr
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Manipulatormanipulator
- 10, 10a, 10b, 10c10, 10a, 10b, 10c
- Manipulatorteilmanipulator part
- 1111
- DruckluftleitungCompressed air line
- 1212
- Abzweigungdiversion
- 1313
- Elektronikmodul/AchssteuerelektronikElectronic module / Achssteuerelektronik
- 1414
- Endeffektorend effector
- 15a, 15b15a, 15b
- Gelenkjoint
- 1616
- Luftfilterair filter
- 2020
- Wirbelrohrvortex tube
- 2121
- Wärmetauscherheat exchangers
- 22, 2422, 24
- Ausgangoutput
- 2323
- Schalldämpfersilencer
- 3030
- Thermostatventilthermostatic valve
- 4040
- Abschaltventilshut-off valve
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202015007161.9U DE202015007161U1 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Manipulator with vortex tube |
Applications Claiming Priority (1)
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DE202015007161.9U DE202015007161U1 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Manipulator with vortex tube |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202015007161U1 true DE202015007161U1 (en) | 2017-01-19 |
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ID=58010557
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DE202015007161.9U Expired - Lifetime DE202015007161U1 (en) | 2015-10-15 | 2015-10-15 | Manipulator with vortex tube |
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DE (1) | DE202015007161U1 (en) |
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- 2015-10-15 DE DE202015007161.9U patent/DE202015007161U1/en not_active Expired - Lifetime
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