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Die
Erfindung betrifft eine Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung mit den Merkmalen
im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Eine
derartige Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung, die auch als CD-Schweißeinrichtung
bezeichnet wird, ist aus der
DE 10 2005 007 464 A1 bekannt. Sie besteht
aus einer Kondensatorentladungs-Schweißstromquelle, einer Steuerung,
mehreren Elektroden und mindestens einer nicht näher beschriebenen Vorschubeinrichtung
für mindestens
eine Elektrode. Die Vorschubeinrichtung ist als mehrstufiges Kraftsystem
ausgebildet, das mit unterschiedlichen Anpressdrücken arbeitet, die während des
Schweißvorgangs
gesteuert verändert
werden und die in Stufen einstellbar sind. Der Anpressdruck wird
dabei auch über
einstellbare Zeiten konstant und aufrecht erhalten. In der für das Aufladen
des Kondensators benötigten
Pause ist eine Erhöhung
der Anpresskraft vorgesehen. Ein Abkühlen der gefügten Werkstücke erfolgt
unter anliegendem Anpressdruck.
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Die
US 6,303,894 B1 zeigt
eine andere manuell zu führende
Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung
mit einer nicht im Einzelnen beschriebenen Vorschubeinrichtung.
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Aus
der Praxis sind Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtungen bekannt, deren
Vorschubeinrichtungen als pneumatische oder hydraulische Zylinder
oder als elektrische Servoantriebe ausgebildet sind.
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Die
DE 759 982 C offenbart
eine elektrische Widerstandspunktschweißmaschine, bei der ein Kurbeltrieb
als Elektrodenantrieb dient. Der Kolben eines pneumatischen Zylinders
wird abwechselnd an Vorder- und Rückseite mit Druckluft aus einem
Druckluftspeicher beaufschlagt. Die Steuerung dieser Druckluftzufuhr übernimmt
ein Schieber, der von dem Kurbeltrieb auf- und abbewegt wird. Dieser
Schieber öffnet
abwechselnd oberhalb und unterhalb des Kolbens angeordnete Auslassöffnungen
des Druckluftspeichers.
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Die
DE 813 867 befasst sich mit
einer Widerstandssteppschweißmaschine,
die als Handzange mit einem Kurbeltrieb ausgebildet ist, der extern
und mit größerem Abstand
von der Schweißzange
angeordnet und mit dieser über
eine biegsame Welle oder einen Bowdenzug verbunden ist.
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Aus
der
DE 36 23 035 C1 ist
es bekannt, ein Stanzwerkzeuge mit einem Kurbeltrieb auszurüsten. Die
DE 101 54 330 B4 betrifft
eine Crimppressenvorrichtung mit einem Kurbeltrieb. In der
DE 10 2004 059 068
A1 befasst sich mit einem Zangenausgleich für eine Punktschweißzange.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung
aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
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Die
beanspruchte Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung mit dem Kurbelantrieb
hat den Vorteil einer Vereinfachung der Antriebstechnik und einer
Verringerung des Bau- und Steuerungsaufwands. Der Kurbelantrieb
kann kontinuierlich laufen, wodurch ein regelmäßiger Schweißtakt erzielbar
ist. Über
einen Kurbelantrieb können
außerdem
hohe Anpresskräfte
mit vergleichsweise geringem Aufwand erzeugt werden.
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Vorhandene
Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtungen
können
mit dem Kurbelantrieb nachgerüstet
oder umgerüstet
werden. Andererseits ist es möglich,
an anderweitig vorhandene Kurbelantriebe die Schweißstromquelle,
die Steuerung und die anderen Komponenten der Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung
nachzurüsten.
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Der
Kurbelantrieb hat ferner den Vorteil einer hohen Standfestigkeit
und Betriebssicherheit, wobei der Wartungsaufwand gering ist. Für das Kondensatorentladungs-Schweißen ist
es ferner von Vorteil, dass die inneren Elastizitäten in einem
Kurbelantrieb gering sind. Dies ist insbesondere in Verbindung mit einer
Nachsetzeinrichtung für
die Elektroden günstig, die
dank der mechanischen Steifigkeit des Kurbelantriebs schnell und
verlustfrei die Elektrode während des
Prozesses bei einem Erweichen der Schweißpartner nachführen kann.
Insgesamt ergeben sich Vorteile für die Reproduzierbarkeit der
Schweißungen
und für
die Schweißqualität.
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Die
Kondensator-Entladungsstromquelle gibt einen sehr kurzen und hohen
Stromimpuls ab, der mit hoher Prozessgenauigkeit in Abhängigkeit von
der Vorschubbewegung gezündet
werden kann. Dies ist für
die Reproduzierbarkeit und für
die Schweißqualität von Vorteil.
Die Vorschubbewegung kann mittels einer Messeinrichtung auf unterschiedliche
Weise aufgenommen werden, wobei verschiedene Messgeräte und Messtechniken
auch kombiniert werden können.
Insbesondere können
die Vorschubbewegung der Elektrode und ggf. der Nachsetzeinrichtung über eine
Wegmessung erfasst, gespeichert und ausgewertet werden. Zusätzlich kann
der Drehwinkel des Kurbelantriebs und insbesondere der Kurbelwelle
erfasst werden, um z. B. die Totpunkt- oder Streckstellung des Kurbelgetriebes
mit einem der Schaltverzögerung
entsprechenden zeitlichen Vorlauf zu erfassen und den Stromimpuls
rechtzeitig zu zünden.
Hierdurch kann trotz der extrem kurzen Impulszeit von ca. 8 bis
10 ms die Impulszündung
mit hoher Genauigkeit erfolgen. Andererseits ist der Vorschub durch
den Kurbelantrieb und durch dessen Dreh- bzw. Bogenbewegung im Bereich
der Streckstellung winkeltolerant.
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Die
Weg- und/oder Winkelerfassung kann außer zur Steuerungszwecken auch
zu Dokumentations- und Nachweiszwecken für die Qualitätssicherung
und für
andere Einsatzbereiche dienen. Insbesondere können über eine Wegmessung von Elektrode
und Nachsetzeinrichtung das Nachsetzverhalten und die zurückgelegten
Wege protokolliert und ausgewertet werden. Über einen Wegevergleich können auch
nachträglich
Aussagen über
Werkstofftoleranzen und andere Einflüsse auf den Schweißprozess getroffen
werden. Durch den sehr steifen Kurbelantrieb und dessen gleichmäßige Vorschubbewegungen
sind aus dem Vorschub resultierenden Fehlereinflüsse minimal, was der Aussagekraft
der vorerwähnten
Messwerte und der hieraus gezogenen Rückschlüsse zu Gute kommt.
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Die
Ausrüstung
einer Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung
mit einem Kurbelantrieb hat auch wärmetechnische Vorteile. Durch
die kurzen Schweißstromimpulse
ist der Wärmeeintrag
am Werkstück
und damit auch die weitere Wärmeeinleitung
in die Maschine, insbesondere den Kurbelantrieb, sehr gering. Wärmedehnungen
oder Verzüge können weitestgehend
vermieden werden, was für den
Kurbelantrieb günstig
ist.
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Der
Kurbelantrieb kann in unterschiedlicher Weise konstruktiv ausgebildet
sein. In den Unteransprüchen
ist hierfür
eine bevorzugte konstruktive Ausführungsform nebst weiteren Details
der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung
mit einem Kurbelantrieb,
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2:
eine vergrößerte perspektivische Frontansicht
des Kurbelantriebs und
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3:
eine andere Ansicht der Einrichtung von 1 mit Verkleidungen
und einer angedeuteten automatischen Zuführeinrichtung.
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Die
Erfindung betrifft eine Kondensatorentladungs-Schweißeinrichtung (1),
die nachfolgend als CD-Schweißeinrichtung
bezeichnet wird. Sie dient zum Schweißen von Werkstücken (28),
z. B. Blechpaarungen, mit einem extrem kurzzeitigen elektrischen
Stromimpuls aus einer Kondensatorentladung. Die Erfindung betrifft
auch das mit der CD-Schweißeinrichtung
(1) durchgeführte
Schweißverfahren.
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Die
CD-Schweißeinrichtung
(1) ist in 1 und 3 dargestellt.
Sie besteht aus einer Kondensatorentladungs-Schweißstromquelle (2),
die nachfolgend als CD-Schweißstromquelle
bezeichnet wird, und einer zugeordneten Steuerung (3).
Die Komponenten sind in 1 in einem Schaltschrank der CD-Schweißeinrichtung
(1) schematisch dargestellt. Die CD-Schweißstromquelle
(2) erzeugt einen extrem kurzzeitigen und vorzugsweise
einmaligen Gleichstromimpuls, wobei die Umkehr- und Restschwingungen
unterdrückt
werden. Der Gleichstromimpuls wird über einen zwischengeschalteten Transformator
und eine Stromzuführung (4)
auf mindestens eine Elektrode (5), weiter auf das Werkstück (28)
und über
eine Gegenelektrode (6) wieder zurückgeleitet. Die Impulsdauer
beträgt
z. B. 8 bis 10 ms. Zum Vergleich beträgt beim Mittelfrequenzschweißen die
Stromdauer z. B. 120 bis 180 ms. Die CD-Schweißstromquelle (2) weist
mindestens eine entsprechend ausgebildete Kondensatorbatterie mit einer
Zündschaltung
auf, die z. B. ein oder mehrere Thyristoren beinhaltet sowie eine
Schaltung zur Formung des einmaligen Gleichstromimpulses. Alternativ
können
andere Arten von Stromimpulsen aus einer Kondensatorentladung erzeugt
werden. Zu der CD-Schweißstromquelle
(2) gehören
ferner ein Netzanschluss, ein Gleichrichter und die anderen üblichen
Bestandteile. Sie sind der Übersicht
halber nicht dargestellt.
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Beim
CD-Schweißen
werden die Elektroden (5, 6) mit Kraft gegen das
in 3 schematisch dargestellt Werkstück (28)
gepresst, wobei in der Andruckphase der Stromimpuls gezündet wird.
Durch den Stromimpuls und die hohe Übergangswiderstände an den
Kontaktstellen zwischen den Elektroden (5, 6)
und dem Werkstück
(28) werden die Kontaktstellen teigig und gehen miteinander
eine Schweißverbindung
ein. Der Wärmeeintrag
ist beim CD-Schweißen jedoch
gering, so dass kein Aufschmelzen und Verflüssigen der Komponenten des Werkstücks (28),
z. B. zwei Blechen mit angeformten Buckeln, entsteht. Das CD-Schweißen ist
daher für temperaturkritische
Werkstoffe, z. B. hochfeste Bleche, besonders geeignet. Beim CD-Schweißen lassen
sich außerdem
höhere
Festigkeiten an der Schweißstelle
als beim Buckelschweißen
mit Mittelfrequenz erzielen. Der geringe Wärmeeintrag ist zudem günstig für die nachfolgend
erläuterte
Vorschubeinrichtung (11).
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Die
Zustellung und Anpressung der Elektroden (5, 6)
erfolgt durch mindestens eine Vorschubeinrichtung (11).
In der gezeigten Ausführungsform ist
die untere Gegenelektrode (6) stationär an einer Konsole des Maschinengestells angeordnet.
Die obere Elektrode (5) ist mit der Vorschubeinrichtung (11)
verbunden und wird von dieser vertikal auf- und abbewegt. In 2 ist
die Elektrode (5) der Übersicht halber
nicht dargestellt. Alternativ kann für beide Elektroden (5, 6)
eine Vorschubeinrichtung (11) vorhanden sein.
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Die
Vorschubeinrichtung (11) ist als Kurbelantrieb (12)
ausgebildet. Der Kurbelantrieb (12) kann kontinuierlich
angetrieben sein, wobei ein gleichmäßiger Schweißtakt mit
z. B. einer Taktdauer 1 bis 1,5 sec erzielt wird. Wie 3 verdeutlicht,
kann die CD-Schweißeinrichtung
(1) mit einer automatischen Zuführeinrichtung (27)
ausgebildet sein, mit der die Werkstücke (28) taktgerecht
zu- und abgeführt
werden. Die CD-Schweißeinrichtung
(1) kann alternativ mit einer manuellen Werkstückzufuhr
arbeiten.
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Der
Kurbelantrieb (12) ist in 2 näher dargestellt.
Er weist einen Motor (13) und ein Kurbelgetriebe (16)
auf. Der Motor (13) kann in beliebiger Weise ausgebildet
sein. Beispielsweise kann es sich um einen steuer- und regelbaren
Elektromotor mit einem vorgeschalteten Getriebe (14) zur
Untersetzung der Antriebsdrehzahl und zur Umlenkung der Antriebsbewegung
handeln. Das Getriebe (14) besitzt eine Abtriebswelle und
eine Abtriebsachse (15), die z. B. horizontal ausgerichtet
sind.
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Das
Kurbelgetriebe (16) kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet
sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
weist es eine vom Motor (13) angetriebene Kurbelwelle (17)
auf, die mit der Abtriebswelle des Getriebes (14) identisch
oder mit dieser verbunden sein kann. Auf die Kurbelwelle (17)
ist ein Exzenter (18) drehfest aufgesetzt, der seinerseits
mit einer Kurbelschwinge (19) verbunden ist. Der Exzenter (18)
ist drehbar in einem Lagerauge am oberen Schwingenende angeordnet
und bewegt bei seiner Drehung die Kurbelschwinge (19) mit
einer vertikalen Bewegungsrichtung auf und ab. Am unteren Schwingenende
ist die Kurbelschwinge (19) über ein Lagerauge mit einem
Stößel (20)
oder einer Treibstange verbunden, welche mit einer Geradführung versehen sein
kann.
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Der
Stößel (20)
ist seinerseits mit mindestens einer Elektrode (5, 6)
verbunden. Dies kann eine direkte Verbindung sein. Vorzugsweise
ist allerdings eine Nachsetzeinrichtung (10) zwischen dem
Stößel (20)
und der bewegten Elektrode (5) angeordnet. Die Nachsetzeinrichtung
(10) ist in 2 der Übersicht halber nicht dargestellt.
Sie besteht aus mehreren, in Vorschubrichtung wirkenden und im Kreis
um die zentrale Vorschubachse angeordneten Federn, z. B. Tellerfederpaketen,
die am einen Ende mit dem Stößel (20),
z. B. über
einen Stützteller
(21), verbunden sind. Am anderen Ende sind die Federn mit
der Elektrode (5) direkt oder wie im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen
Elektrodenträger
(7) verbunden.
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Der
Elektrodenträger
(7) trägt
an seiner Unterseite die Elektrode (5). Die Verbindung
kann lösbar sein,
so dass die Elektrode (5) bei Bedarf gewechselt oder ausgetauscht
werden kann. Der Elektrodenträger
(7) ist jochartig ausgebildet und erstreckt sich im wesentlichen
quer zur vertikalen Vorschubachse, wobei die Nachsetzeinrichtung
(10) und die Elektrode (5) mittig am Joch (7)
und in der Vorschubachse angeordnet sind. Der Elektrodenträger (7)
besitzt eine Trägerführung, die
sich am Gehäuse
des Kurbelantriebs (12) abstützt. Die Führungskomponenten können beidseits
der Nachsetzeinrichtung (10) am Joch (7) angreifen.
In der gezeigten Ausführungsform
handelt es sich z. B. um zwei Kugelumlaufführungen (9), die sich
parallel und beidseits des Stößels (20)
erstrecken.
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Das
Kurbelgetriebe (16) kann in einem umgebenden Gehäuse untergebracht
und mit einer frontseitigen Schutzabdeckung (26) versehen
sein. Zusätzlich
kann eine weitere Fronthaube vorhanden sein, die auch den Elektrodenträger (7)
und die Elektrode (5) umgibt. 3 zeigt
eine solche Anordnung. Die CD-Schweißeinrichtung (10)
kann ferner ein umgebendes Gehäuse
(25), einen Schaltschrank und weitere Gehäuse- oder
Gestellkomponenten aufweisen.
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Die
CD-Schweißstromquelle
(2) kann in beliebig geeigneter Weise gesteuert werden.
Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung in Abhängigkeit von der Vorschubbewegung,
insbesondere von der Kurbelbewegung. Hierfür kann eine mit der Steuerung
(3) verbundene Messeinrichtung (22) für die Vorschubbewegung
vorgesehen sein, die in unterschiedlicher Weise ausgebildet und
angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Messeinrichtung (22)
ein- oder mehrteilig sein.
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Wie 2 in
einer schematischen Darstellung verdeutlicht, kann die Messeinrichtung
(22) ein oder mehrere Wegmesser (23) beinhalten,
die z. B. zur Wegerfassung der Elektrode (5) und/oder zur Wegerfassung
des Stößels (20)
dienen. Bei der Vorschubbewegung wird vom entsprechend ausgelegten
Kurbelantrieb (12) zunächst
die Elektrode (12) abgesenkt und gegen das Werkstück (28)
gepresst. Dies geschieht vor Erreichen der Kurbel-Streckstellung. Über den
weiteren Kurbelweg wird die Nachsetzeinrichtung (10) gespannt,
was sich in einer weiteren Absenkbewegung des Stößels (20) und seines Stütztellers
(21) äußert. Eine
oder beide Bewegungen können
permanent erfasst, gespeichert, ausgewertet und dokumentiert werden. Über die
Wegerfassung lässt
sich außerdem
feststellen, ob und um welchen Weg sich die Nachsetzeinrichtung
(10) und der Stößel (20)
bzw. der Stützteller
(21) bewegen. Dies erlaubt Rückschlüsse über den Ablauf des Schweißprozesses
und die Schweißgüte. Über den
Weg der Elektrode oder des alternativ abgetasteten Jochs (7) kann
ebenfalls das Nachsetzverhalten erfasst und dokumentiert werden.
Außerdem
kann durch Vergleichen mit einem Vorgabewert festgestellt werden,
ob die Bauteiltoleranzen eingehalten oder überschritten sind.
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Die
Vorschubbewegung kann zusätzlich oder
alternativ noch auf andere Weise erfasst werden, z. B. durch einen
oder mehrere Drehgeber (24) für die Kurbelstellung. Beispielsweise
ist in 2 ein Drehgeber (24) an der Kurbelwelle
(17) angeordnet und wirkt mit mindestens einer dortigen
Markierung zusammen, welche die Exzenter- und/oder Schwingenstellung signalisiert.
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Über die
Weg- und/oder Winkelerfassung kann z. B. der Schweißstromimpuls
zu einem vorbestimmten und beliebig wählbaren Zeitpunkt in Relation
zu der Vorschubbewegung oder der Kurbel- oder Schwingenstellung
gezündet
werden. Beispielsweise kann die Zündung exakt in der unteren
Streckstellung der Kurbelschwinge (19) gezündet werden.
In dieser Streckstellung bewegen sich die Elektrode (5)
bzw. das Joch (7) und die Nachsetzeinrichtung (10)
bzw. der Stützteller
(21) nicht mehr nach unten und stehen still. Dieser Stillstand
kann erfasst und zur Zündauslösung herangezogen
werden. Je nach Schaltverzögerung
und gewünschter
Zündgenauigkeit
kann es sinnvoll sein, über
eine Vergleichsauswertung der Vorschubbewegungen von Elektrode (5)
bzw. Nachsetzeinrichtung (10) einen Schaltzeitpunkt vor
Erreichen der Streckstellung festzustellen und zu definieren. Desgleichen
kann über
den Drehgeber (24) die Winkelstellung z. B. der Kurbelwelle
(17) erfasst und mit einem Winkelvorhalt die Impulszündung eingeleitet
werden. Über
die Messeinrichtung (22) kann der Zündimpuls außerdem zu einen beliebigen
anderen Zeitpunkt vor oder nach der Streckstellung erfolgen. Im
Winkelbereich beidseits der Streckstellung ändert sich außerdem durch
die Kurbellänge
der Vorschub nur in einem sehr geringen Maß, so dass der Kurbelantrieb
(12) ohnehin eine hohe Winkeltoleranz bezüglich der
Impulszündung
hat.
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Wenn
keine hohe Genauigkeit gefordert wird, kann u. U. auf eine Messeinrichtung
(22) verzichtet werden. In diesem Fall wird z. B. von einer konstanten
Kurbeldrehung ausgegangen und einmalig der Zündzeitpunkt auf eine bestimmte
Drehstellung eingestellt, wobei sich die Folgezündungen mit einem dem konstanten
Kurbeltakt entsprechenden zeitlichen Abstand wiederholen.
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Eine
Anpassung des Kurbelantriebs (12) an unterschiedliche Einsatzerfordernisse
ist in unterschiedlicher Weise möglich.
Z. B. kann zur Änderung der
Hublänge
bzw. des Exzenterhubs die Kurbelschwinge (19) bzw. der
Stößel (20)
und/oder der Exzenter (18) getauscht werden. Auch die Drehgeschwindigkeit
des Motors (13) und der Takt lassen sich durch eine entsprechende
Ansteuerung ändern.
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Abwandlungen
der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise
möglich.
Zum einen kann der Kurbelantrieb (12) in anderer Weise
ausgebildet sein. Er kann insbesondere eine andere Anordnung und
Ausbildung der Kurbelschwinge (19) haben. Die Kurbelschwinge kann
alternativ mehrteilig sein oder liegend angeordnet sein. Die gestreckte
Anordnung hat allerdings den Vorteil einer hohen Kraftaufnahme und – abstützung.
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Ferner
kann die Kurbelschwinge in anderer Weise mit einem Exzenter oder
einer anderen Kurbelscheibe verbunden oder angelenkt sein. Variabel ist
auch die Anordnung und Ausbildung der Messeinrichtung (22)
und ihrer Messinstrumente. Insbesondere können der Weggeber (23)
und der Drehgeber (24) in beliebig geeigneter Weise ausgebildet
und angeordnet sein. Variabel ist auch die Ausgestaltung der anderen
Komponenten der CD-Schweißeinrichtung
(1), insbesondere der CD- Schweißstromquelle (2) und
ihrer Steuerung.
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- 1
- CD-Schweißeinrichtung
- 2
- CD-Schweißstromquelle
- 3
- Steuerung
- 4
- Stromzuführung
- 5
- Elektrode,
bewegte Elektrode
- 6
- Elektrode,
Gegenelektrode
- 7
- Elektrodenträger, Joch
- 8
- Trägerführung
- 9
- Kugelumlaufführung
- 10
- Nachsetzeinrichtung
- 11
- Vorschubeinrichtung
- 12
- Kurbelantrieb
- 13
- Motor
- 14
- Getriebe
- 15
- Abtriebsachse
- 16
- Kurbelgetriebe
- 17
- Kurbelwelle
- 18
- Exzenter
- 19
- Kurbelschwinge
- 20
- Stößel, Treibstange
- 21
- Stützteller
- 22
- Messeinrichtung
- 23
- Wegmesser
- 24
- Drehgeber
- 25
- Gehäuse
- 26
- Schutzabdeckung
- 27
- Zuführeinrichtung
- 28
- Werkstück