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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fixierung
der Schweißposition
einer Schweißzange,
die z.B. zum roboterbetriebenen Schweißen von Automobilkarosserien
benutzt werden kann.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung für einen
Schweißroboter.
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Beim
Betrieb von Schweißzangen,
insbesondere von Schweißzangen
an Robotern kommt es sehr leicht zu Ungenauigkeiten bei der Einnahme
der gewünschten
Schweißposition.
Um dieses Ungenauigkeiten bei der Positionierung von Schweißzangen zu
kompensieren, ist es üblich
kurz vor Erreichen der Schweißposition
die starre Kopplung zwischen Schweißzange und Roboterarm aufzuheben,
damit die Schweißzange
die gewünschte
Schweißposition einnehmen
kann. Nach Einnahme der gewünschten Schweißposition
wird die starre Kopplung zwischen Schweißzange und Roboterarm wieder
hergestellt.
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Es
ist Stand der Technik diese Fixierung zwischen Schweißzange und
Roboterarm durch zusätzliche
pneumatische, hydraulische oder elektromotorische Antriebe zu erreichen.
Diese zusätzlichen
Antriebe benötigen
aber zusätzliche
Versorgungsmedien, wie Druckluft, Druckwasser oder elektrischen Strom.
Außerdem
benötigen
solche zusätzlichen
Antriebe zusätzliche
Steuereinheiten.
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Aus
der
DE 198 01 652
A1 ist ein Zangenkörper
bekannt, der eine Ausgleichsvorrichtung aufweist, der eine Relativbewegung
zwischen dem Roboter und den Pinolen in Bewegungsrichtung der bewegbaren
Pinolen ermöglicht
und die blockierbar ist. Beim Schweißvorgang sind dabei die Pinolen
vom Roboter entkoppelt. Vorhandene Lage oder Formtoleranzen der
zu verschweißenden Bauteile
werden ausgeglichen und ein Verformen der Formteile beim Schließen der
Pinolen verhindert.
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Aus
der
EP 696 07 266
T2 ist eine motorbetätigte
Widerstands-Punktschweißzange bekannt, die
mittels eines Elektromotors und einem Untersetzungsgetriebe Zangenarme
anstelle von Luftzylindern und Kugelschrauben betätigt. Das
Motordrehmoment wird in eine Kraft umgewandelt, durch die die Zangenarme
bewegt werden und eine Schweißkraft
ausgeübt
wird, ohne dass die Drehung des Motors in eine gradlinige Bewegung
umgewandelt werden muss.
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- – zwei Schweißzangenschenkel,
mit jeweils einer Elektrode, jeweils einem ersten Schenkelelement, einem
zweiten Schenkelelement und einem Anlenkhebel, sowie jeweils einem
Verbindungselement zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkelelement,
wobei die Verbindungselemente an einem gemeinsamen ortsfesten Bezugspunkt
drehbar angeordnet sind und wobei die Anlenkhebel derart miteinander
durch eine mechanische Kopplung gekoppelt sind, dass jeder Schweißzangenschenkel über die
Kopplung eine Bewegung ausführt,
und
- – Mittel
zum Antrieb der Kopplung vorhanden sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Fixierung der Schweißposition
einer Schweißzange,
insbesondere zur Verwendung an einem Schweißroboter zur Verfügung zu
stellen, das keine zusätzlichen
Antriebe benötigt.
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe für ein
Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein großes Problem bei der Positionierung von
Schweißzangen,
insbesondere Roboterschweißzangen
liegt darin, dass dabei sehr leicht Ungenauigkeiten auftreten, die
kompensiert werden müssen. Eine
Möglichkeit
für diese
Kompensierung der Positionierungsungenauigkeit liegt darin, die
starre Kopplung zwischen den Armen der Schweißzange und dem Roboterarm bei
Schließen
kurz vor Erreichen der Schweißposition
soweit aufzuheben, dass sich die Zange beim weiteren Schließen sozusagen
ihren Arbeitspunkt selbst suchen kann. Kurz nach dem Öffnen wird
diese starre Kopplung zwischen den Armen der Schweißzange und
dem Roboterarm durch einen zusätzlichen
Antrieb, der die Zange wieder in die feste Endlage bewegt und dort
fixiert, erneut wieder hergestellt. Der Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass für
diese Fixierung kein zusätzlicher
Antrieb (üblicherweise
werden hierfür
pneumatische, Hydraulische oder elektromotorische Antriebe verwendet)
nötig ist.
Bei der Erfindung wird die Fixierung durch einen mechanischen Sperrhebel
erreicht, der über
einen Haltemagneten beeinflussbar ist, d.h. der Haltemagnet gibt
den Sperrhebel frei (zur Fixierung) oder er gibt ihn nicht frei
(während
der Bewegung). Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass neben den
zusätzlichen
Antrieben auch keine zusätzlichen
Versorgungsmedien (Druckluft, Druckwasser, elektrischer Strom) bzw.
zusätzliche
Steuerungseinheiten benötigt
werden.
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Eine
erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
der Sperrhebel bei jedem Öffnungsvorgang
der Schweißzange
gegen den Haltemagneten gedrückt
wird. Beim Öffnen
der Schweißzange
wird der Sperrhebel durch mechanische, an der Schweißzange vorhandene,
Mittel gegen den Haltemagneten gedrückt, der ihn festhält bis zur
nächsten
Fixierung der Schweißzange.
Dieses Zurückdrücken des
Sperrhebels erfolgt somit automatisch beim Öffnen der Schweißzange,
ohne dass zusätzliche
Einrichtungen dafür
erforderlich sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Schweißzangenschenkel
symmetrisch betätigt
werden. Dadurch ist es leichter die Elektroden am Arbeitspunkt zu
positionieren. Außerdem
können
höhere
Kräfte
beim Zusammenpressen erzeugt werden. Weiterhin bewirken symmetrische
Bewegungen günstige
Eigenschaften auf den zu verrichtenden Schweißvorgang.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einer
Vorrichtung zu Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Durch eine geeignete Schweißvorrichtung
kann die erfindungsgemäße Schweißzange sehr
leicht im industriellen Umfeld eingesetzt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Schweißzange
ein Steuerprogramm aufweist, welches den Haltemagneten an- oder
abschaltet. Dadurch wird die Flexibilität für den Betrieb der Schweißzange erhöht und das erfindungsgemäße Verfahren
kann flexibler eingesetzt werden, da durch einen Bediener Parametrierungen
und Einstellungen vorgenommen werden können.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Schweißzangenschenkel
folgende Merkmale aufweisen:
- – jeweils
eine Elektrode,
- – jeweils
ein erstes Schenkelelement, ein zweites Schenkelelement und einen
Anlenkhebel, sowie
- – jeweils
ein Verbindungselement zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkelelement,
wobei die Verbindungselemente an einem gemeinsamen ortsfesten Bezugspunkt
drehbar angeordnet sind und wobei die Anlenkhebel derart miteinander
durch eine mechanische Kopplung gekoppelt sind, dass jeder Schweißzangenschenkel über die
Kopplung eine Bewegung ausführt.
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Durch
die Verwendung einer Kombination von Hebel und Kopplung (Getriebe)
wird eine direkte Steuerung von Kraft und Ge schwindigkeitsverlauf der
Schweißzangenschenkel
ermöglicht.
Dadurch können
anwendungsfallspezifisch angepasste Prozesskräfte erzeugt werden (z.B. hohe
Geschwindigkeit beim Schließen,
aber hohe Kräfte
beim Zusammenpressen). Die Länge
der Verbindungselemente kann statisch oder dynamisch (im Betrieb)
verändert werden.
Dadurch kann sehr leicht die Öffnung
der Schweißzange
am Arbeitspunkt variiert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft die
Elektroden so auszugestalten, dass sie nachführbar sind. Aufwendige Umrüstarbeiten
werden dadurch vermieden. Es ist auch vorstellbar, dass Sensoren
zur Kraftmessung (z.B. Dehnungsmessstreifen) oder Mittel zur Schweißkraftbegrenzung
(z.B. elastische Federelemente) an den Schweißzangenschenkeln angebracht
sind. Insbesondere bei der Verwendung von Exzentergetrieben sind
Mittel zur Schweißkraftbegrenzung
sehr vorteilhaft. Denn im gestreckten Zustand des Exzenters kommt
es zu einem „Unendlichkeitspunkt
im Kraftverlauf".
In dieser Stellung können
sehr leicht die Schweißzange
selbst bzw. das zu schweißende
Material beschädigt
oder sogar zerstört
werden. Durch die Verwendung von Mitteln zur Schweißkraftbegrenzung
wird sichergestellt, dass der Kraftverlauf in dieser „Unendlichkeitsstelle" abgepuffert wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Kopplung als Umlaufgetriebe oder als Exzentergetriebe oder als
Hebelgetriebe ausgebildet ist. Durch die flexible Wahl eines geeigneten
Getriebes lassen sich jeweils bedarfsgerechte Kraft/Weg-Verläufe erreichen.
Es ist auch möglich
zwei oder mehrere Getriebe (auch unterschiedliche Typen) zu koppeln.
Dadurch können
jeweils angepasste Kraftverläufe
erreicht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
mindestens ein Anlenkhebel durch ein weiteres Verbindungselement
mit der Kopplung verbunden ist. Dadurch ist der Kraftfluss in der
Schweißzange
feiner justierbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Verwendung
der Vorrichtung für einen
Schweißroboter.
Diese Ausgestaltung ist für unterschiedliche
Robotertypen geeignet, insbesondere für punktgesteuerte oder bahngesteuerte
(z.B. beim Schmelzschweißen)
Roboter.
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Weitere
Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der nun folgenden
Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele
und in Verbindung mit den Figuren. Soweit in unterschiedlichen Figuren
Elemente mit gleichen Funktionalitäten beschrieben sind, sind
diese mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es
zeigen:
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1 eine Schweißzange mit
einer Halterung,
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2 eine schematische Darstellung
einer Schweißzange
mit Antriebs- und Kopplungselementen,
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3 eine Darstellung einer
weiteren Schweißzange,
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4 eine schematische Darstellung
einer Schweißzange
für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Darstellung nach 1 zeigt
eine Schweißzange
mit einer Halterung 10. Die Schweißzange enthält Elektroden 1, die
Schweißvorgang
am Arbeitspunkt 7 zusammengebracht werden. Es ist möglich, die
Elektroden und die entsprechende Halterung dazu so auszubilden,
dass die Elektroden nachführbar
sind, dadurch können
aufwändige
Umrüstzeiten
vermieden werden. Weiterhin enthält
die Schweißzange
erste Schenkelelemente 2 und zweite Schenkelelemente 3,
die durch Verbindungselemente 5 jeweils voneinander getrennt
sind. Die Verbindungselemente 5 sind im Bezugspunkt 6 durch
ein Scharnier miteinander verbunden und drehbar angeordnet. In der
Darstellung gemäß 1 ist die Halterung 10 über einen
Steg mit der Schweißzange
verbunden. Auf Höhe
des Bezugspunktes 6 ist dieser Steg am unteren Verbindungselement 5 angebracht. Mit
Hilfe der Halterung 10 kann die Schweißzange an entsprechenden Vorrichtungen
oder an Robotern angebracht werden. Vorteilhafterweise ist die Halterung 10 so
ausgestaltet, dass sie auch entsprechende Antriebe und Verkabelungen
für die
Schweißzange
mit aufnehmen kann.
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Jeweils
an den zweiten Schenkelelementen 3 sind Anlenkhebel 4 angebracht.
Die Anlenkhebel jeweils an ihrem Ende durch eine mechanische Kopplung
so miteinander gekoppelt werden, dass jeder Schweißzangenschenkel
eine Bewegung ausführt.
Bei entsprechender Ausgestaltung der Koppelung können symmetrische Bewegungen
der Schweißzangenschenkel
erreicht werden. Symmetrische Bewegungen geben günstige Eigenschaften auf den
zu verrichtenden Schweißvorgang.
Die Koppelung kann sehr geschickt als ein Getriebe ausgebildet werden.
Als Antrieb dieses Getriebes eignet sich z.B. ein Elektromotor.
Mögliche
Getriebetypen können
Umlaufgetriebe (Stirnrad, Kegelrad, Gewindetrieb oder Schneckengetriebe)
sein oder auch Hebelgetriebe. Auch ist eine Kombination aus beiden
Typen denkbar.
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Der
Arbeitspunkt 7 kann durch Variation der Schenkelelemente
(erstes und zweites), der Verbindungselemente oder der Anlenkhebel
sehr leicht geändert
werden. Dadurch kann die Positionierung des Arbeitspunktes z.B.
in einer Schweißstraße den jeweiligen
Bedürfnissen
sehr einfach angepasst werden. Diese Verstellungen können mechanisch
durch Justage, aber ebenso auch elektromotorisch, d.h. dynamisch,
im Betrieb erfolgen. Durch die Verwendung einer kombinierten Getriebe-/Hebellösung ergeben sich
folgende Vorteile: direkte Steuerungsmöglichkeit von Kraft und Geschwindigkeitsverlauf
der Schweißzangenschenkel
und eine jeweils dem Anwendungsfall angepasste Erzeugung der Prozesskräfte, z.B. hohe
Geschwindigkeit beim Schließen,
aber hohe Kräfte
beim Zusammenpressen. Außerdem
ermöglicht
die Verwendung elektrischer Antriebe eine dezentrale Steue rung der
Schweißzange.
Durch die Kombination aus elektrischem Servoantrieb mit Getriebe
(Hebel- oder Exzentergetriebe) wird ein bedarfsgerechter Kraft-/Weg-Verlauf
erreicht. Die dargestellte Schweißzange kann besonders zum Schweißen von
Automobilkarosserien eingesetzt werden.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt eine schematische
Darstellung der Schweißzange
mit Antriebs- und Kopplungselementen. Es sind die Elektroden 1 dargestellt,
die im Arbeitspunkt 7 für
den Schweißvorgang
zusammengebracht werden müssen.
Die Elektroden 1 sind jeweils am ersten Schenkelelement 2 befestigt.
An ein erstes Schenkelelement 2 schließt sich jeweils ein zweites
Schenkelelement 3 an. An der Nahtstelle zwischen dem ersten Schenkelelement 2 und
dem zweiten Schenkelelement 3 befindet sich jeweils ein
Verbindungselement 5. Die Verbindungselemente 5 sind
im Bezugspunkt 6 drehbar miteinander verbunden. An den
zweiten Schenkelelementen 3 sind jeweils Anlenkhebel 4 angebracht,
die über
eine Kopplung miteinander verbunden sind. So eine Kopplung kann
z.B. ein Exzentergetriebe sein. In der Darstellung gemäß 2 ist dargestellt, dass
ein Elektromotor 9 die Kopplung, d.h. das Getriebe, antreibt.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt eine Schweißzange mit
einem mechanisch verformbaren Element 11, sowie einem Sensor 12 im
Kraftfluss. In 3 ist
das mechanisch verformbare Element als Federelement 11 ausgebildet
und an einem weiteren Verbindungselement 13 angebracht,
das den Anlenkhebel 4 mit der Kopplung 8 verbindet.
Mechanisch verformbare Elemente können aber auch an anderen bzw.
an weiteren Elementen einer Schweißzange angebracht sein, z.B.
an den Schenkelelementen 2 und 3, an den Anlenkhebeln 4,
an den Verbindungselementen 5 oder auch an den Elektroden 1.
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In 3 ist der Anlenkhebel 4 über ein
weiteres Verbindungselement 13 mit der Kopplung 8 verbunden.
Es ist aber auch möglich,
dass der Anlenkhebel 4 direkt mit der Kopplung 8 verbunden
ist. In 3 ist die Kopplung 8 als
Exzentergetriebe ausgebildet. Bei Exzentergetrieben treten in der
Nähe der „Null Grad
Stellung" des Exzenters
theoretisch unendlich große
Kräfte
auf die Zangenschenkel auf. Diese können zu Beschädigungen
oder Zerstörungen
des zu schweißenden
Materials oder der Schweißzange
selbst führen.
Da die Bewegung der Schweißelektroden 1 in
der Nähe
der „Null
Grad Stellung" ohnehin
recht gering ist, wird ein Federelement nur sehr kleine Wege machen.
Dies bedeutet wiederum, dass die Schweißkraft sich durch die Kontraktion des
Federelements nur sehr wenig ändert,
was hier gewünscht
ist. Durch das Federelement wird nämlich sichergestellt, dass
sich die Schweißkraft
immer in einem gewünschten
Bereich bewegt und so die Unendlichkeitsstelle im Kraftverlauf abgepuffert
wird.
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In
der „Null
Grad Stellung" eines
Exzentergetriebes treten Übersetzungsverhältnisse
für die
Kraft und den Weg auf, die es unmöglich machen, eine lineare
Zuordnung zwischen Schweißkraft
und Motorstrom zu treffen. Die Schweißkraft kann somit nicht direkt über den
Motorstrom geregelt werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, indem
im Kraftfluss ein Sensor 12 (z.B. ein Dehnungsmesssteifen)
oder ein anderer Kraftmesser angebracht wird, mit dem die aufgebrachte
Schweißkraft
gemessen wird. Dies ermöglicht
die direkte Regelbarkeit über
den Verdrehwinkel des Motors oder indirekt über den Motorstrom.
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Diese
Art der Schweißkraftreduzierung
oder Schweißkraftregelung
ist nicht auf Exzentergetriebe beschränkt. Sie kann auch für Umlauf
oder Hebelgetriebe eingesetzt werden.
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Die
Sensoren 12 können
auch an anderen bzw, an weiteren Elementen einer Schweißzange angebracht
sein, z.B. an den Schenkelelementen 2 und 3, an
den Anlenkhebeln 4, an den Verbindungselementen 5 oder
auch an den Elektroden 1.
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Durch
die beschriebene Schweißkraftregelung
wird die Schweißqualität erhöht.
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Die
Darstellung gemäß 4 eine schematische Darstellung
einer Schweißzange
für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Auch die Schweißzange
nach 4 besitzt Schweißelektroden 1,
die für
den Schweißvorgang
am Arbeitspunkt 7 positioniert werden. Weiterhin enthält die Schweißzange erste
Schenkelelemente 2 und zweite Schenkelelemente 3,
die durch Verbindungselemente 5 jeweils voneinander getrennt
sind. Die Verbindungselemente 5 sind im Bezugspunkt 6 durch
ein Scharnier miteinander verbunden und drehbar angeordnet. In der
Darstellung gemäß 4 ist schematisch dargestellt,
dass die Schweißzange
an einer Haltevorrichtung 16 angebracht ist. Mit Hilfe
der Haltevorrichtung 16 kann die Schweißzange an entsprechenden Vorrichtungen
oder an Robotern angebracht werden. Vorteilhafterweise ist die Haltevorrichtung 16 so
ausgestaltet, dass sie auch entsprechende Antriebe 9 und
Verkabelungen für
die Schweißzange
mit aufnehmen kann.
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Der
Antrieb 9 (z.B. ein Servo-Hauptantrieb) betreibt eine Kopplung 8 (in 4 schematisch dargestellt
durch eine Spindel) zur Erzeugung der Zangenbewegung. Die Kopplung
bzw. die Spindel 8 gibt kurz vor Erreichen der Schweißposition
einen Sperrhebel 14 frei, so dass sich die Zange frei bewegen kann,
sofern ein Steuerprogramm den Haltemagneten 15 abgeschaltet
hat. Zu Beginn eines Öffnungsvorgangs
drückt
die Zange den Sperrhebel 14 gegen den Haltemagneten 15.
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Bei
der Positionierung (Anfahren des Arbeitspunktes) von Schweißzangen,
insbesondere Roboterschweißzangen
können
sehr leicht Ungenauigkeiten auftreten, die kompensiert werden müssen. Eine
Möglichkeit
für diese
Kompensierung der Positionierungsungenauigkeit liegt darin, die
starre Kopplung zwischen den Armen der Schweißzange und dem Roboterarm bei
Schließen
kurz vor Erreichen der Schweißposition
(Arbeitspunkt 7) soweit aufzuheben, dass sich die Zange
beim weiteren Schließen sozusagen
ihren Arbeitspunkt 7 selbst suchen kann. Kurz nach dem Öffnen wird
diese starre Kopplung zwischen den Armen der Schweißzange und
dem Roboterarm durch einen zusätzlichen
Antrieb, der die Zange wieder in die feste Endlage bewegt und dort
fixiert, erneut wieder hergestellt. Der Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass für
diese Fixierung kein zusätzlicher
Antrieb (üblicherweise
werden hierfür
pneumatische, Hydraulische oder elektromotorische Antriebe verwendet)
nötig ist.
Bei der Erfindung wird die Fixierung durch einen mechanischen Sperrhebel 14 erreicht,
der über einen
Haltemagneten 15 beeinflussbar ist, d.h. der Haltemagnet 15 gibt
den Sperrhebel 14 frei (zur Fixierung) oder er gibt ihn
nicht frei (während
der Bewegung). Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass neben den
zusätzlichen
Antrieben auch keine zusätzlichen Versorgungsmedien
(Druckluft, Druckwasser, elektrischer Strom) bzw. zusätzliche
Steuerungseinheiten benötigt
werden.