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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Falzen eines Werkstücks, umfassend
folgende Schritte: Bereitstellen einer Falzrolle, die einen ersten
Pfad entlang eines Randabschnitts des Werkstücks definiert, und Aufzeichnen
dieses Pfades mit einem Computermittel eines Bewegungsvorrichtungsmittels;
Anlegen einer federnden Druckkraft an die Falzrolle durch das Bewegungsvorrichtungsmittel,
um die Falzrolle entlang dem Randabschnitt des Werkstücks gegen
das Werkstück
zu bewegen; und Definieren eines zweiten Pfades entlang einer Umfangslinie
auf der Falzrolle.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Falzen eines
Werkstücks,
umfassend eine Falzrolle, ein Computermittel zum Definieren und
Aufzeichnen eines ersten Pfades entlang eines Randabschnitts des
Werkstücks
und eines zweiten Pfades entlang einer Umfangslinie auf der Falzrolle, und
ein Bewegungsvorrichtungsmittel zum Bewegen der Falzrolle gegen
den Randabschnitt des Werkstücks.
und zum Anlegen einer federnden Druckkraft an die Falzwalze.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Beim
Zusammenfügen
zweier Blechteile in Anwendungen, die hohe Anforderungen an die
Oberflächengüte stellen,
wird oft Falzen oder Rollenfalzen als eine überlegene Alternative zum Schweißen eingesetzt.
Beim Rollenfalzen wird so vorgegangen, dass eines der Werkstücke einen
Randabschnitt erhält,
der über
das andere Werkstück
hinaus vorsteht, wobei der Randabschnitt nach innen über das
andere Werkstück
gefalzt wird und so dagegen gedrängt wird,
dass der Rand des anderen Werkstücks
zwischen dem ersten Werkstück
und seinem übergefalzten
Randabschnitt aufgenommen ist. Während
dieses Arbeitstaktes ruhen die Werkstücke auf einem Bett und sind
in ihrer Position relativ zu dem Bett fixiert, das dadurch die Form
der fertigen Falzung definiert.
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Für das oben
erwähnte Überfalzen
des Randabschnitts des ersten Werkstücks wird eine Rolle verwendet,
die in Längsrichtung
des Randabschnitts verschoben wird. Vor dem Falzvorgang steht der
Randabschnitt des ersten Werkstücks ungefähr im rechten
Winkel oder wenigstens in Querrichtung relativ zu der Ebene des
Abschnitts des Werkstücks,
der auf der Innenseite des Randabschnitts liegt, hinaus. Die Rolle
wird dann im Allgemeinen in drei verschiedenen Schritten dergestalt
entlang des Randabschnitts bewegt, dass dieser in einem ersten Falzschritt
um ungefähr
30° gebogen wird
und in einem zweiten Falzschritt um noch einmal ungefähr 30° gebogen wird.
Der anschließende
und letzte Falzschritt ist der entscheidende Schritt, bei dem über die
Oberflächengüte des Werkstücks entschieden
wird.
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Die
beiden ersten Falzschritte können
ohne große
Anforderungen an die Präzision
der Positionen zwischen der Falzrolle und dem Randabschnitt des Werkstücks relativ
zueinander ausgeführt
werden. Dies gilt auch für
die Druckkraft, die zwischen der Falzrolle und dem Randabschnitt
wirkt.
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Beim
letzten Schritt des Falzvorgangs hingegen werden extrem hohe Anforderungen
an die Präzision
der Bewegung gestellt, wie auch an eine gewisse Elastizität der Rolle.
Außerdem
muss die Druckkraft von der Rolle auf den Randabschnitt, der auf
dem Bett ruht, oft entlang der Länge
des Randabschnitts variieren, dergestalt, dass beispielsweise in
einer eng gebogenen "Eckregion" des Werkstücks die
Druckkraft verringert werden muss, weil der Randabschnitt in einer
solchen Kurvenregion deutlich schmaler sein muss.
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EP 577 876 zeigt in den
7 und
8 bzw.
9 und
10 Vorrichtungen
zum Rollenfalzen. Diesen beiden Ausführungsformen ist gemeinsam,
dass ein Industrieroboter einen Effektor oder Falzkopf mit zwei Hauptkomponenten
trägt,
wobei die eine Hauptkomponente mit dem Industrieroboter verbunden
ist, während
die andere Hauptkomponente relativ zu der ersten Hauptkomponente
zu dem Werkstück
hin und von dem Werkstück
weg bewegt werden kann. Die Konstruktion enthält eine Servovorrichtung, mit
deren Hilfe die gegenseitige Position der beiden Hauptkomponenten gesteuert
werden kann, um auf diese Weise eine federnde Kraft, mit der die
Falzrolle am Werkstück
anliegt, zu variieren oder zu realisieren.
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Man
darf befürchten,
dass die beschriebenen Ausführungsformen
aufgrund der beweglichen Verbindung zwischen den Hauptkomponenten
im Falzkopf mit erheblichen Schwächen
hinsichtlich der Präzision
der Anliegekraft der Falzrolle und ihres Bewegungspfades behaftet
sind. Außerdem
ist der Falzkopf natürlich
extrem kompliziert und teuer.
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Weitere
Nachteile bei der Technologie des Standes der Technik liegen in
der Tatsache, dass die Vorrichtung im Prinzip zwei verschiedene
Bewegungsmechanismen umfasst: einen zum Verschieben des Falzkopfes
und einen zum Verschieben der Falzrolle im Falzkopf. Das bedeutet,
dass es zwei Präzisionsfehlerquellen
gibt, nämlich
sowohl hinsichtlich der Druckkraft als auch der Genauigkeit des Bewegungspfades
der Rolle.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausgestaltung
des einleitend angesprochenen Verfahrens in einer solchen Weise,
dass die Nachteile, die den Verfahren und Vorrichtungen des Standes
der Technik anhaften, beseitigt werden. Insbesondere besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zu realisieren,
das ohne komplizierte und teure Spezialausrüstung auf die Praxis übertragen
werden kann. Des Weiteren besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, ein Verfahren zu realisieren, das im Vergleich zum Stand
der Technik eine höhere
Präzision
bietet.
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LÖSUNG
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Die
Aufgabe, welche die Grundlage der vorliegenden Erfindung bildet,
wird erreicht, wenn das einleitend angesprochene Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass das Verfahren des Weiteren folgende Schritte
umfasst: Erfassen der federnden Druckkraft durch ein Sensormittel;
Erzeugen eines Ausgangssignals von dem Sensormittel in Reaktion auf
die erfasste federnde Druckkraft; und Zuführen des Ausgangssignals zu
dem Bewegungsvorrichtungsmittel, um den ersten und den zweiten Pfad
in einer zuvor festgelegten Beziehung zueinander zu halten.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung wird die Aufgabe erreicht, wenn die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie des Weiteren Folgendes umfasst:
ein Sensormittel zum Erfassen der federnden Druckkraft und zum Erzeugen
eines Ausgangssignals in Reaktion auf die erfasste federnde Druckkraft;
und wobei das Bewegungsvorrichtungsmittel Eingangsmittel für das Ausgangssignal
enthält,
um den ersten Pfad und den zweiten Pfad in einer zuvor festgelegten
Beziehung zueinander zu halten.
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Als
Ergebnis dieses Merkmals werden Vorteile vor allem hinsichtlich
der Einfachheit der Ausrüstung
erzielt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
BEGLEITENDEN ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im weiteren eingehender und speziell
unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines an einem Industrieroboter angebrachten
Falzkopfes, der dafür
vorgesehen ist, das Verfahren in der Praxis auszuführen.
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2 ist
ein teilweiser Schnitt durch ein Werkstück, das Bett, auf dem das Werkstück ruht, und
eine Falzrolle.
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3 zeigt
einen unteren Abschnitt eines modifizierten Falzkopfes, in Richtung
des Pfeils C aus 1 betrachtet.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung wird im Weiteren beispielhaft anhand einer
Realisierung mittels eines Industrieroboters beschrieben. Aber sie
kann natürlich
auch mittels eines beliebigen anderen Typs einer Bewegungsvorrichtung
oder eines Manipulators realisiert werden, der mit einem Steuerungssystem
ausgestattet ist und das erforderliche relative Bewegungsmuster
zwischen einem Werkstück
und einer Falzrolle umsetzen kann. Der Begriff "Bewegungsvorrichtung" ist darum so weit gefasst, dass er
auch eine Vorrichtung beinhaltet, die ein Werkstück relativ zu einer fest angebrachten
Falzrolle verschiebt, oder Vorrichtungen, bei denen sich sowohl
das Werkstück als
auch die Falzrolle bewegen.
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In 1 deuten
Strichlinien eine Bewegungsvorrichtung oder einen Manipulator 1 an,
der in einem Industrieroboter enthalten ist, wobei der Manipulator
derjenige Teil des Industrieroboters ist, der entlang extrem komplizierter
Bewegungspfade bewegt werden kann und der dazu dient, solche Effektoren
oder Ausrüstungen,
die der Roboter handhaben soll, zu halten. Die Bezugszahlen 2 und 3 bezeichnen
ein erstes und ein zweites Stützelement, wobei
das erste oder obere Stützelement 2 indem Manipulator 1 des
Roboters mittels geeigneter Schnellkupplungsvorrichtungen oder Schraubverbindungen
gehalten wird. Das zweite oder untere Stützelement 3 stützt auf
jeder Seite eine Falzrolle 4, die relativ zu dem zweiten
Stützelement
drehbar gelagert ist und sich um eine gemeinsame Achse 5 dreht.
Die Falzrollen 4 dienen dazu, einen an dem Werkstück 12 befindlichen
Randabschnitt 10, der auf einem Bett 13 (2)
ruht und der gefalzt werden soll, zu berühren und gegen diesen Randabschnitt
zu drücken. Das
heißt,
die Falzrolle soll sich entlang eines Falzpfades bewegen.
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Das
zweite Stützelement 3 kann
relativ zu dem ersten Stützelement 2 bewegt
werden und kann insbesondere relativ dazu um eine zweite Achse 6 geschwenkt
werden, die um eine Entfernung von der ersten Achse 5 und
der Verankerung des ersten Stützelements 2 in
dem Manipulator 1 beabstandet angeordnet ist. Das bedeutet,
dass das zweite Stützelement 3 eine
pendelnde Schwenkbewegung um die zweite Achse 6 herum ausführen kann,
wodurch die Falzwalze 4 veranlasst werden kann, sich zu
dem Randabschnitt 10 des Werkstücks hin und von dem Randabschnitt 10 des
Werkstücks
fort zu bewegen.
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Die
Schwenkbarkeit des zweiten Stützelements 3 relativ
zu dem ersten Stützelement 2 wird dadurch
erreicht, dass das zweite Stützelement
zwischen zwei Laschen aufgenommen ist, von denen in der Figur nur
die Lasche 9 gezeigt ist. Eine Lagerwelle 11 verläuft durch
die beiden Laschen hindurch und definiert die zweite Schwenkachse 6.
Der Bewegungsbereich des zweiten Stützelements 3 ist durch das
Vorhandensein eines Verriegelungsstiftes 14 beschränkt, der
sich durch beide Laschen und durch eine bogenförmig gekrümmte Ausnehmung in dem zweiten
Element 3 hindurch erstreckt.
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Zwischen
den beiden Stützelementen
ist ein Gummibalg 15 angeordnet, der einen Lufteinlass 16 aufweist.
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Durch
das Einleiten von Druckluft in den Balg kann der Balg die Funktion
einer Federung ausüben, wodurch
die Falzrolle 4 federnd gegen das Werkstück 12 gedrängt werden
kann.
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Der
Druck in dem Balg 15 kann aber auch so weit erhöht werden,
dass das zweite Stützelement 3 fest
gegen den Verriegelungsstift 14 drückt und in dieser Position
verriegelt ist. In diesem Zustand ist die Falzrolle 4 starr
mit dem Manipulator 1 des Industrieroboters verbunden und
folgt somit exakt dessen Bewegungen.
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Aus
dem oben Dargelegten ist zu erkennen, dass in jenen Betriebszuständen, in
denen der Balg einen so hohen Druck aufweist, dass es zu keiner
Bewegung zwischen der Falzrolle und dem Manipulator kommen kann,
die Falzrolle ebenso gut auch direkt mit dem Manipulator verbunden
sein kann, und zwar mittels eines vollkommen starren Verbindungsabschnitts 17 (2).
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Bei
der Herstellung des Werkstücks 2 wird eine
Linie entlang dem Randabschnitt 10 dokumentiert. Diese
Linie ist in 2 durch den Punkt 18 dargestellt.
Diese Linie entlang der Peripherie des Werkstücks 12 wird in Computerdateien
beschrieben, die an das Steuerungssystem in dem Industrieroboter übermittelt
werden. Infolge dessen weiß der
Roboter den Pfad, dem die Falzrolle 4 bei der Ausführung eines
Arbeitstaktes folgen muss.
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Um
die Falzrolle 4 in einer bestimmten Weise relativ zu der
Linie 18 zu positionieren, wird auf der Falzrolle eine
Umfangslinie 19 definiert, und diese Umfangslinie ist in 2 durch
den Punkt 19 angedeutet. Durch Verschieben der Umfangslinie 19 relativ
zu der Linie 18 in Reaktion auf die Materialabmessungen,
die Falzbreite usw., was unter Verwendung des Steuerungssystems
des Roboters ausgeführt wird,
kann die gewünschte
Position der Falzrolle und des Randabschnitts 10 relativ
zueinander entlang des gesamten Umfangs des Werkstücks hergestellt werden.
Die Falzrolle 4 kann somit veranlasst werden, dem gewünschten
Falzpfad entlang des Randabschnitts 10 zu folgen.
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Ein
weiteres Verfahren zum Informieren des Steuerungssystems des Industrieroboters über den gewünschten
Falzpfad könnte
darin bestehen, dass man eine spezielle schmalkantige Sensorrolle
entweder dem Randabschnitt 10 oder einem Abschnitt des Bettes 13 in
der Nähe
des Randabschnitts folgen und ihn abtasten lässt. Durch dieses Abtasten
können
Informationen an das Steuerungssystem des Industrieroboters hinsichtlich
des Pfades übermittelt
werden, dem die Falzrolle 4 anschließend während des Betriebes folgen
soll.
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Wenn
anschließend
ein Falzvorgang, und insbesondere seine abschließende Phase, ausgeführt werden
soll, so muss der Pfad der Falzrolle 4 relativ zu dem gewünschten
Pfad, der in den Roboter programmiert wurde, korrigiert werden,
wenn das Endergebnis das sein soll, was gewünscht ist. Zu diesen Korrekturen
gehören Änderungen
der Andruckkraft der Falzrolle gegen das Werkstück 12 entlang des
Falzpfades, Federbewegungen in der Falzrolle usw.
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Die
Federung, die der Roboter gemäß der vorliegenden
Erfindung realisiert, kann passiv oder aktiv sein.
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Die
passive Federung wird mittels eines Federelements erreicht, wie
beispielsweise einer Schraubenfeder, einer Torsionsfeder, eines
elastischen Gummielements, einer Gasfeder usw., und erfordert kein
Erfassen des Anliegens der Rolle 4 am Werkstück.
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Die
aktive Federung basiert auf dem Konzept, dass die Druckkraft der
Rolle 4 gegen das Werkstück mittels eines Sensors erfasst
werden kann. Eine Krafterzeugungsvorrichtung drängt dann die Rolle 4 in
Reaktion auf das Ausgangssignal vom Sensor mehr oder weniger kraftvoll
gegen das Werkstück 12,
so dass die Druckkraft der Rolle auf einem gewünschten Niveau gehalten wird.
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In 2 steht
der Randabschnitt 10 ungefähr im rechten Winkel vom Werkstück 12 ab,
und es ist festzustellen, dass ein zweites Werkstück, das
mit dem Werkstück 12 zusammengefalzt
werden soll, in der Figur weggelassen wurde.
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In
einem ersten Schritt eines Falztaktes wird der Randabschnitt 10 aus
der Position heraus, die in 2 mit durchgehenden
Linien veranschaulicht ist, gefalzt und wird – in diesem Fall – in einer
Größenordnung
von 30° nach
innen über
den größten Teil des
Werkstücks 12 in
eine Position gebogen, die durch die Strichlinie 20 angedeutet
ist. Die Anforderungen hinsichtlich der Präzision während dieses ersten Schrittes
des Falztaktes sind gering, so dass aus diesem Grund die Falzrolle 4 relativ
zu dem Manipulator 1 starr und unbeweglich gehalten werden kann.
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Eine
zweite Phase des Falztaktes wird ausgeführt, wenn der Randabschnitt
aus der Position heraus, die durch die Strichlinie 20 veranschaulicht ist,
in eine neue Position gefalzt wird, die ungefähr durch die Strichlinie 21 veranschaulicht
ist. Auch während
dieses zweiten Schrittes des Falztaktes sind die Anforderungen hinsichtlich
der Präzision
gering, sowohl was die relative Positionierung zwischen der Falzrolle
und dem Randabschnitt 10 anbelangt, als auch im Hinblick
auf den Anpressdruck der Falzrolle gegen den Randabschnitt. Folglich
kann auch während
dieses zweiten Schrittes die Falzrolle 4 relativ zu dem
Manipulator 1 starr und unbeweglich sein.
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Bei
einem Falzkopf gemäß Anspruch
1 bedeutet dies, dass die beiden oben beschriebenen Schritte des
Falzvorgangs mit einem solch hohen Druck in dem Balg 15 ausgeführt werden,
dass das untere Stützelement 3 in
seiner Position unveränderlich
ist, weil es durch den Balg 15 gegen den Verriegelungsstift 14 gedrängt wird.
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Für die Durchführung des
abschließenden Schrittes
eines Falztaktes, d. h. das Überfalzen
des Randabschnitts 10 aus der Position heraus, die mittels
der Strichlinie 21 angedeutet ist, in eine Position, die
ungefähr
parallel zu dem Hauptteil des Werkstücks 12 verläuft, und
so, dass der Randabschnitt 10 an dem (in 2 nicht
gezeigten) zweiten Werkstück anliegt,
sind die Anforderungen an Präzision,
Federung und Leistungssteuerung beachtlich.
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Beim
abschließenden
Schritt des Falztaktes, d. h. der abschließenden Falzung, wird die Falzrolle 4 mit
einer federnden Druckkraft gegen das Werkstück 12 in einem Pfad
entlang des Werkstücks
bewegt. Um die Ungenauigkeiten in dem Bewegungspfad auszugleichen,
zu denen es eventuell kommen kann, ist es wesentlich, dass die Falzrolle 4 in
eine Richtung zu dem Randabschnitt 10 hin und von dem Randabschnitt 10 weg
federn kann. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist diese Federungsfunktion in dem Industrieroboter realisiert.
In einem solchen Fall wird die Druckkraft der Falzrolle 4 gegen
den Randabschnitt 10 mittels eines Sensors erfasst, der in
dem Industrieroboter integriert oder enthalten ist. Das Ausgangssignal
von diesem Sensor wird dem Steuerungssystem in dem Industrieroboter
zugeleitet, so dass der Industrieroboter von selbst, mit seinen
eigenen Bewegungsvorrichtungen, die erforderliche Federung realisieren
kann.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist dieser Sensor, der zum Messen der Druckkraft der Falzrolle
gegen das Werkstück 12 verwendet
wird, einer oder mehrere der in dem Roboter enthaltenen Antriebsmotoren.
Dies ist möglich
durch das Erfassen des Stroms, der den Antriebsmotoren mit konstanter
Spannung zugeführt
wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein spezifischer Sensor verwendet,
der formschlüssig
zwischen der Falzrolle 4 und den Krafterzeugungsvorrichtungen
des Roboters, d. h. seinen Antriebsmotoren, angeordnet ist. Bei
einer Ausführungsform
ist dieser Sensor an der Kontaktstelle zwischen dem Falzkopf und
dem Manipulator 1 angeordnet.
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Bei
einer Ausführungsform
gemäß 1 kann
jedoch auch der Balg 15 als Sensor zum Ausgeben eines Signals
an das Steuerungssystem des Roboters verwendet werden, das auf diese
Weise die Antriebsmotoren des Roboters so steuert, dass die erforderliche
Federung erreicht wird. Wenn dem Balg ein so hoher Innendruck verliehen
wird, dass er im Prinzip nicht mehr als Feder fungiert, er aber
noch nicht das zweite Stützelement 3 in
die Stoppposition gegen den Verriegelungsstift 14 gedrängt hat,
und wenn sein Einlass 16 verschlossen ist, so kann der Innendruck
des Balges 15 erfasst und als Eingangssignal zum Steuerungssystem
des Roboters verwendet werden.
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3 zeigt
einen modifizierten Falzkopf, der so konstruiert ist, dass er wenigstens
während
des abschließenden
Falzens eine noch bessere Präzision
bietet. Der Falzkopf hat zusätzlich
zu der Falzrolle 4 eine Führungsrolle 22, die
so konstruiert ist, dass sie einer Führungsfläche 23 an dem Bett 13 folgt.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform
hat die Führungsrolle 22 eine
Drehachse 24, die in vertikaler Richtung des Falzkopfes
und ungefähr
parallel zu der Richtung verläuft,
in der sich die Falzrolle 4 bei ihren Federbewegungen während des
abschließenden Falzens
zu dem Werkstück
hin und von dem Werkstück
weg bewegt. Die veranschaulichte Ausrichtung der Führungsfläche 23 und
der Führungsrolle 22 bringt
es mit sich, dass die Falzrolle 4 extrem genau in seitlicher
Richtung des gerade hergestellten Falzes geführt wird.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 kann die
Führungsrolle 22 eine
Lauffläche
haben, die mit einer Beschichtung aus einem elastisch nachgiebigem
Material überzogen
ist, wie beispielsweise einem Kunststoff oder Gummimaterial. Alternativ
kann solches Material auch auf der Führungsfläche 23 angeordnet
sein.