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Die
Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung zum Fügen
von Bauteilen.
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Laserschweißvorrichtungen
zum Fügen von Bauteilen sind bekannt. Sie werden beispielsweise
in der Kraftfahrzeugindustrie zum Verschweißen von Bauteilen
eines Kraftfahrzeuges verwendet. Zum Anbringen einer Verschweißung
an den Bauteilen kann die Laserschweißvorrichtung eine
Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Laserstrahles aufweisen, wobei die
Strahlungsquelle mittels einer zugeordneten Robotervorrichtung ausrichtbar
sein kann.
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Aus
der
DE 102 328 57 ist
ein Verfahren zur Verringerung oder Vermeidung von Schwingungsamplituden
an der Bearbeitungslinie eines von einem Robotergreifarm geführten
Werkzeuges zur Herstellung einer Laserschweißnat an einer
Blechplatine bekannt. Bei dem bekannten Verfahren ist vorgesehen, dass
das Werkzeug gegenüber den Eigenfrequenzen des Robotergreifarms
und/oder den als Stoß auftretenden Schwingungen isoliert
oder zumindest gedämpft wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Laserschweißvorrichtung
bereitzustellen, insbesondere eine bessere Ausrichtung des Laserstrahls auf
die Fügestelle zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe ist mit einer Laserschweißvorrichtung zum Fügen
von Bauteilen gelöst. Die Laserschweißvorrichtung
weist eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines gerichteten und fokussierten
Laserstrahls, eine mittels einer Roboteransteuerung manipulierbare
Robotervorrichtung zum Führen und Ausrichten des fokussierten
Laserstrahls der Strahlungsquelle auf die Bauteile und einen von
einer Roboteransteuerung unabhängigen, der Roboteransteuerung überlagerten
und auf die Ausrichtung des Laserstrahls wirkenden geschlossenen
Regelkreis zum Kompensieren von in der Robotervorrichtung auftretenden
Schwingungen, auf. Aufgrund von Umwelteinflüssen, den kinematischen
Gegebenheiten der Robotervorrichtung und/oder bedingt durch die
Auslegung der Roboteransteuerung kann es zu Schwingungen, beispielsweise
Translations- und/oder Rotationsschwingungen kommen. Die Schwingungen können
sich auf alle Freiheitsgrade der Robotervorrichtung beziehen. Zum
Führen und/oder Ausrichten des fokussierten Laserstrahls
kann die Strahlungsquelle der Robotervorrichtung fest zugeordnet
werden. Folglich können sich möglicherweise vorhandene
und unerwünschte Schwingungen der Robotervorrichtung auf
die Strahlungsquelle übertragen und eine Zielgenauigkeit
des fokussierten Laserstrahls auf eine Fügestelle der Bauteile
beeinflusst werden. Vorteilhaft greift der überlagerte
geschlos sene Regelkreis in die Ausrichtung des Laserstrahls ein.
Hierzu kann die Strahlungsquelle eine entsprechende Vorrichtung,
beispielsweise den Strahlengang des Lasers beeinflussende bewegliche
Spiegel und/oder Linsen aufweisen. Es ist jedoch auch möglich,
den Strahlengang des Laserstrahles auf elektromagnetischem, akustooptischem
und/oder beliebigem Weg zu beeinflussen. Die Beeinflussung mittels
des geschlossenen Regelkreises des Strahlengangs des Lasers kann
vorteilhaft so ausgelegt werden, dass von den Schwingungen herrührende
Fehler bei der Ausrichtung des fokussierten Laserstrahls kompensierbar
sind. Vorteilhaft erhöht sich dadurch also die Treffsicherheit
des fokussierten Laserstrahls auf die Fügestelle. Vorteilhaft
ergibt sich so eine qualitativ höherwertigere Fügestelle,
beispielsweise im Falle einer Schweißnaht ein glatterer
und homogenerer Verlauf, insbesondere erreichbar durch eine homogenere
Aufwärmung der Fügestelle, wobei sich insgesamt
eine gleichmäßigere Überstreichgeschwindigkeit
des fokussierten Laserstrahls über die Bauteile beziehungsweise
die zu fügende Schweißnaht ergibt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass eine Optikbrennweite des fokussierten Laserstrahls mehr
als 200 mm, bevorzugt zwischen 200 und 2.000 mm, vorzugsweise bis
zu 6.000 mm, insbesondere mehr als 6.000 mm beträgt. Bei
einer vergleichsweise großen Brennweite vergrößert
sich üblicherweise der negative Einfluss von in der Robotervorrichtung auftretenden
Schwingungen. Vorteilhaft kann mittels des unabhängigen
geschlossenen Regelkreises trotz der vergleichsweise großen
Brennweite eine sehr gute Ausrichtung des fokussierten Laserstrahls
erzielt werden. Vorteilhaft können aufgrund der vergleichsweise
großen Brennweite in der Robotervorrichtung auftretende
hohe Beschleunigungen durch nahes Heranfahren und wieder Zurückfahren
an die Fügestelle vermieden werden. Insgesamt ergibt sich ein
glatterer, insbesondere schneller durchfarbarer und weniger Einschwingvorgängen
aufweisender, Bewegungsablauf der Robotervorrichtung, wobei dennoch
vorteilhaft eine hohe Ausrichtgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls
auf die Fügestelle der Bauteile erreichbar ist.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass die Strahlungsquelle eine mittels des geschlossenen
Regelkreises angesteuerte Ausrichtvorrichtung zum Einstellen einer
Abstrahlrichtung des Laserstrahles aufweist. Die Ausrichtvorrichtung
kann als Stellglied für die Reglereingriffe zur Kompensation
der Schwingungen dienen, wobei der Strahlengang beziehungsweise
die Abstrahlrichtung des Laserstrahls den Wirkungen der Schwingungen
entgegenwirkend verstellbar ist. Die Richtung des Laserstrahls ist
also mit einer, insbesondere durch die Schwingungen limitierten,
ersten Genauigkeit der Robotervorrichtung und überlagert
diesen Schwingungen entgegenwirkend mit einer höheren durch
den geschlossenen Regelkreis vorgegebenen zweiten Genauigkeit ausrichtbar. Insgesamt
ergibt sich vorteilhaft eine höhere Ausrichtgenauigkeit
der Abstrahlrichtung des Laserstrahls.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass der Strahlungsquelle als Messglieder des geschlossenen Regelkreises
eine Beschleunigungssensorvorrichtung zugeordnet ist. Mittels der
Beschleunigungssensorvorrichtung können die unerwünschten
Schwingungen der Robotervorrichtung sensiert und von dem geschlossenen
Regelkreis zur Kompensation verarbeitet werden.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass die Beschleunigungssensorvorrichtung zum Sensieren von
Drehschwingungen und/oder translatorischen Schwingungen ausgelegt
ist. Dazu kann die Beschleunigungssensorvorrichtung beispielsweise
einen Drehratensensor aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass
die Beschleunigungssensorvorrichtung eine Vielzahl von mehreren,
der Strahlungsquelle an verschiedenen Punkten zugeordneten einzelnen
Beschleunigungssensoren aufweist, so dass hieraus Art und Stärke
der auftretenden Schwingungen ermittelbar ist.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass der geschlossene Regelkreis als Fuzzy-Regler
ausgelegt ist. Vorteilhaft kann mittels der Verwendung von Fuzzy-Algorithmen
der Programmieraufwand des geschlossenen Regelkreises reduziert
werden. Außerdem erzielen Fuzzy-Regelungen zur Schwingungskompensation
eine vergleichsweise hohe Regelungsgüte.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Laserschweißvorrichtung
ist vorgesehen, dass die Robotervorrichtung einen handelsüblichen
Industrieroboter aufweist. Der Industrieroboter kann vorteilhaft
mit dem geschlossenen Regelkreis kombiniert werden, so dass sich
eine Laserschweißvorrichtung mit einer sehr guten Fügequalität
ergibt.
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Die
Aufgabe ist außerdem durch ein Verfahren zum Laserschweißen
mit einer vorab beschriebenen Laserschweißvorrichtung gelöst.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Erzeugen eines gerichteten
und fokussierten Laserstrahls mittels der Strahlungsquelle, Ausrichten
des fokussierten Laserstrahls auf die Bauteile mittels der Robotervorrichtung
und Kompensieren der in der Robotervorrichtung auftretenden Schwingungen
mittels des überlagerten Regelkreises. Es ergeben sich
die vorab beschriebenen Vorteile.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Teils einer Laserschweißvorrichtung
mit einer Strahlungsquelle zusammen mit einem Bauteil;
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2 eine
Draufsicht der in 1 gezeigten Strahlungsquelle
der Laserschweißvorrichtung;
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3 eine
dreidimensionale Darstellung von schräg vorne seitlich
oben der in 1 dargestellten Laserschweißvorrichtung,
wobei die Strahlungsquelle in verschiedenen Bewegungsphasen mehrfach dargestellt
ist;
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4 eine
schematisierte Seitenansicht der Strahlungsquelle mit zwei Bewegungsphasen
zur Verdeutlichung der Funktionsweise einer Ausrichtvorrichtung
der Strahlungsquelle; und
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5 eine
weitere schematisierte dreidimensionale Ansicht von schräg
oben der Strahlungsquelle zur Verdeutlichung verschiedener sich
aufgrund von Schwingungen ergebender Strahlengänge.
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1 zeigt
eine Laserschweißvorrichtung 1 zum Fügen
beziehungsweise Laserschweißen eines geschnitten dargestellten
Bauteils 3. Die Laserschweißvorrichtung 1 weist
eine Strahlungsquelle 5 auf, die fest einem Roboterarm 7 einer
nur teilweise dargestellten Robotervorrichtung 9 zugeordnet
ist.
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Bei
der Robotervorrichtung 9 kann es sich beispielsweise um
einen handelsüblichen Industrieroboter handeln, beispielsweise
mit 6 Freiheitsgraden. Mittels der Robotervorrichtung 9 kann
die Strahlungsquelle 5 in eine beliebige Raumposition manipuliert
werden. Die Robotervorrichtung 9 ist nur teilweise dargestellt,
wobei ein erster Teilarm 11 sowie ein zweiter, abgeschnitten
dargestellter Teilarm 13 in 1 sichtbar
sind. Der erste Teilarm 11 ist über ein erstes
Gelenk 15 dem zweiten Teilarm 13 verdrehbar zugeordnet.
Der erste Teilarm 11 ist der Strahlungsquelle 5 zugeordnet,
beispielsweise ebenfalls verdrehbar über ein zweites Gelenk 17.
Die Gelenke 15 und 17 sowie weitere Gelenke der
Robotervorrichtung 9 können zum Manipulieren der
Strahlungsquelle 5 mittels einer nicht näher dargestellten
Roboteransteuerung, die in 1 lediglich
mittels des Bezugszeichens 19 angedeutet ist, angesteuert
werden.
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Die
Strahlungsquelle 5 ist zum Erzeugen eines fokussierten
Laserstrahls 21 ausgelegt. Wie in 1 ersichtlich,
ist ein Fokus 23 des Laserstrahls 21 auf eine
Fügestelle 25 des Bauteils 3 gerichtet. Mittels
des Laserstrahls 21 kann die Fügestelle 25 des
Bauteils 3 so stark erwärmt werden, dass das Material
des Bauteils 3 aufschmilzt, so dass eine Verschweißung
stattfinden kann. Zum Erzeugen einer Schweißnaht kann der
Fokus 23 mittels der Roboteransteuerung 19 der
Robotervorrichtung 9 über das Bauteil 3 geführt
werden. Dieser Vorgang ist mittels eines Pfeiles 27 angedeutet,
der eine Vorschubgeschwindigkeit Vs des
Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 angibt. Mittels
zweier strichpunktierter Linien 29 sind mögliche
Verschiebungen des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 angedeutet,
die beispielsweise von unerwünschten Schwingungen der Robotervorrichtung 9 herrühren
können. Um diese unerwünschten Schwingungen zu
detektieren, weist die Strahlungsquelle 5 eine Beschleunigungssensorvorrichtung 31 mit
mehreren Beschleunigungssensoren 33 auf. Mittels der Beschleunigungssensorvorrichtung 31 kann
die mittels der Linien 29 symbolisierte unerwünschte
Positionsabweichung des Fokus 23 ermittelt werden. Die Beschleunigungssensorvorrichtung 31 stellt
ein Messglied eines in 1 mit dem Bezugszeichen 35 symbolisierten
Regelkreises dar. Der Regelkreis 35 ist geschlossen, der
Roboteransteuerung 19 überlagert und den Positionsabweichungen
des Fokus 23 entgegenwirkend ausgelegt. Mittels des Regelkreises 35 können
also von unerwünschten Schwingungen der Robotervorrichtung 9 verursachte
Positionsabweichungen des Fokus 23 relativ zum Bauteil 3 kompensiert
werden.
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2 zeigt
eine Draufsicht der in 1 gezeigten Strahlungsquelle 5.
Insgesamt sichtbar sind zwei der Beschleunigungssensoren 33 der
Beschleunigungssensorvorrichtung 31, die der Strahlungsquelle 5 fest
zugeordnet sind.
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3 zeigte
eine dreidimensionale Ansicht von schräg seitlich vorne
oben der in 1 gezeigten Laserschweißvorrichtung 1. 4 zeigt
eine schematische Seitenansicht der Strahlungsquelle 5 in zwei
Positionen, wobei jeweils ein Regeleingriff des Regelkreises 35 dargestellt
ist. 5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von schräg
oben der Strahlungsquelle 5. Im Folgenden wird anhand der 1–5 die
Funktionsweise des geschlossenen überlagerten Regelkreises 35 der
Laserschweißvorrichtung 1 näher erläutert.
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Wie
in 3 ersichtlich, weist die Fügestelle 25 eine
Schweißnaht 37 auf. In 3 ist die
Strahlungsquelle 5 in verschiedenen Positionen beziehungsweise
Bewegungsphasen dargestellt. In einer ersten Position 39 ist
die Strahlungsquelle 5 bei abgeschaltetem Regelkreis 35 symbolisiert.
Mittels geschwungener Pfeile 41 sind möglicherweise
auftretende unerwünschte Drehschwingungen der Robotervorrichtung 9 symbolisiert.
Ein geradliniger Doppelpfeil 43 symbolisiert beispielhaft
dadurch auftretende Schwingungen des Fokus 23 relativ zum
Bauteil 3. Dies führt zu Ungleichmäßigkeiten
der mittels des Pfeiles 27 symbolisierten Vorschubgeschwindigkeit
Vs, wobei sich eine unterschiedlich starke
Erwärmung der Schweißnaht 37 ergibt.
Dies führt zu unerwünschten Ungleichmäßigkeiten
der Schweißnaht 37.
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Mittels
einer zweiten Position 47 sowie einer dritten Position 49 sind
zwei Amplituden der nicht erwünschten Drehschwingung symbolisiert.
Aus der zweiten Position 47 ergibt sich ein erster Abweichfokus 51,
der hinter einem Sollfokus 55 liegt. Aus der dritten Position 49 ergibt
sich ein zweiter Abweichfokus 53, der vor dem Sollfokus 55 liegt.
Vorteilhaft weist die Strahlungsquelle 5 als Stellglied
des überlagerten Regelkreises 35 eine Ausrichtvorrichtung 57 zur
Beeinflussung der Ausrichtung des Laserstrahls 21 auf.
Die Ausrichtvorrichtung 57 kann beispielsweise bewegliche
Linsen und/oder Spiegel zur Abänderung des Strahlengangs
des Laserstrahls 21 aufweisen. Zur Kompensation der sich
jeweils ergebenden Abweichung der Abweichungsfokusse 51, 53 vom Sollfokus 55 kann
die Ausrichtvorrichtung 57 mittels des Regelkreises 35 so
betätigt werden, dass der Laserstrahl 21 trotz
der auftretenden Schwingung, die mittels des/der geschwungenen Pfeile/s 41 angedeutet
ist, den Sollfokus 55 trifft. Eine jeweils entsprechende
Stellbewegung ist mittels Pfeilen 59 angedeutet. Die Pfeile 59 symbolisieren
eine Kompensation der unerwünschten auftretenden Schwingungen der
Robotervorrichtung 9.
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Wie
in 4 ersichtlich, kann eine entsprechende Drehbewegung
der Strahlungsquelle 5 durch eine entgegenwirkende Ablenkung
des Laserstrahls 21 mittels der Ausrichtvorrichtung 57 kompensiert werden.
In Ausrichtung der 4 gesehen links ist die Strahlungsquelle 5 in
einer gegenüber einer Solllage entgegen des Uhrzeigersinns
verdrehten Position dargestellt. Um dennoch zu gewährleisten,
dass der Laserstrahl 21 das Bauteil 3 in einem
rechten Winkel 61 am Sollfokus 55 trifft, kann
der Strahlengang des Laserstrahls 21 mittels der Ausrichtvorrichtung 57 entgegenwirkend,
also in Richtung des Uhrzeigersinns, abgelenkt werden. In Ausrichtung
der 4 rechts dargestellt ist die Strahlungsquelle 5 gegenüber
einer Solllage in Richtung des Uhrzeigersinnes verdreht. Folglich
würde der Laserstrahl 21 das Bauteil 3 zu
weit links treffen. Um diese Abweichung des Fokus 23 zu
kompensieren, kann als Stellbewegung die Ausrichtungsvorrichtung 57 den
Laserstrahl 21 entgegen des Uhrzeigersinns verdrehen, so
dass der Laserstrahl 21 trotz der unerwünschten
Solllageabweichung der Strahlungsquelle 5 das Bauteil 3 in dem
erwünschten rechten Winkel 61 an einer Sollposition
beziehungsweise am Sollfokus 55 trifft.
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In 5 sind
mittels drei Doppelpfeilen 63 sowie drei geschwungenen
Pfeilen 65 unerwünschte Schwingungen 67 der
Strahlungsquelle 5 angedeutet. Bei den Schwingungen 67 kann
es sich entsprechend den 6 Freiheitsgraden der Strahlungsquelle 5 um
sich überlagernde Translations- und/oder Rotationsschwingungen
handeln. Mittels eines perspektivisch dargestellten Quadrats 69 sind
die möglichen unerwünschten Abweichungen des Strahlengangs des
Laserstrahls 21 vom Sollfokus 55 angedeutet. Die
Abweichungen können beispielsweise bis zu 5 mm betragen.
Vorteilhaft können diese unerwünschten Abweichungen
mittels des Regelkreises 35 kompensiert werden, so dass
trotz der vorhandenen Schwingungen 67 der Laserstrahl 21 den
Sollfokus 55 trifft.
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In 1 ist
mittels eines Doppelpfeiles eine Brennweite 71 des Laserstrahls 21 der
Strahlungsquelle 5 angedeutet. Hierzu kann die Strahlungsquelle 5 und/oder
die Ausrichtvorrichtung 57 eine entsprechende Laseroptik
aufweisen. Die Optikbrennweite der Laseroptik kann größer
als 200 mm, vorzugsweise zwischen 200 mm und 2.000 mm, vorzugsweise
bis zu 6.000 mm, vorzugsweise größer als 6.000
mm betragen. Mittels des vorgesehenen Regelkreises 35 kann
trotz der vergleichsweise großen Brennweite 71 der
Sollfokus 55 mit einer hohen Regelgüte eingeregelt
werden. Der geschlossene Regelkreis 35 dient der Kompensation
von Optikwicklern durch möglicherweise mittels der Schwingungen 67 induzierte
Bewegungen der Strahlungsquelle 5 und damit des 21 beziehungsweise
des Sollfokus 55 des Laserstrahls 21. Der Regelkreis 35 kann
als Fuzzy-Regler oder als beliebiger anderer Regler ausgelegt sein.
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Zusammenfassend
ergibt sich der Vorteil einer Ausgleichmöglichkeit von
unerwünschten Roboterschwingungen der Robotervorrichtung 9 mittels
einer intelligenten Optik, die selbst den Regelkreis 35 aufweisen
kann und/oder von diesem ansteuerbar sein kann, der Strahlungsquelle 5.
Vorteilhaft kann so, beispielsweise zum Erzeugen der Laserschweißnaht 37,
eine konstantere Vorschubgeschwindigkeit Vs erzielt
werden.
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- 1
- Laserschweißvorrichtung
- 3
- Bauteil
- 5
- Strahlungsquelle
- 7
- Roboterarm
- 9
- Robotervorrichtung
- 11
- erster
Teilarm
- 13
- zweiter
Teilarm
- 15
- erstes
Gelenk
- 17
- zweites
Gelenk
- 19
- Roboteransteuerung
- 21
- Laserstrahl
- 23
- Fokus
- 25
- Fügestelle
- 27
- Pfeil
- 29
- Linien
- 31
- Beschleunigungssensorvorrichtung
- 33
- Beschleunigungssensor
- 35
- Regelkreis
- 37
- Schweißnaht
- 39
- erste
Position
- 41
- Pfeil
- 43
- Pfeil
- 45
- Ungleichmäßigkeit
- 47
- zweite
Position
- 49
- dritte
Position
- 51
- erster
Abweichfokus
- 53
- zweiter
Abweichfokus
- 55
- Sollfokus
- 57
- Ausrichtvorrichtung
- 59
- Pfeile
- 61
- Winkel
- 63
- Doppelpfeile
- 65
- Pfeile
- 67
- Schwingungen
- 69
- Quadrat
- 71
- Brennweite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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