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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die flexible
Fertigung und insbesondere auf Roboterarmende-Werkzeuge, die Elemente von
flexiblen Fertigungssystemen sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
flexible Fertigung beinhaltet eine Arbeitsmaschine wie z. B. einen
gelenkigen Roboter mit sechs Achsen, der typischerweise an jeder
Arbeitsstation angeordnet ist. Die logistischen Unterstützungen
bei der flexiblen Fertigung bestehen aus einem zentralen Controller
oder Computer, um den Arbeitsablauf zu managen, und Materialhandhabungssystemen,
um Betriebsmittel bereitzustellen, die für die verschiedenen Arbeitsstationen
erforderlich sind. In diesen Systemen kann der logistische Abschnitt
für verschiedene
Teile und Volumina von Teilen programmiert werden, was die Konfiguration
flexibler macht.
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Die
leistungsstärkste
Form der flexiblen Fertigung verwendet Roboter im Materialhandhabungsabschnitt
des Systems. Dies erhöht
die Programmierfähigkeit
des Materialhandhabungsabschnitts des logistischen Unterstützungssystems.
Diese können
sehr komplizierte Formen der Programmierung hinsichtlich der Lenkung
und Ablaufsteuerung von Teilen des Materialhandhabungsprozesses
aufweisen. Die Flexibilität
der Roboter ist durch die Gewandtheit der Arme des Roboters bestimmt.
Viel Forschung und Entwicklung wurde an der Roboterbewegung unter
Verwendung von ähnlichen
Technologien wie jenen, die in einer Maschinenanlage mit mehreren
Achsen verwendet werden, durchgeführt. Diese Fähigkeit
kann verwendet werden, um die Teileanordnung präzise auszurichten und andere
Armbewegungen zu koordinieren.
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Eine
Begrenzung von herkömmlichen
Industrierobotern ist die Schnittstelle zwischen dem Roboter und
der Nutzlast, die der Roboter handhabt. Typischerweise ist der Roboter
einzig konfiguriert, damit er für
ein spezielles Armende-Werkzeug, das die größte Vielseitigkeit in der speziellen
Anwendung bereitstellen würde,
geeignet ist. In der Praxis bedeutet dies jedoch, dass das Armende-Werkzeug
für verschiedene
Anwendungen umkonstruiert werden muss. Wenn Produktionsabläufe geplant
werden, müssen
sie Schritte zum häufigen
Wechseln der Armende-Werkzeuge umfassen, um der Vielfalt von verschiedenen
Nutzlasten zu genügen,
die im Produktionsablauf verwendet werden.
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1 ist
ein Beispiel eines Armende-Werkzeugs (EOA-Werkzeugs) 10 des
Standes der Technik, wobei ein federbelasteter Niveaukompensator 12 einen
distal angebrachten Greifer 14 wie beispielsweise in Form
eines vakuumgestützten
Saugnapfs 16 aufweist, dies kann jedoch etwas anderes wie
z. B. ein Elektromagnet sein. Der federbelastete Niveaukompensator 12 liegt
in Form einer Welle 18 vor, die relativ zu einem Gehäuse 20 verschiebbar
und lenkbar montiert ist und durch eine Feder 22 derart vorbelastet
ist, dass die nominale Position darin besteht, dass der Greifer 14 in
Bezug auf das Gehäuse 20 entfernt
positioniert ist. Die Welle 18 weist an ihrem proximalen
Ende ein Anschlusselement 24 auf, das mit einer Betätigungsquelle
für den
Greifer 14 über
eine Schnittstelle verbunden ist, wie beispielsweise einer Luftleitung 26 für einen
Saugnapfgreifer oder einer elektrischen Versorgung für einen
elektromagnetischen Greifer. Eine Basisplatte 28 ist mit
dem Gehäuse 20 verbunden,
wobei die Basisplatte eine geeignete Verbindungsplattform für einen
Roboterarm bereitstellt.
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Im
Betrieb, wenn sich das EOA-Werkzeug 10 in seiner nominalen
Konfiguration befindet, manövriert
ein Roboter, mit dem das Sperrklinken-EOA-Werkzeug verbunden ist, so, dass sich
der Greifer 14 einer Nutzlast mit beliebiger Form nähert. Bei
einem selektiv angemessenen Presskontakt, wie zwischen dem Greifer
und der Nutzlast, wobei, wenn die Welle relativ zum Gehäuse gleitet,
die Feder sich zusammendrückt,
wird der Greifer betätigt,
um die Nutzlast zu greifen, woraufhin der Roboter die Nutzlast bewegt,
wie festgelegt. Beim Abschluss der Roboterbewegung der Nutzlast
wird der Greifer deaktiviert und die Feder bringt das EOA-Werkzeug
in seine nominale Konfiguration zurück.
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Eine
weitere Begrenzung von herkömmlichen
Robotern besteht darin, dass federbelastete Armende-Werkzeuge, die
eine Oberflächenunregelmäßigkeits-Kompensation
(Niveaukompensation) von Nutzlasten mit verschiedenen geometrischen
Formen ermöglichen,
federbelastete Niveaukompensatoren verwenden, die immer eine Federvorbelastung auf
die Welle aufbringen, wobei die Vorbelastung den Nachteil hat, dass
sie gewöhnlich
immer die Welle in ihre nominale Position drängt.
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Daher
besteht auf dem Fachgebiet ein fortdauernder Bedarf an einem federbelasteten
Niveaukompensator eines Armende-Werkzeugs, der ausreichend Fähigkeit
und Flexibilität
aufweist, um eine breite Vielfalt von Nutzlastgeometrien zu handhaben, jedoch
ohne eine kontinuierliche Federvorbelastung zu erfordern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen federbelasteten Niveaukompensator
eines Armende-Werkzeugs mit Ähnlichkeiten
zum Stand der Technik, wie in 1 beschrieben,
der jedoch ausreichend Fähigkeit
und Flexibilität
aufweist, um eine breite Vielfalt von Nutzlastgeometrien über eine
selektive Betätigung
eines Sperrklinkenmechanismus zu handhaben, jedoch ohne eine kontinuierliche
Federvorbelastung zu erfordern.
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Das
Sperrklinken-Armende-Werkzeug (Sperrklinken-EOA-Werkzeug) gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt einen federbelasteten Niveaukompensator mit einem
distal montierten Greifer, wie beispielsweise in Form eines vakuumgestützten Saugnapfs
oder eines Elektromagneten, und umfasst zusätzlich einen Sperrklinkenmechanismus
zum selektiven Verriegeln der Gleitbewegung der Welle in Bezug auf
das Wellengehäuse,
an dem sie verschiebbar angebracht ist. Der Sperrklinkenmechanismus
wird selektiv in Eingriff gebracht, wie beispielsweise durch die
Position einer Arretierung in Bezug auf Schlitze der Welle, wie
durch eine Arretierungsbewegungsinstanz vorgegeben.
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Wenn
sich im Betrieb das Sperrklinken-EOA-Werkzeug in seiner nominalen
Konfiguration befindet und der Sperrklinkenmechanismus ausgerückt ist,
manövriert
ein Roboter, mit dem das Sperrklinken-EOA-Werkzeug verbunden ist,
so, dass sich der Greifer einer Nutzlast mit beliebiger Form nähert, woraufhin
der Greifer an die Nutzlast gepresst wird und die Welle relativ
zum Wellengehäuse
gleitet, während
sich eine Wellenfeder zusammendrückt.
Bei einem selektiv angemessenen Presskontakt, wie zwischen dem Greifer
und der Nutzlast, wird der Sperrklinkenmechanismus in Eingriff gebracht,
was die Position des Greifers in Bezug auf den Roboterarm in einer
festen Position unabhängig
von der Wellenfeder verriegelt. Der Greifer wird betätigt, um
die Nutzlast zu greifen, woraufhin der Roboter die Nutzlast bewegt,
wie festgelegt. Beim Abschluss der Roboterbewegung der Nutzlast
wird der Greifer deaktiviert, der Sperrklinkenmechanismus wird ausgerückt (d.
h. die Welle wird in Bezug auf das Wellengehäuse entriegelt) und die Wellenfeder
bringt das Sperrklinken-EOA-Werkzeug in seine nominale Konfiguration zurück.
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Folglich
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen federbelasteten
Niveaukompensator eines Armende-Werkzeugs zu schaffen, der eine ausreichende
Fähigkeit
und Flexibilität
aufweist, um eine breite Vielfalt von Nutzlastgeometrien über eine selektive
Betätigung
eines Sperrklinkenmechanismus zu handhaben, jedoch ohne eine kontinuierliche Federvorbelastung
zu erfordern.
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Diese
und zusätzliche
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden Patentbeschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
klarer.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenaufrissansicht, die ein EOA-Werkzeug gemäß dem Stand
der Technik mit beispielsweise einem Saugnapfgreifer zeigt.
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2A ist
eine Seitenaufrissansicht, die ein Sperrklinken-EOA-Werkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem Saugnapfgreifer zeigt.
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2B ist
eine Draufsicht, die das Sperrklinken-EOA-Werkzeug von 1A zeigt.
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2C ist
eine Seitenaufrissansicht, die ein Sperrklinken-EOA-Werkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem elektromagnetischen Greifer zeigt.
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3A ist
eine Schnittansicht entlang der Linie 3A-3A von 2B gesehen,
die den Sperrklinkenmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung in
seiner ausgerückten
Betriebsart zeigt.
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3B ist
eine Schnittansicht wie in 3A, die
nun den Sperrklinkenmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung
in seiner in Eingriff gebrachten Betriebsart zeigt.
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4A bis 4C stellen
fortschreitende Eingriffsstufen durch das Sperrklinken-EOA-Werkzeug
der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Nutzlast dar.
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5 ist
ein Blockdiagramm eines Beispiels von Ausführungskomponenten für das Sperrklinken-EOA-Werkzeug
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
eine Seitenaufrissansicht einer Werkzeuggruppenanordnung von Sperrklinken-EOA-Werkzeugen
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6A bis 6C stellen
Seitenansichten eines Greifeingriffs der Werkzeuggruppenanordnungs-Sperrklinken-EOA-Werkzeuge
von 6 in Bezug auf verschiedenartig geformte Nutzlasten
dar.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In
den Zeichnungen stellen nun die 2A bis 6C verschiedene
Aspekte eines Sperrklinken-Armende-Werkzeugs (Sperrklinken-EOA-Werkzeugs) 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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Zuerst
ist in 2A und 2B ein
Sperrklinken-EOA-Werkzeug 100, 100a dargestellt.
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Das
Armende-Werkzeug (EOA-Werkzeug) 100a umfasst einen federbelasteten
Niveaukompensator 102 mit einem distal angebrachten Greifer 104, wie
beispielsweise dem dargestellten vakuumgestützten Saugnapf 106.
Der federbelastete Niveaukompensator 102 umfasst eine Welle 108,
die an einem Wellengehäuse 110 verschiebbar
und lenkbar angebracht ist, wobei die Welle durch eine Wellenfeder 112 relativ
zum Wellengehäuse
derart vorbelastet ist, dass die nominale Position darin besteht,
dass der Greifer 104 in Bezug auf das Wellengehäuse entfernt
positioniert ist. Die Welle 108 weist ein Anschlusselement 114 an
ihrem proximalen Ende auf, das mit einer Betätigungsquelle für den Greifer 14 über eine
Schnittstelle verbunden ist, wobei im Fall des Saugnapfgreifers 106a diese
die Form einer Luftleitung 116a annimmt, die mit einer
Vakuumquelle verbunden ist. Eine Basisplatte 118 ist mit
dem Wellengehäuse 110 verbunden,
wobei die Basisplatte eine geeignete Verbindungsplattform mit einem
Roboterarm (nicht dargestellt, aber schematisch in 6 bis 6C sichtbar)
bereitstellt.
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Zusätzlich ist
in 3A und 3B ein Sperrklinkenmechanismus 120 mit
dem Wellengehäuse 110 verbunden,
der so strukturiert ist, dass er selektiv in Bezug auf Schlitze 122,
die in der Welle 108 ausgebildet sind, einrastet. Eine
Arretierung 124 ist verschiebbar und lenkbar in einer Füh rungsbohrung 126 eines
Sperrklinken-Solenoids 128 aufgenommen, wobei die Arretierung
durch eine Arretierungsfeder 130 vom Sperrklinken-Solenoid weg vorbelastet
ist und aus einem magnetisierbaren Material besteht, das durch das
Sperrklinken-Solenoid angezogen wird, wenn das Sperrklinken-Solenoid
(über seine
Spule 128')
durch eine externe Schaltung 132 (abgebrochen gezeigt;
beispielsweise eine Schaltung, die 24 V Gleichspannung liefert)
erregt wird. Die Bewegung der Arretierung 124 wird in Bezug
auf das Wellengehäuse 110 über ein
Paar von entgegengesetzten Führungsstangen 134 geführt, die
jeweilige Schlitze 136 (von denen nur jeweils einer in
den Ansichten sichtbar ist) durchlaufen.
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Wie
durch vergleichende Bezugnahme auf 3A und 3B erkannt
werden kann, ist die Arretierung 124 durch die Arretierungsfeder 130 in Richtung
der Welle 108 vorbelastet, so dass die Vorbelastung die
Arretierung in einen ausgerichteten Schlitz 122 schiebt,
woraufhin die Welle in der Position relativ zum Wellengehäuse 110 verriegelt
wird. Wenn jedoch das Sperrklinken-Solenoid 128 erregt wird,
zieht das Magnetfeld an der Arretierung 124, wobei die
Vorbelastung der Arretierungsfeder 130 überwunden wird, wobei sie in
die Führungsbohrung 126 und
aus dem Schlitz 122 gleitet, wodurch die Welle entriegelt
wird, so dass die Welle frei von einer Störung durch den Sperrklinkenmechanismus 120 gleiten
kann. Das Sperrklinken-Solenoid und die Arretierungsfeder können gemeinsam
als Beispiel für eine
Arretierungsbewegungsinstanz 120' betrachtet werden.
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Wenn
nun kurz die Aufmerksamkeit auf 2C gerichtet
wird, ist ein Sperrklinken-EOA-Werkzeug 100, 100b dargestellt,
wobei Teile zu jenen von 2A und 2B identisch
sind, wobei nun der Greifer 104 in Form eines Elektromagneten 106b vorliegt,
dessen Spulen durch eine externe Schaltung 116b selektiv
erregt werden. Selbstverständlich
ist das Sperr klinken-EOA-Werkzeug 100 mit einem beliebigen
geeigneten Greifer betreibbar.
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In
den 4A bis 5 wird nun ein Betriebsbeispiel
des Sperrklinken-EOA-Werkzeugs 100 unter
Verwendung des Sperrklinken-EOA-Werkzeugs 100a von 2A und 2B lediglich
zur Erläuterung
beschrieben.
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Wenn
sich das Sperrklinken-EOA-Werkzeug 100a in seiner nominalen
Konfiguration befindet (d. h. das distale Ende der Welle (der Greiferort)
ist durch die Vorbelastung der Wellenfeder am weitesten vom Wellengehäuse entfernt
positioniert) und der Sperrklinkenmechanismus 120 ausgerückt ist
(was bedeutet, dass das Sperrklinken-Solenoid 128 erregt
ist und die Arretierung 124 anzieht, um sie von einem Eingriff
in die Schlitze 122 der Welle 108 abzuhalten, gemäß 3A),
manövriert
ein Roboter 140, mit dem das Sperrklinken-EOA-Werkzeug
verbunden ist, gemäß einem
Befehl durch die Programmierung einer Zentraleinheit (CPU) 142 und
in Ansprechen auf eine Eingabe von Sensoren 144 den Greifer 106 so, dass
er sich einer Nutzlast 146 mit beliebiger Form nähert (siehe 4A).
Bei einem selektiv angemessenen Presskontakt, wie zwischen dem Greifer
und der Nutzlast, während
dessen die Wellenfeder 112 zusammengedrückt wird und die Welle 108 in
Bezug auf das Wellengehäuse 110 gleitet
(siehe 4B), wird der Sperrklinkenmechanismus 120 in
Eingriff gebracht, indem das Sperrklinken-Solenoid 128 abgeschaltet
wird und die Vorbelastung der Arretierungsfeder 130 die
Arretierung 124 in Richtung der Welle 108 und
in einen ausgerichteten Schlitz 122 drangt, gemäß 3B,
woraufhin nun die Welle hinsichtlich der Position in Bezug auf das
Wellengehäuse
verriegelt wird, selbst wenn die Wellenfeder 112 zusammengedrückt wird
und die Welle vorbelastet (siehe 4C). Der
Greifer wird durch einen Greiferaktuator 148, wie beispielsweise
eine Vakuumquelle, die mit dem Saugnapf in Verbindung steht, betätigt, um dadurch
die Nutzlast zu greifen, woraufhin der Roboter die Nutzlast bewegt,
wie durch die CPU bestimmt. Beim Abschluss der Roboterbewegung der
Nutzlast wird der Greifer durch einen CPU-Befehl an den Greiferaktuator
deaktiviert, der Sperrklinkenmechanismus 120 wird durch
Erregung des Sperrklinken-Solenoids
wieder ausgerückt
und die Wellenfeder bringt das Sperrklinken-EOA-Werkzeug in seine nominale Konfiguration
zurück,
wobei es für
die nächste
durch die CPU zuzuweisende Roboteraufgabe bereit ist.
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Wenn
nun die Aufmerksamkeit auf 6 bis 6C gerichtet
wird, wird die Implementierung des Sperrklinken-EOA-Werkzeugs 100 in
einer Werkzeuggruppenanordnung 200 erörtert.
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Eine
Werkzeugbefestigungsvorrichtung 202 ist zum Halten von
mehreren Sperrklinken-EOA-Werkzeugen 100 konfiguriert.
Nur als Beispiel zeigt 6 eine Werkzeuggruppenanordnung 200 in
Form von drei Sperrklinken-EOA-Werkzeugen 100, aber es
kann eine beliebige Anzahl vorhanden sein und die Ausrichtung kann
in einer Dimension (d. h. entlang einer Achse ausgerichtet), zwei
Dimensionen (d. h. an Orten um die zwei Achsen einer Ebene angeordnet,
oder drei Dimensionen (d. h. an Orten irgendwo über drei Achsen eines Raumvolumens
verteilt) sein. In dem Beispiel von 6 ist die
Werkzeugbefestigungsvorrichtung mit einem Handgelenk 150 eines
Roboterarms 152 verbunden.
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6A bis 6C stellen
verschiedene Anwendungen der Werkzeuggruppe 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar, wobei die Anwendungen lediglich zur Erläuterung
bestimmt sind und keine Begrenzung von Anwendungen darstellen.
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In 6A weist
eine Nutzlast 146a eine unregelmäßige geradlinige Form auf,
bei der die Greifer mit räumlich
versetzten Oberflächen 146a', 146a'', 146a''' koppeln müssen. In
dieser Anwendung verwenden die Sperrklinken-EOA-Werkzeuge 100 jeweils
ihre jeweiligen Niveaukompensatoren (d. h. 102 von 2A)
und Sperrklinkenmechanismen (d. h. 120 von 2A),
um sich an die Nutzlast anzupassen.
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In 6B weist
eine Nutzlast 146b eine unregelmäßige Form auf, bei der die
Greifer mit einer geneigten Oberfläche 146b' koppeln müssen. In
dieser Anwendung verwenden die Sperrklinken-EOA-Werkzeuge 100 jeweils
ihre jeweiligen Niveaukompensatoren (d. h. 102 von 2A)
und Sperrklinkenmechanismen (d. h. 120 von 2A), um
sich an die Nutzlast anzupassen.
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In 6C weist
eine Nutzlast 146c eine unregelmäßige Form auf, bei der die
Greifer mit einer gekrümmten
Oberfläche 146c' koppeln müssen. In dieser
Anwendung verwenden die Sperrklinken-EOA-Werkzeuge 100 jeweils
ihre jeweiligen Niveaukompensatoren (d. h. 102 von 2A)
und Sperrklinkenmechanismen (d. h. 120 von 2A), um
sich an die Nutzlast anzupassen.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, können an den vorstehend beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen Änderungen
oder Abwandlungen vorgenommen werden. Solche Änderungen oder Abwandlungen
können
ausgeführt
werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der nur
durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche begrenzt sein soll.