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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißeinrichtung und eine Widerstandsschweißeinrichtung als solche.
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Widerstandsschweißeinrichtungen erfordern das Vorhandensein eines Antriebsstrangs zur mechanischen Ausrichtung der Schweißzange beziehungsweise zur exakten Positionierung der an der Schweißzange angeordneten Schweißelektroden an einem zu bearbeitenden Werkstück.
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Der Antriebsstrang umfasst unter anderem einen Antriebsregler oder Antriebsverstärker, einen Linearantrieb mit elektrischem Motor und eine mechanische Spindel.
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Derartige Spindelantriebe sind mit einer um eine vorgegebene Drehachse drehbar angeordneten Spindel und einem Eingriffselement versehen. Dieses Eingriffselement umgibt die Spindel abschnittsweise und ist in Richtung der Drehachse der Spindel gegenüber der Spindel verschiebbar.
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Das Eingriffselement greift derart in die Spindel ein, dass durch eine Drehung der Spindel bezüglich des Eingriffselementes die Verschiebung des Eingriffselements gegenüber der Spindel verursacht wird.
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Solche Spindelantriebe umfassen in der Regel auch Schmiermittel, um einem mechanischen Verschleiß vorzubeugen.
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Die Lebensdauer solcher Spindeln liegt bei 10 bis 15 Mio. Schweißzyklen, wobei während der Schweißung eine Schweißkraft von bis zu 5 kN von der Mechanik konstant erbracht werden muss, denn nur bei konstanter Kraft wird auch die Fügeebene der Schweißung konstant gehalten.
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Mit zunehmender Lebensdauer leidet die Qualität der Schweißverbindungen, weil der konstante hohe Kraftaufwand aufgrund des mechanisches Verschleißes der Spindel nicht mehr erbracht werden kann und auch die Positioniergenauigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann. Folge können sein: Unterbrechungen einer laufenden Montagestraße, insbesondere im Automobilbau, höherer Ausschuss, insgesamt dadurch höhere Kosten.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine vorbeugende Wartung für den Antriebsstrang der Widerstandsschweißeinrichtung, insbesondere bezüglich der Spindel, ohne zusätzliche Sensorik zu realisieren. Diese vorbeugende Wartung soll auch im laufenden Betrieb der Widerstandsschweißeinrichtung erfolgen können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem ein Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißeinrichtung und eine geeignete Widerstandsschweißeinrichtung bereitgestellt wird. Diese Widerstandsschweißeinrichtung umfasst einen Antriebsstrang, einen Antriebsregler und einen Linearantrieb mit elektrischem Motor und mechanischer Spindel zur Positionierung der Schweißelektroden an einem Werkstück.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird ein zu messendes Signal des Antriebsstrangs ausgewählt, wobei das ausgewählte Signal zu einem ersten Zeitpunkt in einem zweiten Verfahrensschritt gemessen wird. Dabei wird das Messergebnis in Form von Referenzdaten gespeichert wird. Während eines dritten Verfahrensschrittes wird dasselbe Signal erneut gemessen und mit dem während des ersten Zeitpunktes gemessenen Signal unter Verwendung der Referenzdaten verglichen.
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Bei dem zu messenden Signal des Antriebsstrangs kann es sich unter anderem um die Temperatur der Wicklungen des vom Antriebsstrang umfassten Motors, um die Motorposition oder um den Motorstrom handeln.
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Aus der Wicklungstemperatur lassen sich beispielsweise wertvolle Daten zu folgenden Aspekten ableiten: Reibung, Lagerverschleiß, Schmiermittelverschleiß. Ähnliche Rückschlüsse sind auch mittels des Motorstroms möglich.
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Sofern während des Vergleichs eine nennenswerte Abweichung auftritt, ist dies ein Hinweis dafür, dass sich im Antriebsstrang vermutlich eine mechanische und/oder eine elektrische Eigenschaft verändert hat.
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Um dies noch besser abschätzen zu können wird zusätzlich mindestens eine Hüllkurve verwendet, mit der die Messergebnisse zusätzlich verglichen werden können. Die Hüllkurve wird mittels einer ersten und zweiten Toleranzschwelle realisiert werden, welche vom Benutzer vorgebbar ist.
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Solch eine signalbasierte Hüllkurve ermöglicht es das ausgewählte Signal bezüglich eines ersten oberen und eines zweiten unteren Toleranzbandes zu überwachen. Dadurch kann ein Schwellwertbereich definiert werden, welcher zur weiter optimierten Unterdrückung von Fehlsignalen und Vorgabe von Toleranzbereichen dienen kann, welche aus der Prozesserfahrung des Bedieners stammen.
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Aufgrund der Überwachung eines oder mehrerer der auswählbaren Signale kann nun mittels der Erfindung der Kraftaufwand an der Schweißzange indirekt und regelmäßig auch während des laufenden Betriebs überwacht werden.
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Tritt im Laufe der Zeit bezüglich des Kraftaufwandes eine Veränderung auf, so ist dies in der Regel auf einen Verschleiß der im Antriebsstrang verbauten Komponenten zurückzuführen. Wenn nun der vom Antriebsstrang umfasste Linearantrieb in Form eines Eingangs erwähnten Spindelantriebs realisiert ist, ist die Ursache des mechanischen Verschleißes meist dort zu suchen.
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Die Produktivität kann durch frühzeitige Reaktion des Bedienpersonals der Schweißzangeneinrichtung nun dadurch erhöht werden, dass unter Verwendung der Erfindung frühzeitig auf die festgestellten Veränderungen bezüglich des Kraftaufbaus reagiert wird.
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Gegebenenfalls kann die Widerstandsschweißeinrichtung sogar über die vorgegebene Lebensdauerangabe hinaus betrieben werden, sofern aus den Messergebnissen kein Verschleiß ableitbar sein sollte. Dies spart Kosten ein, denn ein vorsorglicher Austausch des Spindelantriebs oder der Spindel nach Erreichen der maximal zulässigen Hubanzahl ist nicht mehr erforderlich. Solange mittels der erfindungsgemäßen Lösung kein nennenswerter Verschleiß erkannt wird, kann die Widerstandsschweißeinrichtung weiter betrieben werden.
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Bevorzugt erfolgt der Vergleich zyklisch, denn mittels der zyklischen Überwachung eines oder mehrerer der ausgewählten Signale kann der Kraftaufbau an der Schweißzange kontinuierlich nachverfolgt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Anzahl der Messzyklen frei vom Bediener der Einrichtung einstellbar. Die Vergleichsergebnisse können dem Betreiber der Widerstandsschweißeinrichtung somit in einem vom Bediener vorgebbaren Rhythmus eine Information darüber liefern, mit welcher Intensität Veränderungen während des Betriebs der Widerstandsschweißeinrichtung stattfinden.
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Der Vergleich kann auch mittels eines frei definierbaren Triggersignals gestartet werden. Das Triggersignal könnte mittels eines bezüglich des Antriebsstrangs internen Signals, beispielsweise des Lageistwertes, des Motorstromistwertes oder des Positionsistwertes oder sogar mittels eines externen Signals realisiert sein. Als externes Signal käme, beispielsweise auch das Triggersignals einer gegebenenfalls vom Antriebsregler umfassten Digitaloszilloskopfunktion oder das Triggersignals eines externen Digitaloszilloskopes in Frage.
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Die Triggerschwelle des Triggersignals sollte frei vom Bediener der Einrichtung einstellbar sein, was die Adaptierung der Anordnung an spezifische Messaufgaben erleichtert.
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Bevorzugt sollte zusätzlich auch ein Empfindlichkeitsrichtwert abgespeichert werden, mit der das Messergebnis vergleichbar ist.
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Toleranzschwellen, Hüllkurven und Empfindlichkeitsrichtwerte erhöhen die Flexibilität bei der Konfiguration der Widerstandsschweißeinrichtung und erleichtern die Adaptierung der Messwerterfassung an spezifische Messaufgaben. Der Betreiber der Widerstandsschweißeinrichtung kann so eigenes Prozess-Know-How in den Vergleich einfließen lassen, indem er geeignete Werte zur Definition der der zuvor genannten Parameter und bezüglich der weiter oben erwähnten Zyklen und Triggersignalschwellen vorgibt.
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Mit Hilfe der Hüllkurvenüberwachung beispielsweise des Motor-Ist-Stromes kann detektiert werden, ob sich die mechanischen Eigenschaften der Zange verändert haben. Eine Wartung der Schweißzange kann somit ereignisorientiert (zukunftsorientiert) stattfinden und erfordert kein festes Zeitintervall mehr.
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Idealerweise können während des Vergleichs auch weitere für Widerstandsschweißanlagen charakteristische Kenngrößen berücksichtigt werden. Beispielsweise könnten Informationen über die Schweißlinse (Form, Temperatur, Reinheit und dergleichen) am Werkstück, die auftretenden Temperaturen am Werkstück, die Temperatur im Schweißtransformator, Materialeigenschaften des Werkstückes und dergleichen berücksichtigt werden.
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Idealerweise erhält der Betreiber der Einrichtung frühzeitig eine Diagnosemeldung, insbesondere mittels eines Datennetzwerkes und/oder eines Bedienterminals der Einrichtung, welche ihn über das Ergebnis des im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung durchgeführten Vergleichs informiert.
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Die vorbeugende Wartung kann nun verschleißabhängig erfolgen und muss nicht mehr in festen Intervallen und unabhängig von einem tatsächlichen Verschleiß erfolgen.
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Ganz besonders bevorzugt könnte unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses eine Diagnosemeldung bezüglich der Auswirkungen von Abweichungen auf die Qualität der durchzuführenden Schweißarbeiten erzeugt werden, um für weniger mit dem Schweißprozess vertrautem Bedienpersonal zusätzliche Informationen aufzubereiten und in Echtzeit als Leitfaden für die weitere Vorgehensweise bereitzustellen.
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Für die Durchführung des oben genannten Verfahrens wird eine Eingangs erwähnte Widerstandsschweißeinrichtung mit Antriebsstrang, Antriebsregler, elektrischem Linearantrieb vorgeschlagen, wobei in dem Antriebsregler Mittel in Form von Hardware und/oder Software zur Durchführung des Verfahrens integriert sind, so dass das Verfahren vom Antriebsregler vorzugsweise durchführbar ist.
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Bevorzugt ist der Antriebsregler vom Linearantrieb umfasst, um eine möglichst kompakte Anordnung bereitzustellen. Weiter bevorzugt ist vom Antriebsregler auch noch eine Speicherprogrammierbare Steuerung umfasst, so dass die Anordnung zusätzliche Informationen, wie die Verarbeitung externer Sensorsignale, durchführen und visualisieren kann.
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Bevorzugt ist vom Antriebsregler eine Digitaloszilloskopfunktion umfasst, welche bezüglich des Antriebsstrangs interne und externe Signale messtechnisch erfassen kann und auch als Trigger zum Start der Verfahrensschritte I bis III dienen kann.
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1 zeigt einen von der Widerstandsschweißeinrichtung umfassten Spindelantrieb.
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2 zeigt schematisch die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt eine Schweißzange mit Antriebsstrang.
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4 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spindelantrieb 1, wie er beispielsweise bei Elektroservozylindern in Schweißzangen Anwendung finden kann. Dabei kennzeichnet das Bezugzeichen 2 eine Spindel, die um eine Drehachse X drehbar ist. An ihrem Außenumfang weist diese Spindel 2 ein Gewinde auf. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet ein Eingriffselement wie eine Mutter, welches ein Innengewinde aufweist und damit in das Außengewinde der Spindel 2 eingreift. Auf diese Weise wird durch eine Drehbewegung der Spindel 2 gegenüber dem Eingriffselement 4 auch eine Verschiebung des Eingriffselements 4 gegenüber der Spindel 2 in Richtung der Drehachse K erreicht.
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Das Bezugszeichen 18 kennzeichnet ein Kopplungselement, welches an dem Eingriffselement 4 angeordnet ist, und welches die Bewegung des Eingriffselements 4 in Richtung der Drehachse X auf einen Kopf 124 bzw. ein Auge 124 überträgt. Damit bewegt sich das Kopplungselement 18 gemeinsam mit dem Eingriffselement 4 in Richtung der Drehachse X. Sowohl das Eingriffselement 4 als auch das Kopplungselement 18 sind drehfest angeordnet. Das Kopplungselement 18 überträgt dabei die eigentlichen Druckkräfte.
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Das Bezugszeichen 124 bezieht sich, wie gesagt, auf einen Kopf bzw. ein Auge der Vorrichtung. An diesem Auge 124 können insbesondere stirnseitig weitere Elemente wie Bolzen (nicht gezeigt) zur Kraftübertragung angeordnet werden. Gleichzeitig befindet sich an diesem Auge 124 auch eine Zuführöffnung 12 in Form eines Schmiernippels. Ausgehend von dieser Zuführöffnung 12 wird das Schmiermittel radial nach innen geleitet und gelangt dort zunächst in einen radial verlaufenden ersten Kanalabschnitt 14a und von dort in einen sich in Richtung der Achse X erstreckenden zweiten Kanalabschnitt 14b.
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Beim Zusammenbau wird das Auge 124 in das Außenrohr 8 eingeschraubt. Da durch diesen Einschraubvorgang die Drehstellung zwischen dem Auge 124 und dem Außenrohr nicht stets festliegt, weist das Auge 124 eine umlaufende Nut 126 (um die Drehachse X) auf, in die das Schmiermittel eintreten kann um von dort weitergeleitet zu werden in einen dritten Kanalabschnitt 14c, der hier zwischen dem Kopplungselement 18 und dem Außenrohr 8 angeordnet ist.
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Anstelle des gezeigten Kanalabschnitts 14c könnte jedoch auch ein zusätzliches Kanalrohr vorgesehen sein oder auch wie oben erwähnt eine Bohrung innerhalb des Kopplungselements 18 oder des Außenrohr 8. Das Kopplungselement 18 weist eine sich in Richtung der Drehachse X erstreckende Nut auf, welche gemeinsam mit der Innenwandung des Außenrohrs 8 den Kanalabschnitt 14c begrenzt. Das Bezugszeichen 122 bezieht sich auf eine Ausnehmung bzw. einen Hohlraum, der in dem Auge 124 ausgebildet ist und zur Aufnahme eines Endabschnitts der Spindel 2 dient.
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Das Bezugszeichen 128 bezieht sich auf einen innerhalb des Auges 124 ausgebildeten Endanschlag, der eine Endstellung der Spindel 2 innerhalb des Auges 124 definiert. Dem dritten Kanalabschnitt 14c schließt sich ein vierter Kanalabschnitt 14d an, der zwischen dem Außenrohr 8 und der Mutter 4 gebildet wird. Zu diesem Zweck weist das Außenrohr 8 eine Ausnehmung zum Führen des Schmiermittels auf. Ausgehend von diesem vierten Kanalabschnitt 14d gelangt das Schmiermittel über einen wiederum radial verlaufenden fünften Kanalabschnitt 14e in das Eingriffsmittel 4, genauer gesagt einem Bereich zwischen dem Eingriffsmittel 4 und dem Außenumfang der Spindel 2.
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Dabei sind, wie oben erwähnt, das Außenrohr 8 sowie das Kopplungselement 18 und auch das Auge 24 zueinander drehfest angeordnet. Es sind weiterhin Führungsmittel (nicht gezeigt) vorgesehen, welche das Außenrohr und die weiteren Elemente drehfest halten wobei hier beispielsweise Gleitlager vorgesehen sein können, welche eine Linearverschiebung des Außenrohrs mit dem Auge gegenüber der Spindel 2 ermöglichen.
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Aus den Ausführungen oben wird ersichtlich, dass der im Rahmen der Erfindung verwendete Spindelantrieb eine Vielzahl von Komponenten umfasst, welche im Rahmen eines langjährigen Betriebs verschleißen können oder verunreinigt werden können. Beispielsweise können die Gewinde, die Schmiermittelkanäle oder sonstige Engstellen im Spindelantrieb durch die Verunreinigungen zu einem schlechteren Schweißergebnis führen. Die Erfindung hilft diesem Problem vorzubeugen.
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2 zeigt schematisch die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein geeignetes Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens. Das Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Erfassungseinrichtung 21, welche die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu messende Signale des Antriebsstrangs erfasst. Diese Signale müssen zuvor vom Benutzer ausgewählt worden sein. Als Beispiel für ein zu messenden Signals sei hier der Motorstrom genannt.
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Der Motorstrom wird von der Erfassungseinrichtung 21 erfasst. Diese Erfassung kann periodisch und automatisch oder manuell und benutzergesteuert erfolgen. Die so gemessenen Signale werden mittels einer Einrichtung zur Messwertaufzeichnung 23 aufgezeichnet. Hauptbestandteile der Erfassungseinrichtung 21 sind Einrichtungen zur Signalmessung 22 und zur Messwertaufzeichnung 23.
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Das Mittel 20 zur Durchführung des Verfahrens umfasst außerdem noch eine Analyseeinrichtung 24, welche aus den aufgezeichneten Messwerten Referenzdaten 25 als Sollwerte für eine bevorstehende Analyse ableitet und aus der Messwertaufzeichnung die derzeit vorliegenden Istwerte für die bevorstehende Analyse ableitet 28. Die Analyse selbst besteht aus einem Vergleich der Sollwerte und der Istwerte, wobei zusätzlich vom Benutzer eingebrachtes Anlagenprozess – Knowhow 26 berücksichtigt werden kann. Grenzempfindlichkeiten 27 können bei Bedarf ebenfalls definiert werden. Die Auswertung und der Vergleich der Daten erfolgt mittels einer Auswertungs- und Vergleichseinrichtung 29.
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Das Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst außerdem noch eine Diagnoseeinrichtung 30, welche dem Benutzer das Ergebnis der Analyse aufbereitet und signalisiert (visuell, akustisch oder taktil).
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3 zeigt eine Widerstandsschweißeinrichtung mit Antriebsstrang 31, umfassend einen Antriebsregler 32 und einen Linearantrieb 33 mit elektrischem Motor 34 und mechanischer Spindel 35 zur Positionierung der Schweißelektroden 36, 37 an einem Werkstück 38. Weiter ist gezeigt eine SPS 39 (eventuell integriert in den Antriebsregler 32) sowie das vorzugsweise in den Antriebsregler 32 integrierte Mittel zur Durchführung des Verfahrens. Davon abgesehen wäre es auch möglich eine Gesamtintegration zu realisieren, bei der Antriebsregler 32, die SPS 39 und das Mittel 20 in das Gehäuse des Antriebsstrangs 31 integriert sind. Weiterhin ist in 3 eine Schweißzange gezeigt, welche die Schweißelektroden 36, 37 hält.
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4 zeigt ein Ablaufschema für das erfindungsgemäße Verfahren, wobei in einem ersten Verfahrensschritt 1 ein zu messendes Signal des Antriebsstrangs ausgewählt wird, wobei das ausgewählte Signal zu einem ersten Zeitpunkt in einem zweiten Verfahrensschritt II gemessen wird und wobei das Messergebnis in Form von Referenzdaten gespeichert wird, wobei zu einem späteren Zeitpunkt in einem dritten Verfahrensschritt III dasselbe Signal erneut gemessen wird und mit dem während des ersten Zeitpunktes gemessenen Signals unter Verwendung der Referenzdaten verglichen werden.
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Mittels der Überwachung des Ist-Motor-Stromes kann der Kraftaufbau der Widerstandspunktschweißzange überwacht werden. Eine zustandsorientierte Wartung oder eine präventive Wartung ist somit möglich. Auch über die übliche Lebensdauer von 15 Millionen Hübe hinaus könnte die Schweißzange mit diesem Verfahren betrieben werden, solang der Kraftaufbau stimmt.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
