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Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug mit einem Befestigungselement zur Befestigung an einer Positionierungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verbindungswerkzeug und bevorzugt eine Schweißzange.
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Schweißzangen sind Werkzeuge für das Widerstandsschweißen, welche in großem Umfang und verschiedensten Bauarten bei industriellen Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Insbesondere ist das Punktschweißen aus der Karosseriefertigung von Autokarosserien bekannt, bei dem mindestens zwei Bleche zwischen zwei gegeneinander gepressten Schweißelektroden einer Schweißzange eingeklemmt und durch einen Schweißstrom miteinander punktförmig verschweißt werden. Schweißverfahren sind mit einem hohen Automatisierungsgrad durchführbar. Schweißzangen weisen üblicherweise eine Befestigungsplatte zur Befestigung an einem Industrieroboter auf. Der Industrieroboter ist in der Regel ein sechsachsiger Roboterarm, der die Schweißzange in beliebiger Position innerhalb seines Wirkungsbereiches anordnen kann. In modernen Karosserie-Fertigungsanlagen kommt eine Vielzahl derartiger Schweißzangen an unterschiedlichen Roboterarmen zum Einsatz. Verschiedene Bauarten von Schweißzangen gehen aus der Druckschrift
DE 102 23 821 A1 der Anmelderin hervor. Die Druckschrift
US 8 661 926 B2 zeigt in
5 eine Arbeitsstation zum gleichzeitigen Schweißen mit fünf Schweißzangen. Fünf sechsachsige Roboterarme tragen jeweils eine Schweißzange, die Schweißungen im oberen oder im unteren Bereich der Karosserie erzeugen.
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Aus der Medizintechnik sind auch Kombinationen einer Vielzahl von mehrachsigen Roboterarmen bekannt, die jeweils ein Bearbeitungswerkzeug tragen. Eine derartige Anordnung geht beispielsweise aus der
US 2021/0330403 A1 hervor.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bearbeitungswerkzeug zur optimalen Durchführung seiner Bearbeitungsaufgabe weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Bearbeitungswerkzeug ein mehrachsiger Roboterarm befestigt ist.
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Mit anderen Worten wird vorgeschlagen, an dem Werkzeug selbst einen Roboterarm zu befestigen, der das Werkzeug während des Einsatzes unterstützen kann. Der Roboterarm kann sowohl an dem Befestigungselement als auch an beliebigen anderen tragfähigen Abschnitten des Bearbeitungswerkzeuges befestigt werden. Insbesondere kann ein sechsachsiger Roboterarm am Bearbeitungswerkzeug befestigt werden. Ein sechsachsiger Roboterarm weist eine optimale Bewegungsfreiheit auf und ermöglicht es, im Wesentlichen, jeden Ort innerhalb seiner Reichweite zu erreichen.
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In der Praxis kann an dem freien Ende des mehrachsigen Roboterarms ein Manipulator angeordnet sein. Beispielsweise kann der Manipulator ein Greifer sein, der dem Bearbeitungswerkzeug Teile zuführt. Häufig werden mit Schweißzangen metallische Bauelemente an Werkstücke, z.B. Karosseriebleche, geschweißt. Beispielsweise können Muttern mit Innengewinden oder Blechscheiben verschweißt werden. Ähnliche Befestigungsarbeiten werden mit Lötwerkzeugen bei der Bestückung von Platinen durchgeführt. Wenn ein Roboterarm mit einem Manipulator unmittelbar an dem Bearbeitungswerkzeug befestigt ist, kann der Roboterarm zuverlässig zu befestigende Bauteile in die vorgegebene Position bringen und halten, während das Bearbeitungswerkzeug aktiv ist, im Falle einer Schweißzange eine Schweißung durchführt.
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Es können aber auch andere Vorrichtungen an dem mehrachsigen Roboterarm befestigt werden. Beispielsweise kann ein Ultraschallprüfkopf angeordnet werden, mit dem die Schweißqualität geprüft wird. Ferner kann eine Kamera oder ein Pyrometer angeordnet werden, um eine Kontrolle, Überwachung oder gar eine Steuerung der Schweißung durchzuführen. Beliebige Vorrichtungen, welche für die Unterstützung, Beobachtung oder Kontrolle des durch das Bearbeitungswerkzeuges durchgeführten Bearbeitungsvorgangs geeignet sind, können durch den Roboterarm in die vorgegebene Position gebracht werden.
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Es wurde bereits oben erwähnt, dass das Bearbeitungswerkzeug eine Schweißzange oder ein Lötwerkzeug sein kann. Ferner eignen sich Nietzangen oder Schraubwerkzeuge für die Befestigung von Bauelementen. An derartigen Bearbeitungswerkzeugen bzw. an den Gehäusen dieser Bearbeitungswerkzeuge kann der genannte mehrachsige Roboterarm befestigt werden. Die Erfindung ist aber nicht auf solche Befestigungswerkzeuge beschränkt. Der Roboterarm kann grundsätzlich an jedem Werkzeug befestigt werden, bei dessen Bearbeitung die Zufuhr eines Materials oder eines Bauteils oder die Zufuhr von Betriebsmitteln (Luft, Kühlflüssigkeit) erforderlich ist oder bei dessen Bearbeitung die Erfassung von Signalen durch eine Kamera oder einen sonstigen Sensor gewünscht ist.
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In der Praxis kann die Positionierungsvorrichtung für das Bearbeitungswerkzeug ein Industrieroboter sein. Bei der bereits beschriebenen Anordnung des mehrachsigen Roboterarms an einer Schweißzange kann diese über ihre Befestigungsplatte an einem Industrieroboter befestigt werden. Der Industrieroboter kann seinerseits einen mehrachsigen, insbesondere sechsachsigen Roboterarm aufweisen, an dessen freien Ende die Befestigungsplatte festgeschraubt ist. Das Bearbeitungswerkzeug kann aber auch mit seinem Befestigungselement an jeder anderen geeigneten Positionierungsvorrichtung befestigt werden, die das Bearbeitungswerkzeug zuverlässig in die vorgegebene Bearbeitungsposition bewegen kann.
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In der Praxis kann das Bearbeitungswerkzeug mit mindestens einer numerischen Steuereinheit gekoppelt sein, die zumindest eines der folgenden steuert:
- • das Bearbeitungswerkzeug;
- • den mehrachsigen Roboterarm;
- • die Positionierungsvorrichtung.
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Im zuvor beschriebenen Anwendungsfall einer Schweißzange ist in der Regel ein hoher Automatisierungsgrad erwünscht. In diesem Fall ist sowohl der Industrieroboter, an dem die Schweißzange befestigt ist, als auch die Schweißzange selbst numerisch gesteuert. Es ist möglich, eine integrierte Steuereinheit vorzusehen, die sowohl die Schweißzange als auch den Industrieroboter steuert. In der Praxis wird aber meist die Steuerung der Positionierung durch den Industrieroboter von der Steuerung der Schweißzange getrennt. Die Steuereinheiten sind in der Regel über Datenverbindungen miteinander gekoppelt. Der Begriff ‚Datenverbindung‘ schließt analoge, digitale, kabelgebundene und kabellose Signalübertragungskanäle ein. Wenn die Positionierungsvorrichtung die Bearbeitungsposition erreicht hat, sendet sie ein Signal an die Steuereinheit der Schweißzange. Diese führt dann die Schweißung aus, d.h., sie schließt die Schweißelektroden und leitet den Schweißstrom zu den Schweißelektroden.
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Wenn der Schweißvorgang abgeschlossen ist, sendet die Steuereinheit der Schweißzange ein Signal an die Steuereinheit des Industrieroboters, der gemäß einem vorgegebenen Programm entweder die Schweißzange von dem zu bearbeitenden Werkstück fortbewegt, damit das Werkstück weitertransportiert werden kann, oder zu einer anderen Bearbeitungsposition an dem genannten Werkstück bewegt, an der eine weitere Schweißung durchgeführt wird.
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Die Steuerung des mehrachsigen Roboterarms kann auch entkoppelt von der Steuerung des Bearbeitungswerkzeugs (Schweißzange) und der Positionierungsvorrichtung (Industrieroboter) erfolgen. Es kann aber die Steuerung des mehrachsigen Roboterarms durch die gleiche Steuereinheit erfolgen wie die Steuerung des Bearbeitungswerkzeugs. Der mehrachsige Roboterarm ist an dem Bearbeitungswerkzeug befestigt und dient der Unterstützung des Bearbeitungsvorgangs durch das Bearbeitungswerkzeug, so dass seine Funktionen vorzugsweise durch die gleiche Steuereinheit für das Bearbeitungswerkzeug mitgesteuert werden. Die Bewegungen des mehrachsigen Roboterarms sind wesentlicher Bestandteil des Bearbeitungsvorgangs und werden durch die gemeinsame Steuereinheit mit dem Funktionsablauf des Bearbeitungswerkzeugs synchronisiert. Die numerischen Steuereinheiten können entfernt von dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet sein und Datenverbindungen für die Übertragung der Steuerungssignale aufweisen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Bearbeitungswerkzeug eine Schweißzange ist. Das direkte Umfeld einer Schweißzange ist aufgrund der hohen Temperaturen und der hohen Schweißströme für numerische Steuereinheiten nicht empfehlenswert. Die Steuereinheiten sind in der Praxis in Steuerschränken angeordnet und über Datenverbindungen mit den zu steuernden Vorrichtungen verbunden.
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In der Praxis kann das Bearbeitungswerkzeug mindestens eine Haltevorrichtung für mindestens ein Bauteil aufweisen. Durch eine derartige Haltevorrichtung können mehrere Bauteile an dem Bearbeitungswerkzeug befestigt werden, die dann in einem Bearbeitungsvorgang verbaut werden können. Beispielsweise kann mit einer Schweißzange an einer Karosserie an vier verschiedenen Positionen je eine Schweißmutter festgeschweißt werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass an dem Bearbeitungswerkzeug selbst eine Haltevorrichtung für mindestens vier Schweißmuttern befestigt ist. Die Haltevorrichtung kann auf verschiedene Weise realisiert sein. Es können beispielsweise einfache Haltebolzen, gegebenenfalls in Kombination mit einer Magnetplatte, an dem Gehäuse einer Schweißzange als Haltevorrichtung befestigt werden. Die Schweißzange kann dann durch die Positionierungsvorrichtung in eine Ruheposition zurückbewegt werden, wenn die Bearbeitung eines ersten Werkstücks abgeschlossen ist und ein zweites Werkstück in die Bearbeitungsposition transportiert wird. In der Nähe der Ruheposition kann mindestens eine Ausgabestelle für zu befestigende Bauteile (z.B. Schweißmuttern) vorgesehen sein. Der Greifer kann während des Wechsels der Werkstücke wiederholt eine Schweißmutter an der Ausgabestelle ergreifen und zu der Haltevorrichtung transportieren. Nachdem der Greifer, die für den nächsten Bearbeitungsvorgang erforderliche Anzahl an Bauteilen ergriffen und an der Haltevorrichtung befestigt hat, kann die Schweißzange mit der Haltevorrichtung und dem Roboterarm für den nächsten Bearbeitungsvorgang zur Bearbeitungsposition transportiert werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass das Bearbeitungswerkzeug während der Bearbeitung eines Werkstückes mehrfach bewegt werden muss, um dem Roboterarm weitere Bauteile zukommen zu lassen.
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Alternativ ist es möglich, die zu montierenden Bauteile oder sonstiges - für die Bearbeitung erforderliches - Material über Zufuhrleitungen zum Bearbeitungswerkzeug (Schweißzange) zuzuführen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Befestigung eines Bauteils mittels eines Bearbeitungswerkzeugs, das ein Befestigungselement aufweist, welches an einer Positionierungsvorrichtung befestigt ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug mittels der Positionierungsvorrichtung in die Bearbeitungsposition bewegt wird.
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Zur Optimierung der Bearbeitung durch das Bearbeitungswerkzeug wird mit einem an dem Bearbeitungswerkzeug befestigten mehrachsigen Roboterarm das Bauteil in die Befestigungsposition bewegt, woraufhin das Bearbeitungswerkzeug das Bauteil befestigt.
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Wie oben bereits angesprochen, kann der Roboterarm das Bauteil von einer an dem Befestigungswerkzeug befestigten Haltevorrichtung entnehmen. Ebenfalls kann der Roboterarm das Bauteil von einem Vorrat entnehmen und an der Haltevorrichtung befestigen, bevor das Bearbeitungswerkzeug durch die Positionierungsvorrichtung zur Bearbeitungsposition an dem zu bearbeitenden Werkstück bewegt wird.
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Ebenfalls kann der Roboterarm das Bauteil von einem Vorrat entnehmen und an der Haltevorrichtung befestigen, bevor das Bearbeitungswerkzeug durch die Positionierungsvorrichtung zu dem zu bearbeitenden Werkstück bewegt wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine an dem letzten Glied eines Roboterarms befestigte Schweißzange in dreidimensionaler Ansicht.
- 2 zeigt eine Seitenansicht eines Industrieroboters mit der Schweißzange aus 1.
- 3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht des Industrieroboters mit Schweißzange aus 2 während des Betriebs.
- 4 zeigt schematisch Steuereinheiten für den Industrieroboter mit Schweißzange aus 2.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Schweißzange 1 mit einem daran befestigten, sechsachsigen Roboterarm 2. Die Schweißzange 1 weist eine Befestigungsplatte 3 auf, die ein Befestigungselement bildet, mit der die Schweißzange 1 an einem Industrieroboter 4 (siehe 2 und 3) festgeschraubt ist. Der Industrieroboter 4 ist seinerseits ein sechsachsiger Roboterarm, an dessen freien Ende die Befestigungsplatte 3 festgeschraubt ist. In der 1 sind lediglich die vorderen zweigelenkig verbundenen Glieder des Roboterarms 4 dargestellt. Der Industrieroboter 4 bildet die Positionierungsvorrichtung, mit der die Schweißzange 1 in die Bearbeitungspositionen am Werkstück bewegt wird.
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Die Schweißzange 1 ist eine sogenannte C-Zange. Sie weist einen starren C-förmigen Schweißarm 5 auf, der die feste, in den Zeichnungen untere Schweißelektrode 6 trägt. Am gegenüberliegenden Ende des Schweißarms 5 ist ein Elektrodenantrieb 7 vorgesehen, der die bewegliche Elektrode 8 axial verschiebbar trägt. Die Orientierung oben und unten gelten lediglich für die Ausrichtung der Schweißzange 1 in den beigefügten Zeichnungen. Da die Schweißzange 1 von dem Industrieroboter 4 gehalten wird, kann sie beliebige Lagen und Positionen im Raum einnehmen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte Bauart von Schweißzangen beschränkt ist. Eine weitere weitverbreitete Bauart von Schweißzangen für das Widerstandsschweißen ist eine X-Zange. Auch hier kann am Gehäuse der Zange oder an der Befestigungsplatte 3 ein mehrachsiger Roboterarm 4 befestigt werden. Auch ist es möglich, an einem derartigen Roboterarm 4 andere Bearbeitungswerkzeugen als Schweißzangen zu befestigen.
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In den 1 und 3 ist die Schweißzange 1 während des Betriebs an einem zu bearbeitenden Werkstück, im vorliegenden Fall einem Profilblech 9, dargestellt. Mit der Schweißzange 1 werden auf dem Profilblech 9 verschiedene Bauteile, in dem dargestellten Beispiel Schweißmuttern 10 in Sechskantform, Vierkantmuttern 11 und ringförmige Schweißmuttern12 festgeschweißt. Diese Bauteile sind selbstverständlich beliebig gewählt und können je nach Anforderung des Fertigungsprozesses anders ausgebildet sein.
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Am Ende des mehrachsigen Roboterarms 2 ist ein Manipulator, im dargestellten Beispiel ein Greifer 13 angeordnet. In der 2 ist zu erkennen, dass an der Seite der Schweißzange 1, an der der mehrachsige Roboterarm 2 befestigt ist, ein Magazin 14 angeordnet ist, welches eine Haltevorrichtung für die zu montierenden Bauteile 10-12 bildet. Die 2 zeigt, dass im linken Drittel des Magazins 14 eine vertikale Reihe mit sechs untereinanderliegenden Sechskant-Schweißmuttern 10 angeordnet ist. In der Mitte des Magazins 14 ist eine vertikale Reihe mit sechs untereinanderliegenden Vierkant-Schweißmuttern 11 angeordnet. In dem rechten Drittel des Magazins 14 ist eine vertikale Reihe mit sechs untereinanderliegenden ringförmigen Schweißmuttern angeordnet. Das Magazin 14 kann eine magnetische Grundplatte aufweisen, sodass die auf entsprechende Haltebolzen aufgeschobenen Bauteile 10-12 beim Bewegen der Schweißzange 1 magnetisch gehalten werden und sich nicht vom Magazin 14 lösen. Der Greifer 13 kann eines der vom Magazin 14 gehaltenen Bauteile 10, 11, 12 ergreifen und in die gewünschte Position bewegen, sodass das Bearbeitungswerkzeug, d.h., die Schweißzange 1, das Bauteil festschweißen kann.
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Nachdem das zu bearbeitende Werkstück, in den Zeichnungen das Profilblech 9, vollständig bearbeitet ist, kann die Schweißzange 1 von dem Werkstück 9 fortbewegt werden. Vorzugsweise wird die Schweißzange 1 in eine Ruheposition bewegt, in der der Greifer 13 von vorgegebenen Übergabeplätzen (nicht dargestellt) neue Bauteile 10, 11, 12 ergreifen und an dem Magazin 14 befestigen kann. Alternativ kann der Greifer 13 das gesamte Magazin 14 von der Schweißzange 1 lösen und ein neues Magazin 14 mit neuen Bauteilen 10, 11, 12 an der Schweißzange 1 befestigen.
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Wie eingangs erwähnt, ist die Schweißzange als Bearbeitungswerkzeug mit daran befestigtem mehrachsigen Roboterarm lediglich ein Beispiel für die Umsetzung der hier beschriebenen Entwicklung. Es können andere Befestigungswerkzeuge oder auch andere Bearbeitungswerkzeuge gewählt werden, an denen ein Roboterarm befestigt wird. Die durch das Werkzeug zu befestigende Bauteile können beliebig gewählt werden. Auch kann an dem mehrachsigen Roboterarm 2 anstatt eines Manipulators 13 ein Sensor, eine Kamera, ein Pyrometer, ein Ultraschallprüfkopf o. ä. zur Überprüfung der Qualität der Bearbeitung durch das Bearbeitungswerkzeug angeordnet werden.
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Die 4 zeigt schematisch die Steuereinheiten 15, 16. Die Steuereinheiten 15, 16 weisen Datenverbindungen 17 - 20 zur Übertragung der Steuersignale auf. Eine erste Steuereinheit 15 ist über eine Datenverbindung 17 mit einer Schnittstelle des Industrieroboters 4 verbunden. Eine zweite Steuereinheit 16 ist mit einer zweiten Datenverbindung 18 mit der Schweißzange 1 verbunden und mit einer dritten Datenverbindung 19 mit dem Roboterarm 2. Wenn die Steuereinheit 16 den Industrieroboter 4 derart angesteuert hat, dass sich die Schweißzange 1 in der Bearbeitungsposition befindet, gibt sie ein Signal über eine weitere Datenverbindung 20 an die Steuereinheit 17. Die Steuereinheit 17 kann dann die Schweißzange 1 über die Datenverbindung18 und den Roboterarm 2 über die Datenverbindung 19 zur Befestigung der Bauteile 10, 11, 12 an dem Werkstück ansteuern. Die Datenverbindungen 18 und 19 können auch zusammengefasst sein und zu einer Schnittstelle an der Schweißzange 1 führen, von der aus die Steuersignale dann sowohl an die einzelnen Elemente der Schweißzange als auch an den Roboterarm 2 geleitet werden. Ebenso ist es möglich, ein von der Steuereinheit 16 getrenntes Steuerungsmodul (nicht dargestellt) für den Roboterarm 2 zu verwenden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Steuerung nur schematisch in Bezug auf die Funktion der hier beschriebenen Anordnung erläutert ist. In der Praxis weist die Anordnung noch eine Vielzahl weiterer Versorgungsleitungen auf, um die Funktion von Schweißzange 1, Industrieroboter 4 und Roboterarm 2 sicherzustellen.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schweißzange, Bearbeitungswerkzeug
- 2
- mehrachsiger Roboterarm
- 3
- Befestigungsplatte, Befestigungselement
- 4
- Positionierungsvorrichtung, Industrieroboter
- 5
- Schweißarm
- 6
- feste Elektrode
- 7
- Elektrodenantrieb
- 8
- bewegliche Elektrode
- 9
- Profilblech, zu bearbeitendes Werkstück
- 10
- Schweißmutter, Bauteil
- 11
- Vierkantmutter, Bauteil
- 12
- ringförmige Schweißmutter, Bauteil
- 13
- Greifer, Manipulator
- 14
- Magazin, Haltevorrichtung
- 15
- Steuereinheit für die Positionierungsvorrichtung
- 16
- Steuereinheit für die Schweißzange
- 17
- Datenverbindung
- 18
- Datenverbindung
- 19
- Datenverbindung
- 20
- Datenverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10223821 A1 [0002]
- US 8661926 B2 [0002]
- US 2021/0330403 A1 [0003]
