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Die
Erfindung betrifft eine Schweißzange
mit fixierbarer Ausgleichsvorrichtung, die z.B. zum roboterbetriebenen
Schweißen
von Automobilkarosserien benutzt werden kann.
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Beim
Betrieb von Schweißzangen
kommt es sehr leicht zu unerwünschten
Relativbewegungen. Bei Schweißzangen
an Robotern sind dies unerwünschte
Relativbewegungen zwischen der Schweißzange und dem Roboterarm.
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Um
diese unerwünschten
Relativbewegungen bei der Positionierung von Schweißzangen
zu verhindern, ist es üblich
kurz vor Erreichen der Schweißposition
eine freie Beweglichkeit der Schweißzangenschenkel zuzulassen,
um etwaige unerwünschte
Relativbewegungen auszugleichen. Nach dem Ausgleich der ungewünschten
Relativbewegung und der Einnahme der gewünschten Schweißposition
wird die starre Kopplung zwischen Schweißzange und Roboterarm wieder
hergestellt.
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Es
ist Stand der Technik diese Fixierung zwischen Schweißzange und
Roboterarm durch zusätzliche
pneumatische, hydraulische oder elektromotorische Antriebe zu erreichen.
Diese zusätzlichen
Antriebe benötigen
aber zusätzliche
Versorgungsmedien, wie Druckluft, Druckwasser oder elektrischen Strom.
Außerdem
benötigen
solche zusätzlichen
Antriebe zusätzliche
Steuereinheiten.
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Eine
beispielhafte Ausführung
einer Schweißzange
ist in
DE 10202518
A1 zu finden. In dieser Ausführung ist eine freie Beweglichkeit
der Schweißzangenschenkel
während
der Positionierung nicht möglich,
weshalb sich die oben angesprochenen unerwünschten Relativbewegungen einstellen
werden.
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Des
weiteren wird in
DE
19801652 A1 eine Schweißzange vorgestellt, bei welcher
eine Relativbewegung der Schweißzangenschenkel
zueinander nur während
des Schweißvorgangs
ermöglicht
wird. Die oben angesprochenen Relativbewegungen während der
Positionierung können
jedoch hiermit auch nicht verhindert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schweißzange mit fixierbarer Ausgleichsvorrichtung,
insbesondere zur Verwendung an einem Schweißroboter zur Verfügung zu
stellen, wobei für den
Ausgleich unerwünschter
Relativbewegungen während
der Positionierung keine zusätzlichen
Antriebe benötigt
werden.
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe für eine
Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei
der Positionierung von Schweißzangen (Einnahme
eines Arbeitspunktes) treten sehr leicht Ungenauigkeiten, insbesondere
durch unerwünschte Relativbewegungen
zwischen der Schweißzange und
der Vorrichtung auf, an der die Schweißzange befestigt ist. Insbesondere
handelt es sich bei diesen Relativbewegungen um Bewegungen zwischen
der Schweißzange
und einem Roboterarm. Beim Annähern
der Schweißzange
z.B. an ein zu schweißendes Blech
muss üblicherweise
durch einen Ausgleichsantrieb die starre Fixierung der Schweißzange mit
dem Roboterarm gelöst
werden, damit von der Schweißzange
die Schweißposition
eingenommen werden kann. Hat die Schweißzange die Schweißposition eingenommen,
muss wiederum üblicherweise
durch den Ausgleichsantrieb die starre Fixierung zwischen Zange
und Roboterarm wiederhergestellt werden.
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Der
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere darin, dass
auf den zusätzlichen
Ausgleichsantrieb verzichtet werden kann. Darüber hinaus werden keine zusätzlichen
Versorgungsmedien (Druckluft, Druckwasser, elektrischer Strom) bzw.
zusätzliche
Steuerungseinheiten benötigt.
Der zusätzliche Ausgleichsantrieb
wird durch einfache mechanische Hilfsmittel ersetzt.
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Die
betrachteten Schweißzangenschenkel weisen
folgende Merkmale auf:
- – jeweils eine Elektrode,
- – jeweils
ein erstes Schenkelelement, ein zweites Schenkelelement und einen
Anlenkhebel, sowie
- – jeweils
ein Verbindungselement zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkelelement,
wobei die Verbindungselemente an einem gemeinsamen ortsfesten Bezugspunkt
drehbar angeordnet sind und wobei die Anlenkhebel derart miteinander
durch eine mechanische Kopplung gekoppelt sind, dass jeder Schweißzangenschenkel über die
Kopplung eine Bewegung ausführt.
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Durch
die Verwendung einer Kombination von Hebel und Kopplung (Getriebe)
wird eine direkte Steuerung von Kraft und Geschwindigkeitsverlauf der
Schweißzangenschenkel
ermöglicht.
Dadurch können
anwendungsfallspezifisch angepasste Prozesskräfte erzeugt werden (z.B. hohe
Geschwindigkeit beim Schließen,
aber hohe Kräfte
beim Zusammenpressen). Die Länge
der Verbindungselemente kann statisch oder dynamisch (im Betrieb)
verändert werden.
Dadurch kann sehr leicht die Öffnung
der Schweißzange
am Arbeitspunkt variiert werden. Weiterhin ist es vorteilhaft die
Elektroden so auszugestalten, dass sie nachführbar sind. Aufwendige Umrüstarbeiten
werden dadurch vermieden. Es ist auch vorstellbar, dass Sensoren
zur Kraftmessung (z.B. Dehnungsmessstreifen) oder Mittel zur Schweißkraftbegrenzung
(z.B. elastische Federelemente) an den Schweißzangenschenkeln angebracht
sind. Insbesondere bei der Verwendung von Exzentergetrieben sind
Mittel zur Schweißkraftbegrenzung
sehr vorteilhaft. Denn im gestreckten Zustand des Exzenters kommt
es zu einem "Unendlichkeitspunkt
im Kraftverlauf".
In dieser Stellung können
sehr leicht die Schweißzange
selbst bzw. das zu schweißende
Material beschädigt
oder sogar zerstört
werden. Durch die Verwendung von Mitteln zur Schweißkraftbegrenzung
wird sichergestellt, dass der Kraftverlauf in dieser "Unendlichkeitsstelle" abgepuffert wird.
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Eine
erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
sich beim Öffnen
der Schweißzangenschenkel
die Fixierung löst
und die Kopplung wieder in der Führungsschiene
bewegbar wird. Dadurch wird mit einfachen mechanischen Hilfsmitteln
die freie Beweglichkeit der Schweißzange bzw. der Schweißzangenschenkel
wiederhergestellt, so dass die Schweißzange wieder eine neue Schweißposition
einnehmen kann. Durch die Führungsschiene
wird die Beweglichkeit der Schweißzange kontrolliert.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Kopplung auf der Führungsschiene
innerhalb von Begrenzungen bewegbar ist. Dadurch werden unerwünscht große Bewegungen
und Ausschläge
der Zange vermieden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Schweißzangenschenkel
symmetrisch betätigbar
sind. Dadurch ist es leichter die Elektroden am Arbeitspunkt zu
positionieren. Außerdem
können
höhere
Kräfte
beim Zusammenpressen erzeugt werden. Weiterhin bewirken symmetrische
Bewegungen günstige
Eigenschaften auf den zu verrichtenden Schweißvorgang.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
die Kopplung (8) als Exzentergetriebe oder als Umlaufgetriebe
oder als Hebelgetriebe ausgebildet ist. Durch die flexible Wahl eines
geeigneten Getriebes lassen sich jeweils bedarfsgerechte Kraft/Weg-Verläufe erreichen.
Es ist auch möglich
zwei oder mehrere Getriebe (auch unterschiedliche Typen) zu koppeln.
Dadurch können jeweils
angepasste Kraftverläufe
erreicht werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass
mindestens ein Anlenkhebel durch ein weiteres Verbindungselement
mit der Kopplung verbunden ist. Dadurch ist der Kraftfluss in der
Schweißzange
feiner justierbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Verwendung
der Vorrichtung für einen
Schweißroboter.
Diese Ausgestaltung ist für unterschiedliche
Robotertypen geeignet, insbesondere für punktgesteuerte oder bahngesteuerte
(z.B. beim Schmelzschweißen)
Roboter.
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Weitere
Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der nun folgenden
Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele
und in Verbindung mit den Figuren. Soweit in unterschiedlichen Figuren
Elemente mit gleichen Funktionalitäten beschrieben sind, sind
diese mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schweißzange
mit einer Halterung,
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2 eine
schematische Darstellung einer Schweißzange mit Antriebs- und Kopplungselementen,
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3 eine
Darstellung einer weiteren Schweißzange,
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4 eine
Darstellung einer Schweißzange mit
Kurvenscheibe und
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5 eine
schematische Darstellung eines Antriebs, eines Getriebes mit Kurvenscheibe,
sowie eine Führungsschiene
zum Betrieb einer Schweißzange
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die
Darstellung nach 1 zeigt eine Schweißzange mit
einer Halterung 10. Die Schweißzange enthält Elektroden 1, die Schweißvorgang
am Arbeitspunkt 7 zusammengebracht werden. Es ist möglich, die
Elektroden und die entsprechende Halterung dazu so auszubilden,
dass die Elektroden nachführbar
sind, dadurch können
aufwändige
Umrüstzeiten
vermieden werden. Weiterhin enthält
die Schweißzange
erste Schenkelelemente 2 und zweite Schenkelelemente 3,
die durch Verbindungselemente 5 jeweils voneinander getrennt
sind. Die Verbindungselemente 5 sind im Bezugspunkt 6 durch
ein Scharnier miteinander verbunden und drehbar angeordnet. In der
Darstellung gemäß 1 ist
die Halterung 10 über
einen Steg mit der Schweißzange
verbunden. Auf Höhe
des Bezugspunktes 6 ist dieser Steg am unteren Verbindungselement 5 angebracht. Mit
Hilfe der Halterung 10 kann die Schweißzange an entsprechenden Vorrichtungen
oder an Robotern angebracht werden. Vorteilhafterweise ist die Halterung 10 so
ausgestaltet, dass sie auch entsprechende Antriebe und Verkabelungen
für die
Schweißzange
mit aufnehmen kann.
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Jeweils
an den zweiten Schenkelelementen 3 sind Anlenkhebel 4 angebracht.
Die Anlenkhebel jeweils an ihrem Ende durch eine mechanische Kopplung
so miteinander gekoppelt werden, dass jeder Schweißzangenschenkel
eine Bewegung ausführt.
Bei entsprechender Ausgestaltung der Koppelung können symmetrische Bewegungen
der Schweißzangenschenkel
erreicht werden. Symmetrische Bewegungen geben günstige Eigenschaften auf den
zu verrichtenden Schweißvorgang.
Die Koppelung kann sehr geschickt als ein Getriebe ausgebildet werden.
Als Antrieb dieses Getriebes eignet sich z.B. ein Elektromotor.
Mögliche
Getriebetypen können
Umlaufgetriebe (Stirnrad, Kegelrad, Gewindetrieb oder Schneckengetriebe)
sein oder auch Hebelgetriebe. Auch ist eine Kombination aus beiden
Typen denkbar.
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Der
Arbeitspunkt 7 kann durch Variation der Schenkelelemente
(erstes und zweites), der Verbindungselemente oder der Anlenkhebel
sehr leicht geändert
werden. Dadurch kann die Positionierung des Arbeitspunktes z.B.
in einer Schweißstraße den jeweiligen
Bedürfnissen
sehr einfach angepasst werden. Diese Verstellungen können mechanisch
durch Justage, aber ebenso auch elektromotorisch, d.h. dynamisch,
im Betrieb erfolgen. Durch die Verwendung einer kombinierten Getriebe-/Hebellösung ergeben sich
folgende Vorteile: direkte Steuerungsmöglichkeit von Kraft und Geschwindigkeitsverlauf
der Schweißzangenschenkel
und eine jeweils dem Anwendungsfall angepasste Erzeugung der Prozesskräfte, z.B. hohe
Geschwindigkeit beim Schließen,
aber hohe Kräfte
beim Zusammenpressen. Außerdem
ermöglicht
die Verwendung elektrischer Antriebe eine dezentrale Steuerung der
Schweißzange.
Durch die Kombination aus elektrischem Servoantrieb mit Getriebe
(Hebel- oder Exzentergetriebe) wird ein bedarfsgerechter Kraft-/Weg-Verlauf
erreicht. Die dargestellte Schweißzange kann besonders zum Schweißen von
Automobilkarosserien eingesetzt werden.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
eine schematische Darstellung der Schweißzange mit Antriebs- und Kopplungselementen.
Es sind die Elektroden 1 dargestellt, die im Arbeitspunkt 7 für den Schweißvorgang
zusammengebracht werden müssen.
Die Elektroden 1 sind jeweils am ersten Schenkelelement 2 befestigt.
An ein erstes Schenkelelement 2 schließt sich jeweils ein zweites
Schenkelelement 3 an. An der Nahtstelle zwischen dem ersten Schenkelelement 2 und
dem zweiten Schenkelelement 3 befindet sich jeweils ein
Verbindungselement 5. Die Verbindungselemente 5 sind
im Bezugspunkt 6 drehbar miteinander verbunden. An den
zweiten Schenkelelementen 3 sind jeweils Anlenkhebel 4 angebracht,
die über
eine Kopplung miteinander verbunden sind. So eine Kopplung kann
z.B. ein Exzentergetriebe sein. In der Darstellung gemäß 2 ist dargestellt,
dass ein Elektromotor 9 die Kopplung, d.h. das Getriebe,
antreibt.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
eine Schweißzange
mit einem mechanisch verformbaren Element 11, sowie einem
Sensor 12 im Kraftfluss. In 3 ist das
mechanisch verformbare Element als Federelement 11 ausgebildet
und an einem weiteren Verbindungselement 13 angebracht,
das den Anlenkhebel 4 mit der Kopplung 8 verbindet.
Mechanisch verformbare Elemente können aber auch an anderen bzw.
an weiteren Elementen einer Schweißzange angebracht sein, z.B.
an den Schenkelelementen 2 und 3, an den Anlenkhebeln 4,
an den Verbindungselementen 5 oder auch an den Elektroden 1.
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In 3 ist
der Anlenkhebel 4 über
ein weiteres Verbindungselement 13 mit der Kopplung 8 verbunden.
Es ist aber auch möglich,
dass der Anlenkhebel 4 direkt mit der Kopplung 8 verbunden
ist. In 3 ist die Kopplung 8 als
Exzentergetriebe ausgebildet. Bei Exzentergetrieben treten in der
Nähe der "Null Grad Stellung" des Exzenters theoretisch
unendlich große
Kräfte
auf die Zangenschenkel auf. Diese können zu Beschädigungen
oder Zerstörungen
des zu schweißenden
Materials oder der Schweißzange
selbst führen.
Da die Bewegung der Schweißelektroden 1 in
der Nähe
der "Null Grad Stellung" ohnehin recht gering
ist, wird ein Federelement nur sehr kleine Wege machen. Dies bedeutet
wiederum, dass die Schweißkraft
sich durch die Kontraktion des Federelements nur sehr wenig ändert, was
hier gewünscht
ist. Durch das Federelement wird nämlich sichergestellt, dass
sich die Schweißkraft
immer in einem gewünschten
Bereich bewegt und so die Unendlichkeitsstelle im Kraftverlauf abgepuffert
wird.
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In
der "Null Grad Stellung" eines Exzentergetriebes
treten Übersetzungsverhältnisse
für die
Kraft und den Weg auf, die es unmöglich machen, eine lineare
Zuordnung zwischen Schweißkraft
und Motorstrom zu treffen. Die Schweißkraft kann somit nicht direkt über den
Motorstrom geregelt werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, indem
im Kraftfluss ein Sensor 12 (z.B. ein Dehnungsmesssteifen)
oder ein anderer Kraftmesser angebracht wird, mit dem die aufgebrachte
Schweißkraft
gemessen wird. Dies ermöglicht
die direkte Regelbarkeit über
den Verdrehwinkel des Motors oder indirekt über den Motorstrom.
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Diese
Art der Schweißkraftreduzierung
oder Schweißkraftregelung
ist nicht auf Exzentergetriebe beschränkt. Sie kann auch für Umlauf
oder Hebelgetriebe eingesetzt werden.
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Die
Sensoren 12 können
auch an anderen bzw. an weiteren Elementen einer Schweißzange angebracht
sein, z.B. an den Schenkelelementen 2 und 3, an
den Anlenkhebeln 4, an den Verbindungselementen 5 oder
auch an den Elektroden 1.
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Durch
die beschriebene Schweißkraftregelung
wird die Schweißqualität erhöht.
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Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
die Darstellung einer Schweißzange
mit Kurvenscheibe. Die Kurvenscheibe 15 ist am Getriebe 8 (Kopplung),
das die Schweißzangenschenkel
(1, 2, 3, 4, 5) in
Bewegung versetzt angebracht. In 4 wird als
Antrieb ein Exzentergetriebe verwendet. Es ist aber auch möglich andere
Arten von Getrieben (z.B. Umlauf- oder Hebelgetriebe) oder Kopplungen
von Getrieben zu verwenden.
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Kurvenscheiben
sind für
der Steuerung von Bewegungsabläufen
bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen bekannt.
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Die
Darstellung gemäß 5 zeigt
eine schematische Darstellung von Antrieb 9 und Getriebe 8 einer
Schweißzange
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Antrieb 9 (z.B. ein Servo-Hauptantrieb) betreibt eine Kopplung 8 (in 5 dargestellt durch
ein Exzentergetriebe). Des weiteren zeigt 5 eine Führungsschiene 17,
in der das Getriebe 8 verschiebbar gelagert ist. Es ist
auch möglich,
dass in der Führungsschiene
das Getriebe 8 zusammen mit dem Antrieb 9 gemeinsam
verschiebbar gelagert sind. Die Führungsschiene kann auch eine
Krümmung
aufweisen.
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Bei
der Positionierung (Anfahren des Arbeitspunktes) von Roboterschweißzangen
wird beim Annähern
der Zange z.B. an ein zu schweißendes Blech
die starre Kopplung zwischen Zange und Roboterarm gelöst, damit
eine freie Beweglichkeit der Schweißzangenschenkel besteht. Nach
Einnahme der Schweißposition
muss die Fixierung wieder hergestellt werden. Der Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass für
diese Fixierung kein zusätzlicher
Antrieb (üblicherweise
werden hierfür
pneumatische, hydraulische oder elektromotorische Antriebe verwendet)
nötig ist.
Bei der Erfindung wird die Fixierung folgendermaßen hergestellt: Die Kurvenscheibe 15,
die am Getriebe 8 befestigt ist, wird beim Erreichen eines
vorbestimmten Drehwinkels gegen einen Hebel 14 gedrückt und
dieser drückt
wiederum gegen einen Gegenanschlag 16, wobei der Hebel 14 sich selbst
und das Getriebe 8 gegen einen Endanschlag der Führungsschiene 17 drückt. Dadurch
werden die Zangenschenkel in einer gewünschten und definierten Position
fixiert. Diese Fixierung wird über
mechanische Mittel hergestellt und benötigt keine zusätzlichen
Antriebe. Beim Zusammenfahren der Schenkel löst sich die Fixierung wieder
und das Getriebe 8 wird wieder in der Führungsschiene 17 beweglich.
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Für eine Kurvenscheibe 15 können auch mehrere
Drehwinkel definiert sein. Weiterhin kann eine Kurvenscheibe 17 durch
andere Kurvenscheiben (z.B. für
bestimmte Zangentypen oder Übersetzungsverhältnisse
des Getriebes) ausgetauscht werden.
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Auch
der Hebel 14, sowie der Gegenschlag 16 können jeweils
ausgetauscht bzw. gewechselt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass neben den zusätzlichen
Antrieben auch keine zusätzlichen
Versorgungsmedien (Druckluft, Druckwasser, elektrischer Strom) bzw.
zusätzliche
Steuerungseinheiten benötigt
werden.