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Die
Erfindung betrifft eine Schweißzange und
ein insbesondere mit dieser verwendbares Sensorbauteil. Eine entsprechende
Schweißzange
dient zum Verschweißen
von beispielsweise zwei Blechen bei der Automobilherstellung. Die
Schweißzange weist
zwei relativ zueinander bewegliche Schweißzangenarme auf. Solche Schweißzangen
können
als X- oder auch C-Schweißzangen
ausgebildet sein. Jeder der Schweißzangenarme weist an seinem
freien Ende eine Schweißelektrode
auf, die zum Setzen eines Schweißpunktes aneinander heranführbar sind. Dabei
sind die entsprechenden Bleche zwischen den Schweißelektroden
angeordnet und in der Regel wird sowohl das Kontaktieren des entsprechenden
Bleches durch die Schweißelektroden
als auch der anschließende
Druckaufbau durch Pressen der Schweißelektroden auf die Bleche
gesteuert und kontrolliert. Dazu können den entsprechenden Schweißelektroden
Drucksensoren oder auch dem entsprechenden Stellantrieb der Schweißzangen Sensoren
zugeordnet sein, siehe beispielsweise
DE 103 28 593 oder
DE 203 142 294 .
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Die
Schweißzangenarme
selbst werden bisher in keiner Weise eingesetzt, um beispielsweise
die Schweißzangenarme
selbst zu überprüfen oder über diese
den entsprechenden Kontakt mit den zu verschweißenden Blechen oder auch gegebenenfalls den
Druckaufbau bis zum Setzen des entsprechenden Schweißpunktes
zu messen und zu steuern.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist, eine Schweißzange der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass zusätzlich oder auch alternativ
zu bisher verwendeten Sensoren eine Erfassung einer Verformung eines
Schweißzangenarmes feststellbar
ist und diese Verformung bestimmten Zuständen der Schweißzange beziehungsweise
der Schweißzangenarme
zugeordnet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird zusammen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1 dadurch gelöst,
dass direkt an wenigstens einem der Schweißzangenarme insbesondere beabstandet
zur jeweiligen Schweißelektrode
ein Deformationssensor angeordnet ist.
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Durch
diesen Deformationssensor wird jede Verformung oder Deformation
des entsprechenden Schweißzangenarms
erfasst. Solche Deformationen können
beispielsweise beim Kontaktieren des Schweißzangenarms mit dem zu verschweißenden Blech
auftreten. Die Deformation wird sich entsprechend während des
Druckaufbaus bis zum Setzen eines entsprechenden Schweißpunkts
verändern,
und ist ebenfalls durch den entsprechenden Deformationssensor erfassbar.
Durch den Deformationssensor, der direkt dem Schweißzangenarm
zugeordnet ist, ergibt sich somit eine zusätzliche Messmöglichkeit
im Vergleich zu weiteren Sensoren, die direkt den Schweißelektroden
oder auch der Antriebseinrichtung der Schweißzange zugeordnet sind. Dabei
kann der entsprechende Deformationssensor als redundanter Sensor
zu den obengenannten Sensoren oder auch alternativ zu diesen eingesetzt
werden.
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Da
der Deformationssensor direkt dem entsprechenden Schweißzangenarmen
zugeordnet ist, besteht ebenfalls die Möglichkeit, Eigenschaften des Schweißzangenarms
direkt zu messen, wie beispielsweise Schwingungen oder Biegebeanspruchungen
des Schweißzangenarms
insbesondere an der Stelle, an der der Deformationssensor angeordnet
ist. Sollte eine entsprechende Biegebeanspruchung sich bestimmten
zulässigen
Grenzen nähern, kann
dies beispielsweise mittels des Deformationssensors erkannt und
zu einer Notabschaltung oder dergleichen der Schweißzange dienen.
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Um
die Schweißzangenarme
durch eine entsprechende Bauhöhe
des Deformationssensors nicht in ihren Einsatzmöglichkeiten einzuschränken, kann dieser
vorzugsweise als Sensorfolie mit wenigstens einer eine Vielzahl
von piezoelektrischen Fasern, Stäbchen
oder Röhrchen
aufweisenden Faserschicht und einer zugeordneten Abtastelektrodenschicht ausgebildet
sein. Die Faserschicht enthält
die entsprechenden piezoelektrischen Materialien in Faser-, Stäbchen- oder
Röhrchenform
in einer Polymermatrix. Eine entsprechende Abtastelektrodenschicht
ist in der Regel beidseitig zur Faserschicht auf dieser angeordnet,
wobei zwischen beiden Schichten noch strukturverstärkende Kunststoffschichten
angeordnet sein können.
Jede der Abtastelektrodenschicht umfasst ein Elektrodenmuster, das
die entsprechenden piezoelektrischen Fasern, Stäbchen oder Röhrchen kontaktiert
und die unter Einwirkung einer mechanischen Beanspruchung des piezoelektrischen
Materials erzeugten elektrischen Ladungen ableitet. Für Aktuatoren
ist ein entsprechender Aufbau beispielsweise aus der
US 6,629,349 bekannt. Die entsprechenden
Fasern, Stäbchen
oder Röhrchen
haben in der Regel einen Durchmesser geringer als einige 100μm und deren
Länge kann
bis zu 200 oder auch mehr mm betragen.
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Um
ein entsprechend ausreichend starkes elektrisches Signal bei der
mechanischen Beanspruchung der piezoelektrischen Materialien zu
erhalten, können
eine Vielzahl solcher piezoelektrischen Fasern, Röhrchen oder
Stäbchen
parallel zueinander in einer Deformationsrichtung angeordnet sein.
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Es
bestehen verschiedene Möglichkeiten,
in welcher Weise die Deformationsrichtung in Relation zur Längsrichtung
des entsprechenden Schweißzangenarms
steht. Bei einer Möglichkeit
ist die Deformationsrichtung parallel zur Längsrichtung des Schweißzangenarms.
Bei einer solchen Ausrichtung kann beispielsweise der Kontakt der
entsprechenden Schweißelektrode
mit dem zu verschweißenden Blech
beziehungsweise der anschließende
Druckaufbau günstigerweise überwacht
werden.
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Es
besteht ebenfalls die Möglichkeit,
dass die Deformationsrichtung quer zur Längsrichtung ausgerichtet ist.
Dadurch ist insbesondere feststellbar, ob am Schweißzangenarm
Kräfte
quer zur Längsrichtung
auftreten. Solche Kräfte
können
beispielsweise auftreten, wenn die Schweißelektroden der aufeinander
zubewegbaren Schweißzangenarme
nicht korrekt zueinander ausrichtet sind oder auch die an den Schweißelektroden
angeordneten Schweißkappen
verschlissen sind.
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Es
besteht natürlich
ebenfalls die Möglichkeit,
dass entsprechende Kräfte
in den Schweißzangenarmen,
entweder in Längs-
oder in Querrichtung, durch unbeabsichtigten Kontakt mit Hindernissen
bei der Bewegung des Schweißzangenarms
beziehungsweise der Schweißzange
auftreten, wobei eine solche Bewegung beispielsweise durch einen Schweißrobotor
oder dergleichen erfolgt. Auch solche durch ein Hindernis oder dergleichen
verursachten Kräfte
im Schweißzangenarm
sind erfassbar.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
Torsionnen innerhalb des Schweißzangenarms
zu erfassen, wenn beispielsweise Deformationsrichtung und Längsrichtung
des Schweißzangenarms
einen Winkel miteinander einschließen. Ein solcher Winkel kann
im Bereich von 20 bis 70, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60° liegen und
insbesondere 45° betragen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann es als günstig
angesehen werden, wenn durch nur einen Deformationssensor unterschiedlich
gerichtete, auf den Schweißzangenarm ausgeübte Kräfte ermittelt
werden können.
Dies kann dadurch erfolgen, dass der Deformationssensor mehrere
Faserschichten und zugeordnete Abtastelektronenschichten aufweist,
wobei die Fasern, Röhrchen
oder Stäbchen
der Faserschichten jeweils unterschiedliche Orientierungen aufweisen.
Die entsprechenden Abtastelektroden sind dabei den unterschiedlich
orientierten Fasern oder dergleichen entsprechend zugeordnet.
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Es
besteht ebenfalls die Möglichkeit,
sowohl zur Verstärkung
des entsprechenden Signals als auch zur redundanten Messung beispielsweise
einen Deformationssensor auf einer Oberseite und einen Deformationssensor
auf einer Unterseite des entsprechenden Schweißzangenarms anzuordnen. Die entsprechende
Deformationsrichtung kann bei beiden dieser Deformationssensoren
identisch sein. Allerdings ist es ebenso möglich, dass die Orientierungen
der entsprechenden Deformationsrichtungen bei diesen Deformationssensoren
unterschiedlich sind, siehe die obigen Ausführungen.
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Um
den Deformationssensor in einfacher Weise in der Schweißzange zu
integrieren, kann dieser beispielsweise direkt mit der Steuerung
der Schweißzange
verbunden sein. Die Steuerung ist in diesem Zusammenhang softwaremäßig auch
zur Erfassung und Auswertung der Signale des Deformationssensors
ausgelegt. Der Anschluss des Deformationssensors kann durch an sich
bekannte Einrichtungen erfolgen, wie beispielsweise Steckverbinder, drahtlos
oder dergleichen.
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Um
direkt an der Schweißzange
eine den Signale des Deformationssensors entsprechende Information
zu erhalten, können
diese entsprechend ausgewertet an einer An zeigeeinrichtung als Deformationsinformation
der Schweißzange
darstellbar sein. Die Anzeigeeinrichtung kann ein zur Schweißzange gehöriges Display
oder auch ein externes Anzeigegerät sein, an das die entsprechende
Deformationsinformation übertragen
wird.
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Wie
bereits ausgeführt,
kann das elektrische Signal des Deformationssensors zur Erfassung
zumindest des Kontakts der Schweißelektrode des entsprechenden
Schweißzangenarms
mit dem zu verschweißenden
Material und/oder zur Erfassung des daran anschließenden Druckaufbaus
auswertbar sein.
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Um
zusätzlich
zu den bereits bei einer Schweißzange
verwendeten Sensoren einen entsprechenden Deformationssensor in
einfacher Weise nachrüsten
zu können,
kann der Deformationssensor mit zugehöriger Auswerteelektronik als
separates Sensorbauteil ausgebildet sein. Dabei wird die Sensorfolie
direkt an einer entsprechenden Stelle des Schweißzangenarms befestigt und die
Auswerteelektronik mit der Steuerung der Schweißzange oder beispielsweise
auch einem externen Computer verbunden. Auf diese Weise kann das
Sensorbauteil einfach angebaut und gegebenenfalls auch schnell wieder
entfernt werden.
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Erfindungsgemäß kann ein
entsprechendes Sensorbauteil wenigstens einen vorangehend beschriebenen
Deformationssensor aufweisen. Selbstverständlich können auch mehrere solcher Deformationssensoren,
wobei ein solcher Deformationssensor auch mehrere Faserschichten
aufweisen kann, verwendet werden, wobei ebenfalls unterschiedliche Orientierungen
der entsprechenden piezoelektrischen Fasern, Stäbchen oder Röhrchen möglich sind.
Auswerteelektronik und Deformationssensoren können über eine elektrische Kabelverbindung
oder auch drahtlos miteinander verbunden sein. Bei einer elektrischen
Kabelverbindung besteht die Möglichkeit,
dass diese einfach lösbar
ist, indem beispielsweise eine elektrische Steckverbindung verwendet wird.
Weiterhin kann die Auswerteelektronik mit einer Anzeigeeinrichtung
und/oder einem Computer verbindbar sein, wobei diese Verbindung über eine
USB, serielle oder andere Verbindung erfolgen kann.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer X-Schweißzange mit Deformationssensoren
auf Schweißzangenarmen;
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2 eine
Darstellung analog zu 1 bei einer teilweise dargestellten
C-Schweißzange;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines Deformationssensors, und
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4 eine
vergrößerte Darstellung
einer Faserschicht eines Deformationssensors.
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In 1 ist
eine Seitenansicht einer im Prinzip dargestellten Schweißzange 1 mit
Schweißzangenarmen 2 und 3 dargestellt.
Die Schweißzangenarme 2 und 3 sind
im Wesentlichen X-förmig
so angeordnet, wobei in 2 zumindest teilweise eine C-förmige Anordnung entsprechender
Schweißzangenarme 2 und 3 einer
Schweißzange 1 dargestellt ist.
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Jeder
der Schweißzangenarme 2, 3 weist
an seinem freien Ende 4, 5 eine Schweißelektrode 6, 7 auf.
Werden die entsprechenden Schweißzangenarme 2, 3 relativ
zueinander so bewegt, dass sich die Schweißelektroden 6, 7 annähern, so
können
beispielsweise zwei zwischen den Schweißelektroden angeordnete Bleche
unter Setzen eines Schweißpunktes
miteinander verschweißt
werden.
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Bei
der X-Form der Schweißzangenarme 2, 3 nach 1 erfolgt
dabei eine Bewegung zumindest eines Schweißzangenarmes in Bewegungsrichtung 22,
das heißt,
ein Schweißzangenarm
wird um ein Lager verschwenkt, während
in 2 ein Schweißzangenarm
in Bewegungsrichtung 2 im Wesentlichen in Längsrichtung 14 des
Schweißzangenarms
verstellbar ist.
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Direkt
auf dem Schweißzangenarm 2 und/oder 3 ist
ein Deformationssensor 8 beziehungsweise 9 angeordnet.
Der entsprechende Deformationssensor 8 oder 9 ist
beabstandet zum freien Ende 4, 5 und damit zur
Schweißelektrode 6, 7 direkt
auf einer Außenseite
des entsprechenden Schweißzangenarms 2, 3 aufgebracht.
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In 1 ist
außerdem
eine Steuerung 16 mit gegebenenfalls einer Anzeigeeinrichtung 17 zur Steuerung
der Schweißzange 1 dargestellt.
Die Steuerung 16 kann vor Ort direkt der Schweißzange 1 zugeordnet
sein, oder ist an einem zur Schweißzange 1 entfernten
Ort angeordnet sein.
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In 3 ist
im Prinzip ein Deformationssensor 8 beziehungsweise 9 vergrößert dargestellt.
Der entsprechende Deformationssensor ist durch eine Sensorfolie 10 gebildet,
die einen Schichtaufbau aufweist. Eine der Schichten der Sensorfolie 10 ist
eine Faserschicht 21. In dieser sind eine Vielzahl von
piezoelektrischen Fasern, Stäbchen
oder Röhrchen
in beispielsweise einer Polymermatrix enthalten. Die entsprechenden
Fasern, Stäbchen
oder Röhrchen sind
alle parallel zueinander angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel nach 3 ergibt
sich durch die entsprechende Anordnung dieser Fasern oder dergleichen
eine Deformationsrichtung 13. Diese kann parallel zur Längsrichtung 14 der
entsprechenden Schweißzangenarme 2 oder 3 ausgerichtet
werden.
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Ober-
und unterhalb der Faserschicht 21 ist jeweils eine Abtastelektrodenschicht 12 angeordnet. Zwischen
jeder der Abtastelektrodenschichten 12 und der Faserschicht 21 kann
weiterhin eine nicht dargestellte Kunststoffschicht aus beispielsweise
Expoxiharz angeordnet sein, die die Verbindung zwischen den verschiedenen
Schichten herstellt und gleichzeitig verhindern kann, dass sich
Brüche
oder dergleichen in den einzelnen Fasern entlang der Fasern fortsetzen
können.
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Die
entsprechenden Abtastelektrodenschichten 12 sind elektrisch
mit einer Auswerteelektronik 18 verbunden, wobei diese
elektrische Verbindung auch direkt mit der Steuerung 16 der
Schweißzange 1 nach 1 erfolgen
kann. Durch die entsprechende Auswerteelektronik 18 beziehungsweise Steuerung 16 erfolgt
eine Erfassung von elektrischen Signalen der Abtastelektrodenschichten 12,
die durch eine mechanische Bean spruchung der piezoelektrischen Fasern
erzeugten Ladungen entsprechen. Diese Signale zeigen abgebildet
auf einer entsprechenden Zeitachse das Auftreten einer Deformation
des zugehörigen
Schweißzangenarms.
Eine solche Deformation ergibt sich beispielsweise, wenn der zugehörige Schweißzangenarm
mit seiner Schweißelektrode
die zu verschweißenden
Materialien kontaktiert. Weitere Signale ergeben sich, wenn anschließend an
diese Kontaktierung eine zum Setzen eines entsprechenden Schweißpunkts
erforderliche Andruckkraft zwischen den beiden Schweißelektroden
der Schweißzangenarme 2 und 3 aufgebaut wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, siehe 3, bilden Sensorfolie 10 mit
zugehöriger
Auswerteelektronik 18 ein Sensorbauteil 19, das
unabhängig
von der Schweißzange 1 handhabbar
und einsetzbar ist. Im Zusammenhang mit der Schweißzange 1 wird
das Sensorbauteil 19 so eingesetzt, dass die entsprechende
Sensorfolie 10 außen auf
einen Schweißzangenarm 2 oder 3 aufgebracht wird
und dann über
die Auswerteelektronik 18 mit gegebenenfalls angeschlossener
Anzeigeeinrichtung 17 die erfassten Signale in eine entsprechende
darstellbare Deformationsinformation des Schweißzangenarms umgesetzt werden.
Die Verbindung der elektrischen Leitungen zwischen Sensorfolie 10 und Auswerteelektronik 18 beziehungsweise
Steuerung 16 kann über
Steckverbinder 20 erfolgen, siehe auch 3.
Es ist auch denkbar, dass die Übertragung
der elektrischen Signale drahtlos erfolgt. Entsprechende Steckverbinder
können
USB oder serielle Steckverbinder sein. Die Anzeigeeinrichtung 17 ist
beispielsweise ein dem Sensorbauteil 19 zugeordnetes Display
oder auch ein Display eines separaten Computers oder ein Display
der Schweißzange 1 nach 1 beziehungsweise 2.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäß Erfindung
können
die entsprechenden piezoelektrischen Fasern so relativ zum Schweißzangenarm
ausgerichtet sein, dass die zugehörige Deformationsrichtung nicht
parallel, sondern quer zur Längsrichtung
des entsprechenden Schweißzangenarms gerichtet
ist. Auf diese Weise sind beispielsweise Deformationen senkrecht
zur Längsrichtung
in horizontaler Richtung in einfacher Weise erfassbar.
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Es
besteht ebenfalls die Möglichkeit,
dass auf einem Schweißzangenarm
mehrere Sensorfolien mit unterschiedlichen Deformationsrichtungen
angeordnet sind, um so beispielsweise Deformationen in vertikaler
und horizontaler Richtung des entsprechenden Schweißzangenarms
zu erfassen.
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In 4 ist
bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel
die entsprechende Deformationsrichtung 13 der piezoelektrischen
Materialien so ausgebildet, dass zwischen Deformationsrichtung 13 und Längsrichtung 14 des
entsprechenden Schweißzangenarms
ein Winkel 15 gebildet ist, der größer als 0° und kleiner als 90° ist, wobei
ein solcher Winkel beispielsweise im Bereich von 20 bis 70°, im Bereich von
30 bis 60° liegen
kann oder auch 45° beträgt.
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Durch
die entsprechende winklige Anordnung von Deformationsrichtung und
Längsrichtung sind
insbesondere Torsionnen des Schweißarms erfassbar, die beispielsweise
dann auftreten können, wenn
die entsprechenden Schweißelektroden 6, 7 der
Schweißarme 2, 3 nicht
korrekt zueinander ausgerichtet sind.
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Bei
den dargestellten Ausführungsbeispielen weisen
die Schweißzangenarme 2, 3 im
Wesentlichen einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Erfindungsgemäß sind die
entsprechenden Deformationssensoren ebenso einsetzbar, wenn die
Querschnitte oval oder mehreckig, beispielsweise viereckig, sind.
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Erfindungsgemäß besteht
ebenfalls die Möglichkeit,
dass innerhalb einer Sensorfolie 10 mehrere Faserschichten 11 insbesondere
mit unterschiedlichen Orientierungen der entsprechenden piezoelektrischen
Fasern, Stäbchen
oder Röhrchen
angeordnet sind, wobei jeder dieser Faserschichten entsprechende
Abtastelektrodenschichten zugeordnet sind. Auf diese Weise können im
Wesentlichen durch nur eine Sensorfolie 10 Deformationen
in unterschiedlichen Richtungen, siehe die obigen Ausführungen,
erfasst werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die entsprechend
unterschiedlich orientierten piezoelektrischen Materialien in unterschiedlichen
Sensorfolien 10 enthalten sind.
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Abschließend sei
noch darauf hingewiesen, dass prinzipiell das erfindungsgemäße Sensorbauteil 19 nicht
nur bei Schweißzangen
und entsprechenden Schweißzangenarmen einsetzbar
ist, sonder im Wesentlichen bei allen deformierbaren Gegenständen, falls
diese sich analog zu den Schweißzangenarmen bei
Auftreten entsprechender Kräfte
nur in geringem Maße
deformieren.