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Mehrdimensionale Pendeleinrichtung zum Bahnschweißen mit Industrierobotern
und Schweißmaschinen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ergänzung von Industrierobotern
und Schweißmaschinen, mit der auf flexible, kostengünstige und leicht bedienbare
Weise Pendelbewegungen des Schweißbrenners beim Bahnschweißen erzeugt sowie Brennerversätze
gegenüber der Nahtlinie definiert eingestellt werden können.
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Eine Pendelbewegung des Brenners ist aus schweißtechnischen Gründen
erforderlich z.B. zur Überbrückung von Nahtspalten und zum qualitätsgerechten Anbinden
der Schweißraupe an den Grundwerkstoff ("-Einbrand"). Der Bewegung des Schweißbrenners
in Nahtrichtung wird eine periodische Bewegung in der Weise überlagert, daß der
Schweißbrenner eine Bahn in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Werkstücks beschreibt.
Verschiedene Pendelarten sind in der Praxis eingeführt, die zu dreieck-, sinus-,
trapez-, schleifenförmigen ("Krebsgang") und anderen Bahnkurven über der Schweißnaht
führen. Meist erfolgt das Pendeln durch eine Zusatzbewegung senkrecht zur Naht;
in besonderen Fällen, z.B. bei Schräglagen des Werkstücks, ist ein zur Schweißnaht
asymmetrisches Pendeln (Versatz") erforderlich. Neben der Pendelart. sind die Pendelamplitude
und die Pendelfrequenz an die jeweilige Schweißaufgabe anzupassen.
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Die erforderlichen Pendelbewegungen können nur in Ausnahmefällen über
entsprechende Fahrprogramme mit einem Roboter selbst erzeugt werden, weil dessen
mechanische Grenzfrequenz in der Regel zu niedrig ist.
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Außerdem wirkt sich die durch die Pendelung erzeugte Bewegungsbelastung
auf Dauer ungünstig aug die Robotermechanik aus, Daher wird oft an den Roboterarm
eine zusätzliche Pendeleinrichtung angebaut, die als kompakte Einheit so konstruiert
ist, daß die erforderlichen Frequenzen erreicht werden.
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Die bekannt gewordenen Einrichtungen können eine z'usStzliche Bewegung
entlang einer Geraden ausführen. Die Pendelart ist durch die mechanische Konstruktion
des Pendlers, z.B. Exzenterantriebe, festgelegt. Eine Variation der Pendelamplitude
ist nur ueber eine mechanische. Verstellung der Einrichtung möglich, die meist bei
Stillstand vorgenqmmen werden muß.
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Bei der Auswahl von Industrierobotern oder Schweißmaschinen zum Bahnschweißen
und bei ihrer Programmierung wird in der Regel ausgenutzt, daß die Wirkung des Brenners
rotationssymmetrisch ist, d.h., daß der Brenner bei gekrümmten, in einer Ebene liegenden
Nähten nicht um seine senkrecht zu dieser Ebene stehende Achse gedreht werden muß.
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Wenn eine der bekannten Pendeleinrichtungen mit einem einzigen Bewegungsfreiheitsgrad
entlang einer Geraden an einen solchen Industrieroboter oder eine solche Schweißmaschine
starr gekoppelt wird, kann nicht erreicht werden, daß die Zusatzbewegung bei gekrümmter
Schweißnaht stets die gleiche
Richtung zur Naht besitzt z,B. daß
sie stets senkrecht auf ihr steht. Eine bekanntgewordene Variante sieht deshalb
vor, daß die Pendeleinrichtung um einen Winkel von 90° um die Richtung der Brennerachse
klappbar ist; damit wird erreicht, daß der Winkel zwischen der Geraden, entlang
der die Zusatzbewegung erfolgt, und der. Senkrechten zur Naht 450 nicht überschreitet.
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Diese Abweichungen von der Senkrechten zur Naht sind jedoch aus schweißtechnischen
Gründen meist nicht tolerierbar; insbesondere wird bei größer werdenden Winkeln
immer weniger der Seiteneinbrand beeinflußt und statt dessen vorwärts and zurück
geschweißt. Bei gekrümmten ebenen Nähten ändern sich diese Fehiwinkel im Verlauf
der Schweißung.
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Ein weiterer Nachteil von Pendeleinrichtungen mit fester zeitlicher
Pendelfrequenz ist, daß die ortsbezogene Pendel frequenz (Dimension: Perioden/Längeneinheit)
von der momentanen Bahngeschwindigkeit abhängt.
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Beim Bahnschweißen muß in der Praxis mit Versätzen des Brenners gegenüber
der Nahtlinie gerechnet werden. Zunehmend werden daher Sensoren eingesetzbg um den
seitlichen Brennerversatz quantitativ zu erfassen. Die gewonnene Information wird
zum Feinpositionieren des Brenners verwendet.
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Die erfindungsgemäße Pendeleinrichtung vermeidet die Nachteile bekannter
Einrichtungen und erlaubt neue, schweißtechnisch vorteilhafte Pendelbewegungen und
eine Brennerfeinpositionierung relativ zur Naht
linie. Im einzelnen
zeichnet sie ich durch folgende Eigenschaften aus: - Flexible Wählbarkeit beliebiger
Pendelarten, insbesondere auch zweidimensionale Zusatzbewegungen.
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- Justierbare Ausrichtung der Pendelbewegung zur Schweißbahnrichtung,
auch bei gekrümmten Schweißbahnen ohne entsprechende Drehung des Roboterarms oder
der Brennerführung einer Schweißmaschine.
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- Beeinflunbarkeit der Pendelbewegung (z.B. bezüglich Bewegungsart,
ortsbezogener Pendelfrequenz, Amplitude oder Richtung) wähnend eines Schweißvorganges
als Reaktion auf entsprechende Parameterangaben der Schweißanlagensteuerung, auf
Sensorsignale oder bei konstruktiv bedingten Änderungen der Schweißnahtform während
des Schweißvorgangs.
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- Entkopplung der Pendelbewegung von der Brennervorschubbewegung,
auch bei zweidimensionalen Zusatzbewegungen; dadurch Vereinfachung der Bahnprogrammierung
des Roboters oder der Schweißmaschine und Entlastung ihres Steuerrechners.
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- Beeinflußbarkeit des seitlichen Brennerversatzes während eines Schweißvorgangs
als Reaktion auf entsprechende Parameterangaben der Schweißanlagensteuerung oder
auf Sensorsignale.
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Entkopplùng der Versatzkorrektur von der Brennervorschubbewegung und
der Pendelung; dadurch Vereinfachung der Bahnprogrammierung des Roboters oder der
Schweißmaschine und Entlastung ihres Steuer rechners.
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Die e r erfindungsgemäße Einrichtung besitzt eine Brennerhalterung,
die in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen bezüglich einer Einrichtungsgrundplatte
bewegt werden kann. Diese beiden Bewegungen werden durch zwei mechanisch unabhängige
Antriebsaggregate bewirkt. Die Grundplatte selbst wird an den Arm des Roboters oder
die Brenner führung der Schweißmaschine angebaut. Eine Steuereinheit, vorzugsweise
realisiert mit einem Mikrorechner und angeschlossenen Treiberstufen, steuert die
Antriebsaggregate in der Weise an, daß die Brennerhalterung die gewünschte ein-
oder zweidimensionale Zusatzbewegung ausführt.
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An den Antriebsaggregaten können Meßglieder angebracht werden, die
die aktuelle Position des Brenners gegenüber der Grundplatte an die Steuereinheit
rückmelden und dadurch eine geregelte, d.h. genauere, Positionierung ermöglichen.
Erfindungsgemäß besitzt die Steuereinheit einen Speicher, in dem Bewegungsprogramme
für verschiedene, in, der Praxis benötigte Pendelarten abgelegt sind.
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Dadurch zerfällt die Bewegungsprogrammierung eines Brenners, der mittels
Roboter oder einer Schweißmaschine bewegt wird, in zwei einfachere, voneinander
unabhängige Teilaufgaben: In der Steuerung des Roboters oder der Schweißmaschine
wird die reine Bahnsteuerung zur Nahtverfolgung ohne Berücksichtigung der Pendelbewegung
programmiert; in der Steuereinheit der Pendeleinrichtung werden lediglich das Bewegungsprogramm
der gewünschten Pendelart im Speicher aktiviert und wenige Parameter (z.B. Amplitude,
ortsbezogene
Frequenz) festgelegt.
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Weiterhin besitzt die Steuereinrichtung erfindungsgemäß die Fähigkeit,
von außen eingegebene Signale, die nicht direkt die Pendelbewegung beschreiben,
bei der Berechnung der aktuellen Steuersignale für die Antriebsaggregate zu berücksichtigen.
Solche von außen kommenden Signale sind beispielsweise: - Von Sensoren kommende
Meldungen über die Form und Abmessungen des Nahtprofils des zur Schweißung anstehenden
Teilstücks.
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- Meldungen über konstruktiv bedingte Änderungen der Form des Schweißspaltes
oder der Neigung der Werkstückoberfläche gegenüber der Vertikalen; diese Informationen
sind unmittelbar oder mittelbar in der Steuerung des Roboters oder der Schweißmaschine-verfügbar.
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Während des Schweißens kann unabhängig von der Pendelbewegung des
Brenners ein seitlicher Versatz des Brenners überlagert werden. Hierzu besitzt die
Steuereinrichtung erfindungsgemäß die Fähigkeit, von außen eingegebene Signale zu
berücksichtigen, z.B.: - Von Sensoren kommende Meldungen über die seitliche Lage
des Brenners relativ zur Nahtlinie.
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- Meldungen über definiert einzustellende Versätze des Brenners.
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Die Erfindung und ihre Wirkung wird an einem Beispiel näher erläutert.
In Figur 1 ist der mechanische Teil der Pendeleinrichtung schematisch dargestellt;
Figur 2 zeigt
das Zusammenwirken zwischen dem mechanischen Teil
der Pendeleinrichtung, einem Industrieroboter und einem Werkstück. Die Pendeleinrichtung
besitzt eine Grundplatte 1, die mit dem in Figur 2 gezeichneten Arm 2 eines Roboters
oder der Brennerführung der Schweißmaschine verbunden ist. Die Grundplatte 1 trägt
ein (gedachtes) kartesisches Koordinatensystem (x,y)o Auf der Grundplatte 1 ist
ein Antriebsaggregat 3 so befestigt, daß sein angetriebenes Teil eine Bewegung entlang
der x-Achse ausführt. Auf dem angetriebenen Teil des Aggregats 3 ist ein zweites
Antriebsaggregat 4 im Punkt 5 (Position im Bewegungsraum x willkürlich angenommen)
mit t den Koordinaten (x, 0) so befestigt, daß dessen angetriebenes Teil eine Bewegung
parallel zur y-Achse aus führt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Aggregate
3 und 4 lediglich durch Geradenabschnitte schematisch angedeutet, deren Länge dem
möglichen Verschiebungsbereich entspricht. Sie können durch an sich bekannte elektromechanische
Linearantriebe realisiert werden. Zweckmäßigerweise werden die Antriebsaggregate
so angeordnet, daß die Mitte ihres gemeinsamen Verschiebungsbereiches mit dem Ursprung
des Koordinatensystems (x,y) zusammenfällt. Im gezeichneten Beispiel haben die angetriebenen
Teile der Aggregate 3 und 4 die momentanen Auslenkungen x0 und Y0 (Punkt 6); die
Brennerhalterung befindet sich auf dem angetriebenpn Teil des Aggregats 4. Dadurch
ist auch die Position des Brenners 7 gegenüber der Grundplatte gegeben.
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Der Roboter oder die Schweißmaschine positioniert die Grundplatte
1 durch das Bahnverfolgungsprogramm in bekannter Weise so, daß der Ursprung des
Koordinatensystems (x,y) zu jedem Zeitpunkt über der Schweißnaht 8 liegt und die
von den Achsen des Koordinatensystems gebildete Ebene parallel zur Tangente 9 der
Schweißnaht ist.
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Die Tangente bildet mit der y-Achse den Winkel a; dieser Winkel kann
aus den Daten berechnet werden, die dem Steuer rechner des Roboters oder der Schweißmaschine
für die Bahnve'rfolqung ohnehin zur Verfügung stehen.
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Zur Beschreibung der Pendelbewegungen ist es zweckmäßig, zwei weitere
kartesische Koordinatensysteme (u,v) und (u*,v*) einzuführen. Der Ursprung des Koordinatensystems
(u,v) fällt mit dem Ursprung des Koordinatensystems (x,y) zusammen; er bewegt sich
entlang der Schweißnaht 8. Die v-Achse hat die Richtung der Tangente 9 der Schweißnaht;
das Koordinatensystem (u,v) ist also um den Winkel ci gegen das Koordinatensystem
(x,y) gedreht. Die momentane Schweißrichtung ist stets +v. Die Achsen des Koordinatensystems
(u*,v*) haben die gleiche Richtung wie diejenigen des Koordinatensystems (u,v).
Sein Ursprung bewegt sich jedoch nicht entlang der Schweißnaht 8; er wird vorübergehend,
solange die Kurve der Schweißnaht 8 durch ihre Tangente 9 angenähert werden kann,
als werkstückfest auf der Tangente der Schweißnaht angenommen.
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Bezeichnet man mit t die Zeit und mit c die
Geschwindigkeit
des Roboterarms bzw. der Brenner führung der Schweißmaschine gegenüber dem Werkstück
10 entlang der Schweißnaht 8, so gilt für die Umrechnung der beiden Koordinatensysteme
(u,v) und (u*,v*): u = v = v*-ct Die Positionen der Antriebsaggregate 3 und 4 im
Koordinatensystem (x,y) ergeben sich nach den bekannten Beziehungen x = u.cosa +
v.sina y = -u.sin + v.cosw.
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Die Brennerbewegungen werden nach schweißtechnischen Gesichtspunkten
im werkstückfesten Koordinatensystem (u*,v*) beim Einrichten des Roboters oder der
Schweißmaschine festgelegt. Mit Hilfe der obigen Beziehungen werden daraus die Koordinaten
(x,y) berechnet, die mit den Antriebsaggregaten 3 und 4 zur Erzeugung der gewünschten
Bahn eingestellt werden müssen. Die jeweiligen Werte der Vorschubgeschwindigkeit
c und des Winkels ci werden von der Steuerung des Roboters bzw. der Schweißmaschine
zur Verfügung gestellt.
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Figur 3 zeigt einige Pendelbewegungen, die mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung erzeugt werden können. Für jedes Beispiel ist die Bahn des Punktes 6,
d.h. des Schweißbrenners, im werkstückfesten Koordinatensystem (u*,v*) dargestellt.
Langsame Bewegungen in den Funktionen v*(u*) sind mit
dicken Strichen,
schnelle Bewegungen mit dünnen Strichen gekennzeichnet; Pfeile zeigen die Durchlaufrichtung
der Kurven an.
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Außerdem sind die dazugehörenden Größen u(=u*), v und v* als Funktionen
der Zeit t dargestellt, wobei zwecks Vereinfachung der Darstellung eine konstante
Schweißgeschwindigkeit angenommen wurde. Die entsprechenden Funktionen x(t) und
y(t), die den Einfluß des Winkels a wiedergeben, sind nicht dargestellt. Damit die
Wertebereiche von v und damit von x und y beschränkt bleiben, muß die mittlere Geschwindigkeit
des Punktes 6' in Richtung der Koordinatenachse v* gleich der Vorschubgeschwindigkeit
c gemacht werden.
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Neben den in Figur 3 dargestellten Pendelarten, die bezüglich der
Schweißnaht keinen seitlichen Versatz aufweisen, können mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung auch Versätze eingebracht werden. Dazu wird den Werten der Koordinate
u* ein entsprechender Summand hinzugefügt.
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Aus der beschriebenen Wirkungsweise geht hervor, daß sowohl zur Schweißnaht
senkrechte als auch schräg liegende Pendelungen möglich sind.
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Das Zusammenwirken zwischen dem mechanischen Teil der Pendeleinrichtung,
ihrer Steuereinheit und dem Steuer rechner des Roboters oder der Schweißmaschine
ist in Figur 4 dargestellt. Zur fortlaufenden, koordinierten Berechnung der Koordinatenwerte
x und y, mit denen die Antriebsaggregate
3 und 4 angesteuert werden,
wird vorzugsweise ein Mikrorechner 11 eingesetzt.
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Er besitzt einen Programmspeicher 12, in dem neben den üblichen Betriebssystemprogrammen
die folgenden Programme abgelegt sind: - Programm zur Berechnung von x(t) und y(t)
aus der parametrierten Darstellung im Koordinatensystem u*, v* - Programme zur Lageregelung
der Brennerhalterung - Programme zur Modifikation von Parametern, die die Pendelbewegung
direkt beschweben (z.B. ortsbezogene Frequenz, Amplitude, Versatz) - Programme,
die die Umsetzung von indirekten Parametern (z.B. Spaltbreiten) in Größen bewerkstelligen,
die dic Pendelbewegung direkt beschreiben - Programme zur Auswahl, zur Ablage und
zur Definition von Parametersätzen.
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Außerdem besitzt er einen Parameterspeicher 13; in ihm werden zur
Anpassung der Pendeleinrichtung an eine Schweißaufgabe alle erforderlichen Werte
von Parametern abgelegt, beispielsweise ortsbezogene Frequenz, Amplitude, die Form
der Pendelkurve beschreibende Parameter.
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Über eine ggf. mehrkanalige Schnittstelle 14 steht der Mikrorechner
11- mit dem Steuer rechner 15 des Roboters oder der Schweißmaschine sowie ggf. Sensoren
in Verbindung.
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Er'erhält über diese Verbindung - die jeweiligen Werte des Winkels
oi und der Geschwindigkeit c
- die im Steuer rechner 15 abgelegten
Koordinaten der Schweißnahtkurve und die jeweiligen Koordinaten des Arms des Roboters
oder der Brenner führung der Schweißmaschine, aus denen der Mikrorechner 11 selbst
die Werte von a und c berechnet, Meßdaten über die aktuelle Form und Größe und ggf.
Orientierung des Schweißspaltes, sofern der Steuerrechner 15 mit entsprechenden
Sensoren ausgerüstet ist, - Informationen über konstruktiv bedingte örtliche Änderungen
der Schweißnaht, beispielsweise zum Aufruf einer anderen Pendelart oder zur Anpassung
von Parametern.
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- Informationen über gewünschte und/oder tatsächlich vorgefundene
seitliche Brennerversätze - Befehle zur Auswahl von Parametersätzen oder zur Modifikation
einzelner Parameter.
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Aus dem in den Speichern 12 und 13 enthaltenen und über die Schnittstelle
14 zugeführten Informationen berechnet der Mikrorechner 11 in an sich bekannter
Weise die jeweiligen Werte der Koordinaten x und y.
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Er steuert die Treiberstufen 16 und 17 an, die mit den Antriebsaggregaten
3 und 4 für die Bewegung in x- und y-Richtung verbunden sind. Zur erhöhung der Positioniergenauigkeit
können Meßglieder 18 und 19 vorgesehen werden, die die Position des beweglichen
Teils der Antriebsaggregate an nen Mikrorechner 11 zurückmelden und dadurch in bekannter
Weise eine geregelte Einstellung ermöglichen.
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Die in Figur 1 schematisch dargestellte Realisierung der Bewegungen
in x- und y-Richtung stellt nur eine von mehreren Möglichkeiten dar; daneben können
andere bekannte mechanische Lösungen verwendet werden, die eine schnelle und genaue
Positionierung in zwei zueinander senkrechten Richtungen erlauben. Anstelle einer
Zusammensetzung der Bewegung aus zwei senkrecht zueinander stehenden Teilbewegungen
können auch andere Koordinatensysteme für zweidimensionale Bewegungen, z.B. Polarkoordinatensysteme,
und ihre Realisierung durch entspr'echende Antriebsaggregate verwendet werden.
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Die in Fig. 2 angenommene starre Verbindung zwischen der Brennerhalterung
am Antriebsaggregat 4 und dem Brenner 7 kann je nach Randbedingung der Schweißaufgabe
frei gewählt werden, um den optimalen Anstellwinkel des Brenners sicherzustellen.
Neigungen des Brenners in Richtung der Tangente 9 der Schweißnaht 8 ("schleppendes"
oder "stechendes" Schweißen) können dabei unabhängig von der Orientierung der Grundplattenebene
1 relativ zur Werkstückoberfläche gewählt werden. Bei Neigungen des Brenners in
einer Richtung senkrecht zur Nahttangente ist es u.U. schweißtechnisch sinnvoll,
die Grundplattenebene um die Nahttangente entsprechend zu kippen.
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Eine Erweiterung der Pendeleinrichtung um einen 3. Freiheitsgrad ist
prinzipiell möglich. Die vorgestellte Anordnung wird ergänzt, indem neben einem
weiteren Antriebsaggregat
zusätzliche Programme im Speicher 12
integriert werden. Neben einer beliebig im Raum ausgerichteten Pendelbewegung erlaubt
das erweiterte Gerät zusätzlich die Berücksichtigung eines Brennerhöhenversatzes.
Zweckmäßigerweise wird die Richtung der zusätzlichen Achse zusammenfallend mit der
Brennerlängsachse gewählt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die nähere
Beschreibung der erweiterten Konfiguration verzichtet. Die Herleitung der zu diesem
Fall 3-dimensionalen Verhältnisse geschieht analog zum vorgestellten 2-dimensionalen
Fall.' Es ist einsichtig, daß eine Bewegungseinrichtung gemäß der Erfindung nicht
nur beim Schweißen eingesetzt werden, kann; eine, andere Anwendungsmöglichkeit ist
bei-spielsweise das Auftragen von Klebestoffen mit Pendelungen um eine vorgegebene
Bahn,
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