Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der
Konstruktion einer Punktschweißzangenanordnung, die an
dem Roboterhandgelenk eines mehrere Gelenke
aufweisenden Roboters zum Schweißen (nachstehend als
"Schweißroboter" bezeichnet) montiert werden kann, um ein
Punktschweißen an einem Werkstück bzw. eine
Punktschweißarbeit auszuführen, und insbesondere mit einer
Punktschweißzangenvorrichtung mit variablem Schritt
für den Schweißroboter, wobei diese Vorrichtung
versehen ist mit: zwei Punktschweißzangen, einem
Gleitverschiebemechanismus, der in der Lage ist, die Position
einer der beiden Punktschweißzangen relativ zu der
anderen zu variieren, um dadurch den Schritt (den
Abstand) dazwischen zu verändern, und mit
Schweißtransformatoren zum Zuführen eines elektrischen Stroms zu
jeder der beiden Schweißzangen, wobei die
Transformatoren fest in Positionen angeordnet sind, die so
dicht wie möglich an dem Roboterhandgelenk liegen.
Stand der Technik
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Schweißroboter werden in weitem Umfang in
Massenproduktionslinien für das Punktschweißen von
beispielsweise Automobilkarosserien als Werkstücken
verwendet. Das Erscheinungsbild und die Leistung der
Robotereinheit eines solchen Schweißroboters ist
beispielsweise in einem Katalog der Firma Fanuc Ltd.
(Hauptbüro: Yamanashi-ken Japan) beschrieben in:
"FANUC ROBOT S Series", S. 14, Okt. 1989. Ein in eine
derartige Massenproduktionslinie eingebauter
Punktschweißroboter erzeugt eine Punktschweißenergie, indem
eine elektrische Primärspannung durch einen
elektrischen Transformator in eine Sekundärspannung
transformiert wird und indem die Sekundärspannung über den
Elektroden der Punktschweißzange angelegt wird. Da der
Transformator sehr schwer ist, ist der elektrische
Transformator gemäß der üblichen Praxis außerhalb des
Rahmens des Schweißroboters installiert, d.h.
außerhalb einer Robotereinheit, und lediglich die
Punktschweißzange ist an dem Roboterhandgelenk in einer
solchen Weise montiert, daß die Sekundärspannung des
Transformators der Punktschweißzange über ein
sekundärseitiges Schweißkabel zugeführt wird, welches sich
zwischen dem Transformator und der Robotereinheit
erstreckt.
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Da das sekundärseitige Schweißkabel sich zwischen der
am Roboterhandgelenk montierten Punktschweißzange und
dem im Abstand von der Robotereinheit installierten
Transformator erstreckt und da das Schweißkabel ein
schweres Kabel sein muß, da es in der Lage sein muß,
einen hohen Strom zu übertragen, wird die Bewegung der
beweglichen Komponenten der Robotereinheit, wie z.B.
des Roboterarms oder des Roboterhandgelenks trotzdem
durch das Schweißkabel behindert, wenn sich der
betreffende Körperteil des Roboters oder der Roboterarm
der Robotereinheit mit dem Schweißkabel verwickeln.
Bei dem Versuch, die Probleme zu lösen, die auf eine
Verwicklung von Roboterteilen mit dem Schweißkabel
zurückzuführen sind, wurde eine Verbesserung
entwikkelt, gemäß welcher der Transformator an einer
bestimmten Position an der Robotereinheit angeordnet
ist, wie z.B. in der Nähe des äußeren Endes des
Roboterhandgelenks. Trotzdem besteht ein Bedürfnis für
eine Verbesserung der Produktionseffektivität des
Schweißprozesses in der Massenproduktionslinie, und
zwar aufgrund der Verkürzung der Bearbeitungszeit auf
das geringst mögliche Maß durch Montieren zweier
Punktschweißzangen an einem einzigen Schweißroboter
zur Bildung mehrerer Schweißpunkte in einem einzigen
Punktschweißzyklus.
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Wenn die beiden Punktschweißzangen, von denen jede mit
einem elektrischen Transformator versehen ist, an dem
Roboterhandgelenk montiert werden oder an einem
Bauteil in der Nähe des Roboterhandgelenks, dann werden
jedoch die Trägheitskräfte am Roboterhandgelenk oder
anderen beweglichen Roboterteilen stark vergrößert,
und folglich ist die Robotereinheit nicht in der Lage,
ihre Funktionen voll zu erfüllen, so daß die
Roboterleistung insgesamt eingeschränkt ist.
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Die JP-Y2-6321976 (gegenüber welcher die vorliegende
Erfindung gekennzeichnet ist) offenbart eine
Punktschweißzangenvorrichtung mit variablem Schritt mit:
einem Paar von Punktschweißzangen, einer
Basiseinrichtung zum direkten Befestigen an einem
Roboterhandgelenk des Roboters; einer festen
Punktschweißzange, die an der Basiseinrichtung befestigt ist; und
einer beweglichen Punktschweißzange, die an der
Basiseinrichtung befestigt ist und die relativ zu der
feststehenden Punktschweißzange längs einer
vorgegebenen Achse beweglich ist, um den Schritt (den
Abstand) dazwischen (zwischen den Zangen) einzustellen.
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Die JP-Y2-6142696 offenbart eine elektrische Quelle
für eine Widerstandsschweißzange.
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Die JP-U-6187686 offenbart eine Bewegungsanordnung für
eine Schweißeinrichtung.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Punktschweißzangenvorrichtung mit variablem Schritt
für einen Schweißroboter anzugeben, die die volle
Nutzung eines oder mehrerer Freiheitsgrade der
Bewegung eines Schweißroboters ermöglicht, der mit
zwei Punktschweißzangen versehen ist, die so gehaltert
sind, daß sie aufeinander zu und voneinander weg
bewegbar sind, um auf diese Weise die Zeit zu
verkürzen, die für den Punktschweißprozeß erforderlich ist,
und damit die Effektivität des Punktschweißprozesses
zu verbessern.
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Wenn die beiden Punktschweißzangen gemäß der Erfindung
an dem Roboterhandgelenk eines Schweißroboters
montiert sind, sind elektrische Transformatoren zum
Liefern der elektrischen Energie für die jeweilige
Punktschweißzange von den Punktschweißzangen getrennt
und an einem Teil des Schweißroboters in der Nähe des
Mittelpunktes der Bewegung des Roboterhandgelenks
befestigt; die beiden Punktschweißzangen sind am
vorderen Teil des Roboterhandgelenks so befestigt, daß
der relative Abstand zwischen den beiden
Punktschweißzangen eingestellt werden kann; und die
Transformatoren sind mit den beiden Punktschweißzangen über
sekundärseitige elektrische Kabel oder sekundärseitige
Leiter verbunden, die jeweils die geringste mögliche
Länge haben.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, eine
Punktschweißzangenvorrichtung für einen Schweißroboter, umfassend:
eine Basiseinrichtung zur direkten Befestigung an
einem Roboterhandgelenk des Roboters; eine
feststehende Punktschweißzange , die an der Basiseinrichtung
befestigt ist; und eine bewegliche Punktschweißzange,
die an der Basiseinrichtung befestigt und relativ zu
der feststehenden Punktschweißzange zur Einstellung
des Schrittes (des Abstands), der zwischen längs einer
vorgegebenen Achse beweglich ist; die gekennzeichnet
ist durch eine elektrische Transformatoreinrichtung
die fest an der Basiseinrichtung befestigt ist, um
eine primäre elektrische Spannung in eine für das
Punktschweißen erforderliche sekundäre elektrische
Spannung zu transformieren, wobei die
Transformatoreinrichtungen einen ersten und einen zweiten
Transformator umfassen, wobei die beiden Transformatoren mit
einem festen Abstand voneinander längs einer
vorgegebenen Achse fest angeordnet sind, wobei der erste
Transformator mit der feststehenden Punktschweißzange
verbunden ist und wobei der zweite Transformator mit
der beweglichen Punktschweißzange verbunden ist;
und durch flexible sekundärseitige elektrische
Leitereinrichtungen, welche die feststehende und
die bewegliche Punktschweißzange mit den
Transformatoreinrichtungen verbindet.
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Die in dieser Weise aufgebaute
Punktschweißzangenvorrichtung mit variablem Schritt behindert die
Bewegungsfreiheit der beweglichen Roboterteile nicht, da
die beiden Punktschweißzangen, nämlich die
feststehende Punktschweißzange und die bewegliche
Punktschweißzange an dem Roboterhandgelenk montiert sind, wobei
der Schritt bzw. Abstand zwischen den beiden
Punktschweißzangen entsprechend einem spezifizierten
Abstand zwischen Punktschweißlinien an einem Werkstück
eingestellt werden kann. Die Punktschweißzangen sind
außerdem mit elektrischen Transformatoren, die an dem
Roboterhandgelenk montiert sind, über Schweißkabel
verbunden, welche die geringste erforderliche Länge
haben. Da der Transformator für jede Punktschweißzange
in der Nähe der Achse der Bewegung des
Roboterhandgelenks angeordnet werden kann, wird das Trägheitsmoment
für das Roboterhandgelenk auf das kleinste mögliche
Ausmaß reduziert, um jede übermäßige Zunahme in der
Belastung bei den Roboteraktionen zu vermeiden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die obigen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen:
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Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer
Punktschweißzangenvorrichtung mit variablem
Schritt für einen Schweißroboter gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Gleitmechanismus zum Einstellen des Abstands
zwischen den beiden Punktschweißzangen.
Beste Art der Realisierung der Erfindung
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Wie Fig. 1 zeigt ist am äußeren Ende eines Roboterarms
10 eines Schweißroboters ein Roboterhandgelenk 12
angebracht; der Roboter ist ein generell bekannter
Industrieroboter mit mehreren Gelenken, welcher von
einer Robotersteuerung (nicht gezeigt) gemäß einem
vorgegebenen Bewegungsprogramm während seines
Betriebes gesteuert wird. Das Roboterhandgelenk 12 kann sich
frei um eine Achse C drehen und ist an seinem äußeren
Ende mit einer Halterung versehen, und an dieser
Halterung des Roboterhandgelenks 12 ist eine
Punktschweißzangenvorrichtung 14 mit variablem Schritt, die
mit zwei Punktschweißzangen 20, 22 versehen ist,
mittels geeigneter Befestigungseinrichtungen
befestigt, welche (Schraub-)Bolzen und Positionierzapfen
umfassen. Die Punktschweißzangenvorrichtung 14 mit
variablem Schritt umfaßt eine Basis 16 in Form eines
Kastens o. dgl., welcher mittels geeigneter
Befestigungseinrichtungen, wie sie vorstehend erwähnt wurden,
an der Halterung des Roboterhandgelenks 12 befestigt
ist. Transformatoren 24 und 26 zum Zuführen
elektrischer Energie zum Schweißen zu den betreffenden Punkt
schweißzangen 20 und 22 sind an der Oberseite 16a der
Basis 16 mittels Basisplatten 18 fest montiert.
Obwohl die Transformatoren 24 und 26 vergleichsweise
schwer sind, ist das Trägheitsmoment der
Transformatoren 24 und 26 während der Bewegung des
Roboterhandgelenks 12 auf den geringst möglichen Umfang begrenzt,
da die Transformatoren 24 und 26 an der Oberseite 16a
bzw. der oberen Oberfläche der Basis 16 derart
montiert sind, daß die Länge (der Hebel) L (Fig. 1) des
Trägheitsmomentes der Transformatoren 24 und 26,
nämlich der Abstand zwischen den Schwerpunkten der
Transformatoren 24 und 26 und der Drehachse C des
Roboterhandgelenks auf den geringst möglichen Wert
begrenzt ist. Die Transformatoren 24 und 26 sind zum
Schweißen elektrisch mit einer elektrischen
Energiequelle (nicht gezeigt) mittels primärer elektrischer
Kabel 24A bzw. 26A verbunden, um eine elektrische
Primärspannung an die Transformatoren 24 und 26
anzulegen. Die primären Kabel 24a und 26a haben einen
geringeren Durchmesser und ein geringeres Gewicht als
die sekundären bzw. sekundärseitigen Schweißkabel.
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Die Ausgangsanschlüsse 30a und 30b des Transformators
24 und die Ausgangsanschlüsse 32a und 32b des
Transformators 26 sind mit Hilfe der sekundärseitigen
Kabel, die später noch beschrieben werden, mit den
beiden Punktschweißzangen 20 bzw. 22 verbunden.
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Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist die
Punktschweißzange 20 eine bewegliche
Punktschweißzange, die derart an der Basis 16 befestigt ist, daß
sie längs der Vorderseite 16b der Basis 16 seitlich
verschiebbar ist. Die Punktschweißzange 22 ist eine
feste Punktschweißzange, die an der Vorderseite 16a
bzw. der vorderen Oberfläche der Basis 16 mittels
Schraubbolzen o. dgl. befestigt ist. Die bewegliche
Punktschweißzange 20 ist an einem plattenförmigen
Schlitten 34 befestigt; und die feste
Punktschweißzange 22 ist stationär an einer festen Basisplatte 36
gehaltert, die an der Vorderseite 16b der Basis 16
befestigt ist. Die Punktschweißzangen 20 und 22 haben
jeweils identische Schweißeinheiten, und jede
Schweißeinheit umfaßt ein Paar von Elektroden 40a und
40b. Die Elektrode 40a ist eine bewegliche Elektrode,
welche mit Hilfe einer Zyldinder-Betätigungseinheit 38
nach vorn bewegt und zurückgezogen werden kann; die
Elektrode 40b ist eine stationäre Elektrode, die der
beweglichen Elektrode 40a gegenüberliegt. Zum
Punktschweißen wird ein Werkstück zwischen die Elektroden
40a und 40b gehalten. Mit 42 ist ein starrer Arm
(Shunt) bezeichnet, welcher die stationäre Elektrode
40b hält und als Leiter zum Zuführen des elektrischen
Schweißstroms zu der stationären Elektrode 40b dient.
Die Elektroden 40a und 40b der beweglichen
Punktschweißzange 20 sind mit den Ausgangsanschlüssen 30a
bzw. 30b des Transformators 24 mit Hilfe dreier Arme
(Shuntelemente) 44a, 44b und 44c, nämlich mit Hilfe
der sekundärseitigen Leiter verbunden, von denen jeder
durch Übereinanderlegen elektrisch leitfähiger und
flexibler Platten, wie z.B. Kupferplatten hergestellt
wird und eine U-förmige Biegung aufweist. Die
stationäre Elektrode 40b ist mit dem Ausgangsanschluß 30b
über das Shuntelement bzw. den Arm 44c verbunden. Die
Elektrode 40b ist mit dem Ausgangsanschluß 30a über
die Shuntelemente 44a und 44b verbunden, die senkrecht
zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden
sind. Da der sekundärseitige Leiter durch die
U-förmigen, elektrisch leitfähigen, flexiblen Shuntelemente
44a bis 44c gebildet wird, können die Gleitbewegungen
der beweglichen Punktschweißzange 20 und die axiale
Bewegung der beweglichen Elektrode 40a, die durch die
Zylinder-Betätigungseinheit 38 bewirkt wird,
gleichmäßig und ohne weiteres durchgeführt werden.
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Die bewegliche Elektrode 40a der festen
Punktschweißzange 22 ist mit dem Ausgangsanschluß 32a des
feststehenden Transformators 26 mit Hilfe eines flexiblen und
elektrisch leitfähigen Shuntelements 44d verbunden,
welches dieselbe Konstruktion besitzt wie die
Shuntelemente 44a bis 44c, so daß die bewegliche Elektrode
40a mit Hilfe der Zylinder-Betätigungseinheit 38
bezüglich der feststehenden Elektrode 40b nach vorn
bewegt und zurückgezogen werden kann. Die stationäre
Elektrode 40b ist mit dem Ausgangsanschluß 32b des
Transformators 26 mittels eines Shuntelementes 44e
durch den starren Shunt bzw. Arm 42 verbunden.
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Bei der oben erwähnten Punktschweißzangenvorrichtung
mit variablem Schritt ist die bewegliche
Punktschweißzange 20 individuell relativ zu dem
Schweißtransformator
24 in den Richtungen gleitverschieblich, die durch
einen Doppelpfeil S angedeutet sind, um die
Schrittlänge bzw. den Abstand zwischen der beweglichen
Punktschweißzange 20 und der feststehenden
Punktschweißzange 22 gemäß einer spezifischen
Punktschweißspezifikation eines zu schweißenden Werkstücks
anzupassen. Die beiden Punktschweißzangen arbeiten
zusammen, um eine außerordentlich effiziente
Punktschweißarbeit zu leisten.
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Ein Bewegüngsmechanismus, bei dem die vorliegende
Erfindung realisiert ist und der die bewegliche
Punktschweißzange 20 gleitverschieblich bewegt, wird
nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben
werden.
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Wie oben ausgeführt sind die beiden
Schweißtransformatoren 24 und 26 an der Oberseite der kastenförmigen
Basis 16 montiert, während die bewegliche
Punktschweißzange 20 und die feststehende Punktschweißzange
22 an der Vorderseite der Basis 16 montiert sind. Ein
Servomotor 50 und eine Spindel 52 sind im Inneren der
Basis 16 vorgesehen. Die Spindel 52 besitzt ein Ende,
welches in Antriebsverbindung mit dem Servomotor 50
steht, während ihr anderes Ende in einem Lager 53
gehaltert ist. Der Servomotor 50 treibt die Spindel 52
zu einer Drehbewegung an. Eine Mutter 54 steht in
Gewindeeingriff mit der Spindel 52, um einen wohl
bekannten Vorschubmechanismus zu bilden. Wenn sich die
Spindel 52 dreht, bewegt sich die Mutter 54 längs der
Achse der Spindel 52. Die Mutter 54 bewegt sich stabil
längs einer geraden Führung 56 und ist über eine
Verbindungsstange 58 mit dem Schlitten 34 verbunden,
der längs einer geraden Schiene (nicht gezeigt)
gleitverschieblich ist, die parallel zu der geraden
Führung 56 und dieser gegenüberliegend angeordnet ist;
folglich wird der Schlitten 34 durch die Mutter 54
gleitverschieblich bewegt. Demgemäß wird die
bewegliche Punktschweißzange 20, die an dem Schlitten
34 befestigt ist, gemeinsam mit dem Schlitten 34
seitlich in den Richtungen bewegt, die durch den
Doppelpfeil S angedeutet sind, um die Schrittlänge
bzw. den Schritt zwischen der beweglichen
Punktschweißzange 20 und der feststehenden
Punktschweißzange 22 durch Steuerung des Drehwinkels des Motors 50
einzustellen.
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Da bei der Punktschweißzangenvorrichtung 14 gemäß der
Erfindung die beiden Punktschweißzangen 20 und 22, wie
dies aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird,
so gehaltert werden, daß der Schritt bzw. Abstand
zwischen den Punktschweißzangen 20 und 22 einstellbar
ist, und da die Schweißtransformatoren 24 und 26 am
äußersten Ende des Roboterhandgelenks montiert sind,
kann die Punktschweißzangenvorrichtung 14
Punktschweißarbeiten in einer
Kraftfahrzeug-Massenproduktionslinie o. dgl. sehr effizient ausführen und den
Punktschweißabstand automatisch entsprechend den
Punktschweißspezifikationen für die Arbeit ändern. Da
die Schweißtransformatoren in der Nähe des
Mittelpunktes der Bewegung des Roboterhandgelenks angeordnet
sind, kann das auf den Roboter wirkende Moment auf das
geringste mögliche Ausmaß reduziert werden, und somit
können ausreichend freie Bewegungen des
Roboterhandgelenks
gewährleistet werden. Da die
Punktschweißzangen ferner mit den Transformatoren über kurze,
flexible, leitfähige Shunts bzw. Arme verbunden sind,
werden diejenigen Einschränkungen vermieden, die sich
beim Betrieb konventioneller Schweißroboter aufgrund
der sekundärseitigen Kabel ergeben.
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Weiterhin verbessern gemäß der Erfindung die beiden
Punktschweißzangen, nämlich die bewegliche
Punktschweißzange und die feststehende Punktschweißzange,
die in den Punktschweißroboter integriert sind, die
Arbeitseffizienz und Leistung des Punktschweißroboters
erheblich, und die Anordnung der elektrischen
Transformatoren am äußeren Ende des Roboterhandgelenks
schließt die Probleme aus, die auf die Behinderung der
freien Bewegung des Roboters durch die
sekundärseitigen Kabel zurückzuführen sind. Es ist zu beachten, daß
das Shuntelement, welches bei dem vorangehenden
Ausführungsbeispiel als sekundärseitiges Kabel verwendet
wird, lediglich ein Beispiel ist; gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine flexible streckbare
Kabelstruktur verwendet werden, wie z.B. eine Struktur aus
einem streckbaren elastischen Kabelhalter und einem an
dem Kabelhalter gehalterten Kabel, um dieselbe
Funktion und Brauchbarkeit zu erhalten.
Liste der Bezugszeichen
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10 Roboterarm
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12 Roboterhandgelenk
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14 Punktschweißzangenanordnung
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16 Basis
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18 Basisplatte
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20 Bewegliche Punktschweißzangen
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22 Feststehende Punktschweißzangen
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24, 26 Schweißtransformatoren
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24a, 26a Primärseitige Kabel
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30a, 30b Ausgangsanschlüsse
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32a, 32b Ausgangsanschlüsse
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34 Schlitten
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36 feste Basisplatte
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38 Zylinder-Betätigungseinheit
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40a Bewegliche Elektrode
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40b Stationäre Elektrode
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42 Shunt (Arm)
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44a, 44b, 44c Shuntelemente
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44d Flexibles leitfähiges Shuntelement
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44e Shunt
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50 Servomotor
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52 Spindel
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53 Lager
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54 Kugelmutter
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56 Gerade Führung
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58 Verbindungsstange