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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkverbindung, die
als Teil eines Roboterarms zum elektrischen Schweißen, zur
elektrischen Beeinflussung von beispielsweise Ventilen und
einer Einspanneinrichtung und zum Übertragen flüssiger oder
gasförmiger zu verwendender Medien vorgesehen ist. Sie soll
die letzte Verbindung eines Roboterarms sein, an dem eine
sogenannte Punktschweißklaue oder eine andere Einrichtung
anzubringen ist.
Stand der Technik
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Industrielle Roboter, beispielsweise zum Schweißen,
insbesondere zum Punktschweißen, sind wohl bekannt und sind seit
einigen Jahrzehnten in Benutzung. Sie werden insbesondere bei der
Fließbandproduktion, beispielsweise der Produktion von
Automobilen, benützt, und dann hauptsächlich zum Verschweißen von
Automobilkarosserieteilen und dergleichen. Die Roboter müssen
bei solchen Anwendungen eine bestimmte Größe und Festigkeit
aufweisen, so daß sie den Schweißpunkt an die richtige Stelle
setzen können, aber gleichzeitig müssen sie so flexibel sein,
daß sie die schwierigen Stellen erreichen können. Die
Punktschweißung selbst wird durch einen Stromimpuls mit
Wechselstrom oder Gleichstrom mit einem hohen Stromwert erreicht, und
zwar üblicherweise in der Größenordnung von 5.000 bis
30.000 A. Dies bedeutet, daß dicke Kabel von einem
Transformator zur Schweißklaue gezogen werden müssen, der
üblicherweise in der Nähe der Basis des Roboterarms angeordnet
ist. Dieses dicke Stromkabel, das außerhalb des Roboterarms
hängt, ist in gewisser Hinsicht jedoch eine große Behinderung
für die Bewegungen des Roboterarms. Der Roboterarm soll in
verschiedene Richtungen schwingen und sich sogar um eine Achse
drehen, was bedeutet, daß das Kabel relativ lang sein muß, so
daß es dem Arm bei allen diesen Bewegungen folgen kann.
Abgesehen von der Stromversorgung durch ein dickes Stromkabel
müssen ebenfalls Kühlwasser und Druckluft für verschiedene
Operationen der Schweißklaue zugeführt werden, was eine
weitere Ansammlung von Röhren und/oder flexiblen Schläuchen
bedeutet.
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Ähnliche Probleme entstehen sogar, wenn schwächere Ströme
irgendeiner anderen Einrichtung als einer Schweißklaue
zuzuführen sind. Solche Anordnungen können elektrisch
beeinflußbare Ventile, eine Einspanneinrichtung oder dergleichen sein.
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Andere Anordnungen als die oben erwähnte, welche keinen
elektrischen Strom benötigen, aber welche gekühlt oder von einem
flüssigen oder gasförmigen Medium beeinflußt werden müssen
haben ebenfalls mit den Problemen zu tun, welche oben erwähnt
wurden und beispielsweise den Raum für flexible Schläuche und
dergleichen betreffen, der die Bewegungsfähigkeit eines
Roboterarms einschränkt.
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Beispiele industrieller Roboter sind in der europäischen
Patentanmeldung 424 230, dem US-Patent 4,438,309 und 4,507,534
offenbart. Diese Roboter werden beispielsweise zum
elektrischen Schweißen benutzt, und sie alle weisen einen großen
Abstand vom Transformator zum Schweißpunkt auf.
Technisches Problem
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Obwohl die oben erwähnten bekannten Roboter seit vielen Jahren
entwickelt sind und gut funktionieren, weisen sie jedoch die
ernsthafte Beschränkung auf, daß aufgrund der dicken Kabel und
Schläuche der Roboterarm nicht alle erwünschten Stellen
erreichen kann. Dies macht die Produktion umso schwieriger, und die
Artikel, beispielsweise die Automobilkarosserien, welche zu
schweißen sind, müssen hinsichtlich ihrer Konstruktion an die
Beschränkung des Roboters angepaßt werden. Man hat deshalb
seit der Zeit, zu der man die Benutzung von Robotern
beispielsweise zum Punktschweißen begann, den Wunsch gehabt, daß
man in der Lage ist, einen Roboterarm mit einer zusätzlichen
Schweißklaue oder einer anderen Einrichtung herzustellen, der
flexibler ist, so daß alle erdenklichen Schweißpunkte oder
dergleichen erreichbar sind.
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Ein weiteres Problem, das mit den Handgelenken oder Gelenken
nach dem Stand der Technik verbunden ist, ist dasjenige, das
Verbrennungsschäden leicht an den Kontaktoberflächen
auftreten.
Lösung
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Durch die vorliegende Erfindung ist man in der Lage, die
obigen Wünsche zu erfüllen und eine Gelenkverbindung zu schaffen,
welche als Teil eines Roboterarms zum elektrischen Schweißen,
zur elektrischen Beeinflussung von beispielsweise Ventilen,
einer Einspanneinrichtung usw. oder zum Übertragen von
flüssigen und gasförmigen Medien vorgesehen ist und welche dadurch
gekennzeichnet ist, daß sie eine drehbare zylindrische Nabe
mit einem Anbringungsteil an einem Ende zum Anbringen des
Gelenks an einem Roboterarm oder dergleichen, eine nicht
drehbare Kupplungshülse um die Nabe, ein Paar von konzentrischen
Kontaktringen, die voneinander und von der Kupplungshülse
elektrisch isoliert sind, um einen schmaleren Teil davon und
eine am zweiten Ende der Nabe angebrachte Abdeckung aufweist,
um die zwei voneinander und von der Abdeckung elektrisch
isolierte konzentrische Ringe neben den zwei konzentrischen
Ringen um die Kupplungshülse angeordnet sind, wobei Kanäle zur
Zuführung von Luft und/oder Flüssigkeit in der Kupplungshülse,
der Nabe und der Abdeckung mit den Ringen vorgesehen sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung enden die Kanäle durch die
Kupplungshülse an unterschiedlichen axialen Höhen auf der
Zylinderinnenseite der Hülse und kommunizieren mit in
Umfangsrichtung verlaufenden Aussparungen auf der Zylinderaußenseite
der Nabe, wobei die Aussparungen wiederum getrennt mit axialen
Kanälen in der Nabe verbunden sind, wobei die Kanäle
ihrerseits mit radialen Kanälen in der Abdeckung und den
konzentrischen Ringen darum kommunizieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Dichtungen in Form von
O-Ringen oder dergleichen in Aussparungen zwischen den
umfangsmäßig verlaufenden Aussparungen an der Außenseite der
Nabe vorgesehen.
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Weiterhin sind gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise
die zwei konzentrischen Ringe um die Kupplungshülse auf diesen
und zueinander unter einem Abstand von der Kupplungshülse und
voneinander mittels elastischer O-Ringe oder dergleichen
gehalten.
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Weiterhin ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt,
daß Kanäle in der Kupplungshülse angeordnet sind zur Zuführung
eines Druckmediums in den Raum zwischen dieser und den um
dieser angeordneten konzentrischen Ringen zum Drücken dieser
Ringe gegen entsprechende Ringe um die Abdeckung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin bevorzugt, daß
das Anbringungsteil an einem Ende der Nabe aus einem Ring mit
durchlaufenden Bolzenbohrungen besteht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin bevorzugt, daß
diese Bolzenbohrungen mit mit einem Gewinde versehen radialen
Öffnungen zum Einschrauben von Befestigungsschrauben gegen
lösbare Befestigungsbolzen verbunden sind.
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Die Bolzen in den Bolzenlöchern sollten gemäß der Erfindung
eine umlaufende Ausnehmung in dem Bereich aufweisen, wo die
Befestigungsschrauben anliegen sollten, und diese Ausnehmung
sollte aus einer Aussparung mit Seiten bestehen, deren
Anschrägung gegen die Achse des Bolzens etwa 45º beträgt.
Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachstehend detailliert in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen beschrieben, welche eine
Ausführungsform beschreiben, bei der die Gelenkverbindung eine
Schweißklaue bedienen und tragen soll.
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Es zeigen:
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Figur 1 eine Gelenkverbindung gemäß der vorliegenden Erfin
dung, die an einem Transformator angebracht ist;
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Figur 2 die Gelenkverbindung mit dem mit einer Schweißklaue
verbundenen Transformator und bereit zur Montage an
dem Ende eines Roboterarms;
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Figur 3 in teilweisem Querschnitt die Gelenkverbindung gemäß
der Erfindung, von einer Seite aus gesehen,
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Figur 4 die Gelenkverbindung gemäß der Erfindung, von oben
gesehen,
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Figur 5 im Querschnitt die Nabe mit der angebrachten
Anbringungseinrichtung;
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Figur 6 die Nabe von oben gesehen,
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Figur 7 die Kupplungshülse im Querschnitt,
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Figur 8 die Kupplungshülse von oben gesehen,
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Figur 9 die Endabdeckung im Querschnitt,
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Figur 10 die Endabdeckung von oben gesehen,
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Figur 11 ein Paar der Ringe und
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Figur 12 die Befestigungsbolzen zum Befestigen der
Gelenkanordnung gemäß der Erfindung für den
Roboterarm.
Bevorzugte Ausführungsform
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In Figur 1 ist eine Gelenkverbindung 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt, wobei die Gelenkverbindung mit einem
Transformator 2 über einen Flachleiter 3 verbunden ist.
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Figur 2 zeigt die Anordnung nach Figur 1 mit angebrachter
Schweißklaue 4. In der Figur ist ebenfalls ein äußeres Ende 5
eines Roboterarms, auf dem die Gelenkanordnung 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung anzubringen ist, gezeigt. Der
Roboterarm 5 und die Schweißklaue 4 sind von üblicher Bauart und
werden deshalb hier nicht weiter beschrieben. Die Stromversorgung
für den Transformator 2, die mittels Hochspannungsleitern
ausgeführt ist, ist auch nicht gezeigt, da diese Anordnung
einfach und problemfrei ist.
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In Figur 3 ist die Nabe 6 teilweise im Querschnitt gezeigt,
wobei die Nabe fest angebracht ist, beispielsweise durch
Anschweißen an einen Befestigungsring 7. In diesen
Befestigungsring 7 sind eine Anzahl, geeigneterweise 6, Bolzenlöcher
gebohrt zum Befestigen von Bolzen, welche später beschrieben
werden. Radiale Löcher 9 für Befestigungsschrauben sind in den
Befestigungsring 7 nahe den Bolzenlöchern 8 gebohrt. Um die
Nabe 6 ist eine Kupplungshülse 10 mit Kanälen 11 für die
Zuführung von Luft oder Flüssigkeit in die Aussparungen in der
Nabe 6 angebracht. Um die Kupplungshülse 10 an einem
schmaleren Teil davon sind zwei konzentrische Ringe 12 und 13
angeordnet. Diese sind voneinander und von der Kupplungshülse 10
beispielsweise mittels O-Ringen 14 isoliert.
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In Figur 3 ist weiterhin eine Abdeckung 15 gezeigt, welche
mittels einer Schraube 16 an die Nabe 6 geschraubt ist. Auf
der radialen Seite der Abdeckung sind zwei konzentrische Ringe
17, 18 angeordnet. Diese sind mittels Röhren angebracht. Die
Ringe 17 und 18 sind elektrisch voneinander und von der
Abdekung 15 isoliert. Wie aus der Figur hervorgeht, läuft der
Kanal 11 weiter von der Kupplungshülse über die Nabe 6 in die
Abdeckung 15 und weiter heraus durch die Röhren 19. Dieser
Kanal 11, der geeignetermaßen in einer Anzahl von 6 vorliegt,
ist zum teilweisen Leiten der Bewegungen der Schweißklaue
mittels Luftdruck vorgesehen, teilweise zum Kühlen derselben
mittels Wasser.
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Die Ringe 12 und 13 sowie 17 und 18 sind, wie oben gesagt,
elektrisch voneinander isoliert. Diese Ringe, welche für die
Stromversorgung dienen, bestehen geeignetermaßen aus Kupfer
und können mit einem Isolationsmaterial bedeckt sein, jedoch
nicht auf der Seite, die dem entsprechenden Ring mit der
gleichen Größe gegenüberliegt. Wenn Strom an die Schweißklaue
zuzuführen ist, wird er über die Ringe 12 und 13 hinein- und
herausgeleitet, welche mit Kupplungsansätzen versehen sind,
und wird weiter an die Schweißklaue über die Ringe 17 und 18
geleitet, welche ebenfalls mit Kupplungsansätzen versehen
sind. Zur Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen den
Ringen 12, 13 und 17, 18 werden die Ringe 12 und 13 gegen die
Ringe 17, 18 mittels Luftdruck gepreßt, welcher beispielsweise
über zwei diametral gegenüberliegende Kanäle 20 eingeleitet
wird. Die Ringe 12 und 13 sind über die O-Ringe elastisch
aufgehängt und kehren in die isolierende Position zurück, wenn
der Luftdruck im Kanal 20 abnimmt. Auf diese Art und Weise
wird die Stromversorgung zur selben Zeit unterbrochen wie der
Luftdruck, der die Schweißklaue betreibt, verschwindet. Da es
der Luftdruck im Schweißzylinder der Klaue ist, der die
Schweißelektroden gegen den Schweißfleck bewegt und das
Schweißen startet, wird kein Stromtransport auftreten, bis die
Luft eingeschaltet ist und die Ringe gegeneinander gedrückt
sind. Dies verhindert Verbrennungsschäden an den
Kontaktoberflächen der Stromvorrichtung.
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Die Teile der Gelenkverbindung gemäß der Erfindung, die mit
dem Roboterarm verbunden sind, nämlich die Nabe mit dem
Befestigungsring 7 und die Abdeckung 15 sowie die Ringe 17 und 18
sind in der Lage, sich zusammen mit dem Roboterarm zu
verschwenken, wohingegen die Kupplungshülse 10 mit den
Kontaktringen 12 und 13 bezüglich der Schwenkbewegungen stationär
ist.
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Figur 4 zeigt die Gelenkanordnung von oben gesehen, d.h. gegen
den Deckel. Aus der Zeichnung geht hervor, daß es sechs Kanäle
11 und sechs Befestigungsrohre 19 gibt. Das äußere Ende der
Kupplungshülse 10 und die Ringe 17 und 18, welche auf der
Abdeckung 15 angebracht sind, sind in der Figur gezeigt. Die
Kanäle 11, welche zentral in der Nabe hochlaufen, sind
angedeutet.
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Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die Nabe 6. Wie daraus
hervorgeht, hat diese auf ihrer zylindrischen Außenseite
Aussparungen 21. Diese Aussparungen sind mit einem getrennten
Kanal 11 in der Kupplungshülse 10 verbunden und enden in einem
separaten axialen Kanal, der eine Fortführung des Kanals 11 in
der Kupplungshülse 10 bildet. Wie aus der Figur hervorgeht,
sind sechs Aussparungen vorgesehen, und zwar jeweils
entsprechend einem separaten Kanal 11. Zwischen den Aussparungen 21
sind kleinere Aussparungen 22 angeordnet. Diese sind zur
Aufnahme der O-Ringe oder Dichtungen vorgesehen, welche
verschwenkbar gegen die zylindrische Innenseite der
Kupplungshülse 10 stoßen und somit jede Aussparung 21 und jeden Kanal 11
voneinander trennen.
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Figur 6 zeigt die Nabe 6 von oben gesehen. Die Kanäle 11,
welche in diesem Fall sechs sind, enden nach oben dicht am
Zentrum der Nabe. In ihrem tatsächlichen Zentrum ist ein Loch zum
Einschrauben in die Schraube 16, welche den Deckel in seiner
Position hält, gefertigt. Die zwei weiteren Bohrungen 23 in
der Nabe dienen für Führungsstifte.
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Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch die Kupplungshülse 10.
Darin sind Kanäle 11 vorgesehen, welche in der zylindrischen
Innenfläche und in verschiedenen Höhen darauf enden. Die
Kanäle 11 haben eine Öffnung 24 an einer Endseite, wie aus der
Zeichnung hervorgeht, aber diese Öffnung 24 wird nach der
Herstellung verstopft. Diese Öffnung wird aus
produktionstechnischen Gründen hergestellt, da der axiale Teil des Kanals 11
von einer Seite gebohrt wird. Aussparungen 25 für die O-Ringe,
welche die Kontaktringe 12 und 13 halten, sind an geeigneten
Stellen vorgesehen.
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Figur 8 zeigt die Kupplungshülse 10 von oben gesehen mit den
Kanälen 11 und zwei diametral gegenüberliegenden Bohrungen 20
zum Drücken der Ringe 12 und 13 gegen die Ringe 17 und 18.
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Figur 9 zeigt einen Schnitt durch die Abdeckung 15. Auf der
Figur sind zwei Kanäle 11 und eine zentrale Bohrung 26 für die
Schraube 16 gezeigt, wobei die Schraube die Abdeckung 15 mit
der Nabe 6 verbinden soll. Die Öffnungen 27, welche zu den
Kanälen 11 verlaufen, sind normalerweise verstopft. Falls man
wünscht, können diese Öffnungen für geeignete Zwecke verwendet
werden.
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Figur 10 zeigt die Abdeckung 15 von oben gesehen mit den
Kanälen 11 und der Bohrung 26.
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Figur 11 zeigt die konzentrischen Ringe 12 und 13 sowie 17 und
18 von oben gesehen. Sie haben paarweise die gleichen
Durchmesser, aber die Ringe 17 und 18 sind etwas breiter als die
Ringe 12 und 13. Die Ringe sind was den Rest angeht, ähnlich,
mit Ausnahme der Aussparungen für die O-Ringe in den Ringen
12, 13, welche in Figur 3 gezeigt sind. Die Ringe, welche
voneinander elektrisch isoliert sind, sind mit Kupplungsansätzen
28 für elektrische Zuführungen versehen.
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Figur 12 zeigt einen Befestigungsbolzen zum Anbringen der
Gelenkverbindung an einem Ende des Roboterarms. Der Bolzen
besteht aus einem Gewindeteil 29, der zum Einschrauben in den
Roboterarm vorgesehen ist, und einem oberen zylindrischen Teil
30, der zum Einsetzen in die Bohrung 8 in Befestigungsring 7
vorgesehen ist. Eine Aussparung 31 ist im Mittelteil
vorgesehen zum Aufnehmen von Befestigungsschrauben, welche von der
Seite durch die Bohrungen 9 im Ring 7 angesetzt werden. Diese
umgebende Aussparung 31 hat Seiten, welchen ein Winkel von
45º mit der Achse des Bolzens bilden.
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Wenn die Gelenkverbindung am Roboterarm zu befestigen ist,
werden die Befestigungsbolzen zunächst in den Roboterarm
mittels des Gewindeteils 29 geschraubt, und die Gelenkverbindung
wird in den zylindrischen Teil 30 gesetzt, woraufhin die
Befestigungsschrauben gegen die Aussparung 31 festgezogen
werden. Man hat dann die Aussparung 31 lokalisiert, so daß
beim vollständigen Einschrauben des Bolzens und Anbringen des
Gelenks die Befestigungsschrauben gegen die Seite der
Ausnehmung beim Festziehen gedrückt werden, welche weg von dem
Gewindeteil 29 weist, was bedeutet, daß der Befestigungsring 7
gegen die Endoberfläche des Roboterarms gedrückt wird.
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In den Figuren sind die Kanäle 11 in einer Anzahl von sechs
gezeigt. Zwei davon dienen für das Kühlwasser, wohingegen zwei
weitere Kanäle für Druckluft dienen, welche teilweise die
Ringe zusammendrücken, wenn das Schweißen abläuft, und teilweise
die Schweißklaue mit Druckluft zu deren Betrieb versehen.
Einer der weiteren Kanäle dient für Druckluft, wenn die
Schweißklaue kräftiger geöffnet werden soll, und das sechste Loch ist
ein Reserveloch. Welche der Kanäle zu benutzen sind, hängt von
der Auswahl ab.
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Die Gelenkverbindung wurde im Zusammenhang mit Schweißen
beschrieben, aber es erscheint klar, daß sie ebenfalls für
andere Zwecke, wie z.B. Steuerventile, eine Einspanneinrichtung
und dergleichen verwendet werden kann. Der einzige
Unterschied, dem die Gelenkanordnung dann im Vergleich mit einem
Scheißprozeß unterliegt, ist derjenige, daß ein geringerer
Stomwert hindurchläuft. Es ist ebenfalls möglich, den Strom
vollständig abzuschalten und die Gelenkverbindung nur für die
Versorgung von Luft oder Fluid zu benutzen.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform
beschränkt, und sie kann auf verschiedene Arten und Weisen
innerhalb des Umfangs der Patentansprüche variiert werden. So
kann der Befestigungsring beispielsweise durch eine Platte
ersetzt werden, oder das Befestigungsstück kann einfach aus
dem Boden der Nabe bestehen. In den Zeichnungen und der
Beschreibung wurde nur ein Paar von konzentrischen Kontaktringen
gezeigt. Es erscheint jedoch klar, daß diese Ringe in mehrere
Kontaktringe aufgeteilt werden können.