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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Reibungsschweißvorrichtungen
und betrifft im Spezielleren einen Greifer, der zum Greifen eines
ersten Elements, wie z.B. eines Rotorblatts, ausgebildet ist, während das
erste Element durch Reibungsschweißen mit einem zweiten Element
oder einer Rotorscheibe verbunden wird.
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Reibungsschweißen ist
ein allgemein bekannter Vorgang, bei dem zwei Komponenten, die sich
relativ zueinander bewegen, unter Druck miteinander in Berührung gebracht
werden und an ihrer Grenzfläche
miteinander verbunden werden. Die Bewegung an der Schweißgrenzfläche kann
eine rotationsmäßige oder
eine nicht-rotationsmäßige Bewegung
sein. Eine nicht-rotationsmäßige Bewegung
beinhaltet eine lineare, eine elliptische oder eine schwingungsmäßige Bewegung.
Reibungsschweißen
durch Rotationsbewegung erfordert typischerweise, dass mindestens
eine der Komponenten einen kreisförmigen Querschnitt hat. Reibungsschweißen durch
nicht-rotationsmäßige Bewegung
hat jedoch als Mittel zum Verbinden von Komponenten Aufmerksamkeit
erlangt, bei dem die Schweißgrenzfläche der
beiden Teile nicht kreisförmig
ist.
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Beim
nicht-rotationsmäßigen Reibungsschweißen wird
die eine Komponente relativ zu der anderen Komponente in Schwingung
versetzt, während
eine Schmiedekraft senkrecht zu der Bewegungsrichtung ausgeübt wird.
Die Bewegung wird durch eine sich hin und her bewegende Anordnung geliefert.
Die Schmiedekraft bewegt die Komponenten in Berührung miteinander, und bei
Metallkomponenten erzeugt die Reibung zwischen den Komponenten Wärme und
plastifiziert diese. Sobald die Bewegung stoppt, erstarrt das Metall,
so dass die Komponenten miteinander verbunden werden.
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Eine
nützliche
Anwendung des nicht-rotationsmäßigen Reibungsschweißens ist
die Herstellung von in integraler Weise von mit Blättern versehenen Rotoren
für Gasturbinenmaschinen.
Bei einem in integraler Weise mit Blättern versehe nen Rotor handelt es
sich um eine Rotoranordnung, bei der die Rotorblätter in voneinander beabstandeten
Intervallen um den Umfang der Rotorscheibe direkt mit der Rotorscheibe
verbunden sind. Auf diese Weise können individuell hergestellte
Komponenten, die jeweils ausgewählte
Eigenschaften haben, miteinander verbunden werden. Die Blätter beinhalten
im Allgemeinen eine Plattform, wobei sich ein strömungsprofilförmiger mittlerer
Bereich von der einen Seite der Plattform weg erstreckt und sich
ein Stummel- bzw. Ansatzbereich von der anderen Seite der Plattform
weg erstreckt.
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Es
versteht sich, dass die Bedingungen, unter denen in integraler Weise
mit Rotorblättern
versehene Rotoren durch Reibungsschweißen gebildet werden, von strenger
Art sind. Für
das Reibungsverschweißen
dieser Komponenten miteinander müssen
die Blätter
an der hin und her gehenden Bewegungsanordnung festgehalten werden
und mit einem Halter (Greifer) fest gegriffen werden. Die Scheibe muss
in einer stationären
Position gehalten werden.
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Die
Blätter
haben eine komplexe Formgebung, so dass der Greifer einen kompatiblen
Klemmmechanismus aufweisen muss. Außerdem können die Blätter während des Schweißens relativ
leicht brechen, so dass der Greifer die Blätter derart abstützen können muss,
dass die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs der Blätter auf ein Minimum reduziert
ist. Ferner entstehen in Verbindung mit dem Reibungsschweißen von
Metallkomponenten hohe Kräfte.
Für Metallkomponenten
betragen die Schwingungsfrequenzen typischerweise weniger als ca.
100 Hz oder Zyklen/s, und zwar in Abhängigkeit von der Größe und der
Formgebung des Teils, und die Schmiedekräfte sind höher als 500 lbs. force (22241
N). Ferner müssen
mehrere Blätter
mit jeder Scheibe innerhalb enger Toleranzen verbunden werden, die
für Anwendungen
in der Luftfahrt erforderlich sind. Aus diesem Grund muss der Greifer
fest klemmen, um diesen Kräften
standzuhalten und das Blatt derart zu halten, dass die letztendliche
Position des Blattes exakt ist und in konsistenter Weise reproduzierbar
ist.
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Wenn
sich das Blatt während
des Schweißvorgangs
bewegt, führt
eine solche Bewegung zu dem Risiko einer Beschädigung der Schweißvorrichtung.
Darüber
hinaus riskiert eine solche Bewegung nicht nur eine Fehlausrichtung
des ver bundenen Blatts, sondern auch eine Fehlausrichtung jedes
anschließend
verbundenen Blatts. Wenn die Fehlausrichtung signifikant ist, kann
der in integraler Weise mit Blättern
versehene Rotor nicht in Betrieb genommen werden, und dieser wird
zu Ausschuss, oder er wird einer kostenintensiven Neumontage unterzogen.
Wenn die Fehlausrichtung nicht von signifikanter Art ist, kann der
in integraler Weise mit Rotorblättern
versehene Rotor in Betrieb genommen werden, jedoch kann er einige
in Verbindung damit resultierende Leitungsverluste haben. Ferner
ist die Bewegung des Blatts relativ zu dem Greifer unerwünscht, da
jegliche Vibration des Blatts Energie absorbiert und die Energie
erhöht,
die zum Erzielen der angemessenen Schwingung des Blatts erforderlich
ist.
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Es
sind mehrere mögliche
Greifer entwickelt worden, um die Blätter während des Reibungsschweißvorgangs
zu halten. Diesen Greifern des Stands der Technik gelingt es jedoch
nicht, die vorstehend geschilderten Erfordernisse in angemessener
Weise zu erfüllen.
Eine Lösung
besteht in der Ausbildung des Blatts innerhalb eines massiven Vollmaterials,
so dass das Blatt während
der Verbindung einstückig
mit dem Block verbleibt. Zur Verwendung dieses Verfahrens muss das
Blatt innerhalb eines Materialblocks durch einen teuren Vorgang
gebildet werden, und der Block muss nach der Verbindung entfernt
werden. In einer Fertigungsumgebung ist es schneller und billiger,
die Blätter
in ihrem fertigen Zustand herzustellen und diese dann mit der Scheibe
zu verbinden.
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Noch
eine weitere Lösung
besteht darin, das Blatt mit zwei sich durch dieses hindurch erstreckenden
Löchern
auszubilden. Ein U-förmiger
Blatthalter umgibt den mittleren Bereich des Blatts und wird durch
die Löcher
mit dem Blatt verschraubt. Der Blatthalter wird dann an der Verbindemaschine
angebracht. Die Verwendung sowie das Entfernen von diesem Typ von
Halter kann dort schwierig sein, wo die Geometrie des in integraler
Weise mit Blättern versehenen
Rotors eine enge Beabstandung der Blätter voneinander vorschreibt.
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Die
EP-A-0 458 630 offenbart eine Vorrichtung zum reibungsmäßigen Verbinden
eines Blatts mit einem Rotor, die ein Paar Futterbacken aufweist, die
in nerhalb von Gliedmaßen
eines C-förmigen
Elements derart positioniert sind, dass durch Ziehen der Backen
nach oben ein Rohling festgeklemmt wird.
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Eine
weitere Lösung
besteht in der Ausbildung des Blatts mit einem abgeschrägten Bereich, wobei
der Halter ferner einen Hohlraum und eine Klemmeinrichtung mit einem
abgeschrägten
Ende beinhaltet. Wenn das Blatt in den Halter eingesetzt wird, erstreckt
sich der mittlere Bereich in den Hohlraum hinein, und die abgeschrägten Enden
des Blatts und des Halters treten miteinander in Verbindung. Die
Abschrägungen
jedes Elements sind derart, dass bei Festziehen der Klemmeinrichtung
ihr abgeschrägtes
Ende das Blatt weiter in den Hohlraum hineinzwängt, um eine mögliche Bewegung
während des
Schweißvorgangs
zu minimieren. Die Verwendung sowie das Entfernen dieses Typs von
Halter können
jedoch in den Fällen
schwierig sein, in denen die Geometrie des in integraler Weise mit
Blättern versehenen
Rotors eine enge Beabstandung der Blätter voneinander erfordert.
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Als
Ergebnis der genannten Einschränkungen
des vorstehend erläuterten
Halters besteht ein Bedarf für
einen verbesserten Greifer, der das Blatt während des anschließenden Reibungsschweißens an
eine Rotorscheibe sicher festhält.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines
verbesserten Greifers zum wirksamen Festhalten eines ersten Elements
an einer hin und her gehenden Bewegungsanordnung sowie zum Halten
und Schützen
des ersten Elements, während
das Reibungsschweißen
des ersten Elements an ein zweites Element stattfindet. Der verbesserte
Greifer kann den hohen Kräften
standhalten, die in Verbindung mit dem Reibungsschweißen von
Metallkomponenten auftreten, und gewährleistet, dass der Vorgang
in exakter und in konsistent reproduzierbarer Weise stattfindet.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Greifer zum Festhalten eines
ersten Elements an einer hin und her gehenden Bewegungsanordnung
einer Reibungsschweißvorrichtung
gemäß Anspruch
1. Wenn die Klemmenhälften
miteinander verbunden sind, umschließen die Hälften den Kragen des ersten Elements.
Beim Einsetzen der miteinander verbundenen Klemmenhälften in
die Basis drücken
die Endwände
die Klemmenhälften
in Längsrichtung
und in Querrichtung zusammen. Als Ergebnis hiervon halten die Klemmenhälften den
Kragen des ersten Elements in fest gegriffener Weise, so dass das
erste Element sicher gehalten ist. Die Basis greift die Klemmenhälften somit
fest, und diese greifen somit den Kragen des ersten Elements fest,
so dass sowohl die Klemmenhälften
als auch das erste Element gegen Bewegung gesichert sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden lediglich anhand eines Beispiels
unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben; darin zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht einer Reibungsschweißvorrichtung, die einen damit
verbundenen Greifer gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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2 eine
Perspektivansicht des in 1 dargestellten Greifers; und
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3 eine
auseinander gezogene Ansicht bzw. Explosionsdarstellung des in 1 dargestellten
Greifers.
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Wie
unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, handelt es sich
bei der Reibungsschweißvorrichtung 20 um
eine Vorrichtung zum Reibungsverschweißen eines ersten Elements 21 mit
einem zweiten Element 22. Eine Fortschalt-Revolvereinrichtung (nicht
gezeigt), die in Betrieb das zweite Element 22 in der dargestellten
Position halten würde,
ist aus Gründen
der Klarheit weggelassen worden. Bei der dargestellten Anwendung
handelt es sich bei dem ersten Element 21 um ein Rotorblatt
oder Strömungsprofil,
und bei dem zweiten Element 22 handelt es sich um eine
Rotorscheibe. Nachdem alle der Rotorblätter mit der Rotorscheibe verschweißt sind,
ist ein in integraler Weise mit Blättern versehener Rotor gebildet.
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Die
Reibungsschweißvorrichtung 20 beinhaltet
im Allgemeinen einen Rahmen 23, eine Schmiedeanordnung 24 sowie
eine hin und her gehende Bewegungsanordnung 26. Der Rahmen 23 beinhaltet eine
Mehrzahl von Streben, die durch das diagonale Gerüst 32 dargestellt
sind und eine pyramidenartige Konfiguration bilden. Die Schmiedeanordnung 24 ist durch
den Rahmen 23 abgestützt
und liefert eine Schmiedebelastung entlang einer Schmiedeachse Fa.
Die hin und her gehende Bewegungsanordnung 26 ist von dem
Rahmen 23 abgestützt
und dazu ausgebildet, eine hin und her gehende Bewegung zwischen
dem ersten und den zweiten Elementen (Blättern und Scheiben) 21 bzw. 22 zu
erzeugen. Die hin und her gehende Bewegungsanordnung 26 beinhaltet
eine hydraulische Betätigungsanordnung 90 und ein
Gleitstück 94.
Das Gleitstück 94 steht
in verschiebbarem Eingriff mit dem Diagonalgerüst 32 des Rahmens 22.
Mittels der hydraulischen Betätigungsanordnung 90 wird
das Gleitstück
zur Ausführung
einer Bewegung entlang der Bewegungsachse Ma in einer
linear hin und her gehenden Bewegung veranlasst. Die Bewegungsachse
Ma ist rechtwinklig zu der Schmiedeachse
Fa. An dem Gleitstück 94 ist ein Greifer 102 angebracht,
und dieser hält
das erste Element 21, so dass bei Bewegung des Gleitstücks 24 sich
das erste Element 21 ebenfalls relativ zu dem zweiten Element 22 bewegt.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 ist das
erste Element 21 gekennzeichnet durch einen Strömungsprofil-förmigen Bereich,
der innerhalb eines Kragens 204 angeordnet ist. Der Kragen 204 sollte
derart geformt sein, dass keine störende Beeinträchtigung
hinsichtlich weiterer Strömungsprofile 21 möglich ist,
die anschließend
mit der Scheibe 22 verbunden werden. Der Greifer 102 beinhaltet
eine U-förmige
Basis 206, eine erste Klemmenhälfte 208, eine zweite
Klemmenhälfte 210,
ein Paar Bügel 212 sowie
ein Paar Befestigungsglieder 214. Die U-förmige Basis 201 ist
mit der hin und her gehenden Bewegungsanordnung 26 in Eingriff
bringbar (wie es in 1 gezeigt ist). Die Basis 206 beinhaltet
zwei voneinander beabstandete Endwände 216 und 217 an einer
zentralen Wand 218, an der Befestigungsstellen 220 vorgesehen
sind. Die Endwand 216 beinhaltet eine abgeschrägte innere
Oberfläche 222,
und die Endwand 217 beinhaltet eine aufrechte (nicht geneigte)
innere Oberfläche 223.
Jede Endwand hat einen Ausschnitt 224 mit schräg verlaufenden
Seitenwänden
an ihrem freien Ende. Die inneren Oberflächen sind voneinander beabstandet,
um die Klemmenhälften 208 und 210 dazwischen
aufzunehmen. An der Basis jedes Ausschnitts 224 befinden
sich Bohrungen, die durch die Bohrung 226 (3)
dargestellt sind. Der Greifer der vorliegenden Erfindung ist an
Befestigungsstellen 220 direkt an dem Gleitstück angebracht,
und zwar mittels einer Mehrzahl von Gewindebolzen, die sich an den
Stellen 220 durch die zentrale Wand 218 der Basis
hindurch erstrecken. Es werden zwar Gewindebolzen verwendet, jedoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese begrenzt.
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Die
Klemmenhälften 208 und 210 sind
im Wesentlichen T-förmig.
Jede Klemmenhälfte
zeichnet sich aus durch eine obere Oberfläche 228 mit einer
Schulter 230. Eine Querleiste 232 jeder Klemmenhälfte ist
mit einer sich durch diese hindurch erstreckenden Bohrung 234 ausgebildet
und beinhaltet einen Flansch 236. Ein vertikal verlaufender
Fuß 238 jeder
Klemmenhälfte
ist durch ein Paar entgegengesetzter äußerer Oberflächen 240 gekennzeichnet.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird nun die Verwendung des
Greifers 102 beschrieben. Wenn die Basis 206 an
dem Gleitstück 94 angebracht
ist und sich die Reibungsschweißvorrichtung 20 in
einer unbelasteten Position befindet, in der die Scheibe 22 von
der Basis 206 beabstandet ist, wird das Blatt 21 in
den Greifer 102 eingesetzt. Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 werden
die beiden Klemmenhälften 208 und 210 um
das Blatt 21 herum miteinander verbunden, so dass die Schultern 230 satt
anliegend um den Kragen 40 passen. Die auf diese Weise verbundenen
Klemmenhälften 208 und 210 werden dann
derart in der Basis 206 montiert, dass die Enden der Querleisten 232 der
Klemmenhälften 208 und 210 in
die Ausschnitte 224 in den Endwänden 216 der Basis 206 eingreifen.
Sobald dieser Montagezustand erreicht ist, werden die Bohrungen 234 in jeder
der Klemmenhälften 208 und 210 mit
den jeweiligen Bohrungen 226 in der Basis 206 ausgefluchtet. Ferner
treten die inneren winkeligen Oberflächen 222 der Basis 206 in
Verbindung mit den äußeren Oberflächen 240 der
Klemmenhälften 208 und 210.
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Als
Nächstes
wird das Paar der Bügel 212 über die
kombinierten Klemmenhälften 208 und 210 gepasst.
Bolzen bzw. Schrauben 214 werden durch die Bügel hindurch
geführt
und erstrecken sich in die Gewindebohrungen 226 in der
Basis hinein. Beim Festziehen der Bolzen 214 werden die
Klemmenhälften 208 und 210 in
die Basis 206 hinein gezogen, bis die Querleisten 232 der
Klemmenhälften
in den Ausschnitten 224 in der Basis 206 den Boden
erreichen. Der Eingriff der abgeschrägten Endwände der Klemmenhälften mit
der schräg
verlaufenden Wand 222 der Basis verursacht eine steuerflächenartige
Bewegung der Klem menhälften
in einen festen Klemmeingriff mit dem Rotorblattkragen sowohl in
Längsrichtung
als auch in seitlicher Richtung. Die Bügel sind wahlweise vorgesehen.
Die Bügel
werden dazu verwendet, die beiden Klemmenhälften in den Ausschnitt zu
zwängen.
Da jedoch die Auflagen 236 an jeder Klemmenhälfte die
darunter befindliche, andere Klemmenhälfte in die Aussparung zwängen, sind
die Bügel
nicht notwendig. Bei Erreichen des Bodens wird eine Presspassung
oder eine Festpassung zwischen den Klemmenhälften und der Basis aufrechterhalten.
Die Presspassung veranlasst die Schultern 230 zum Angreifen
an dem Kragen 204, jedoch nicht an dem Strömungsprofil-förmigen Bereich
des Blatttelements 21, so dass eine Greifkraft erzeugt
wird, um das erste Element 21 in seiner Position festzuhalten.
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Unter
Bezugnahme auf 1 kann dann der Reibungsschweißvorgang
mit der Aufbringung einer anfänglichen
Schmiedebelastung durch die Schmiedeanordnung 24 sowie
ein anschließendes
Aktivieren der hin und her gehenden Bewegungsanordnung 26 beginnen,
oder aber die hin und her gehende Bewegung kann vor der Aufbringung
irgendeiner Schmiedelast initiiert werden. In beiden Fällen können die
gewünschte
Schmiedebelastung sowie Schwingungsfrequenzen über die Schmiedeanordnung 24 und
die hin und her gehende Bewegungsanordnung 26 ausgeübt werden.
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Die
Schmiedebelastung ist entlang der Schmiedeachse Fa gerichtet, die
zu der Bewegungsachse Ma senkrecht ist.
Es ist bevorzugt, dass die Schmiedebelastung aufgebracht und dann
zu Beginn freigesetzt wird, um die Klemmenhälften 208 und 210 vor
dem Festziehen der Befestigungsglieder 214 weiter in die
Ausschnitte hinein zu zwängen.
Die Schmiedebelastung wird dann ausgeübt, um den Verbindungsvorgang
zu starten. Die Schmiedebelastung wird aufgebracht, indem die Scheibe 22 mit
dem Blatt 21 in Berührung
gebracht wird, wobei es sich um die belastete Position handelt.
Eine Schwingung des Blatts 21 wird erzielt durch Aktivierung
der hydraulischen Betätigungsanordnung 90.
Dies veranlasst das Gleitstück 94,
den Greifer 102 sowie das Blatt 21 zur Ausführung einer
hin und her gehenden Bewegung entlang der Bewegungsachse Ma. Während
der Schwingungsbewegung des Blatts 21 wird die Scheibe 22 stationär gehalten.
Als Ergebnis der Schmiedebelastung werden die Klem menhälften 208 und 210 weiter
in die Basis 206 hinein gedrückt. Dadurch wird die Greifkraft
an dem Blatt 21 sowie den Klemmhälften aufgrund der Klemmwirkung
der Bügel 212 durch
die Schmiedebelastung gesteigert.
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Die
Ausübung
der Schmiedebelastung und der hin und her gehenden Bewegungsbelastung
führt dazu,
dass die Verbindungsflächen
der Elemente 21 und 22 sich aufgrund von Reibung
erwärmen,
wodurch wiederum die Metallkomponenten plastifiziert werden und
diese dann durch die Schmiedebelastung einer Diffusionsverbindung
unterzogen werden. Bei Beendigung eines solchen Reibungsschweißvorgangs
werden bei Anordnung der Reibungsschweißvorrichtung in der belasteten
Position die Bolzen 214 von dem Greifer 102 entfernt.
Die Schmiedeanordnung 26 wird dann betätigt, so dass die Scheibe 22 veranlasst
wird, sich von dem Diagonalgerüst 31 weg zu
bewegen und dadurch das nun mit dem zweiten Element 22 verbundene
Blatt 21 aus dem Greifer 102 heraus gezogen wird.
Nachfolgende Rotorblätter werden
in der vorstehend beschriebenen Weise mit der Rotorscheibe verbunden.
Sobald der gesamte in integraler Weise mit Blättern versehene Rotor gebildet
ist, werden die Kragen 204 durch spanende Bearbeitung von
den Blättern
entfernt.
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Der
Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der
Greifer das erste Element in ausreichender Weise festklemmt, so
dass dieses den von der Reibungsschweißeinrichtung ausgeübten Kräften standhält, sowie
das Blatt derart hält,
dass die endgültige
Position des Blatts exakt und reproduzierbar ist. Darüber hinaus
stützt
der Greifer das erste Element in einer derartigen Weise ab, dass
die Wahrscheinlichkeit eines Brechens des ersten Elements auf ein
Minimum reduziert ist und dabei keine Änderung der Formgebung von
diesem erfolgt oder Spannungsbelastungen in dieses eingebracht werden.
Noch ein weiterer Vorteil des Greifers besteht darin, dass er eine
Verbindung von nahe beieinander angeordneten Blättern ermöglicht, da der Greifer keine
störende
Beeinträchtigung
hinsichtlich einander benachbarter Blätter hervorruft. Darüber hinaus
lässt sich
der Greifer in einfacher Weise von dem verbundenen Blatt lösen.
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Die
Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf dargestellte Ausführungsbeispiele
beschrieben worden, jedoch erschließen sich dem Fachmann bei Lektüre der vorliegenden
Beschreibung verschiedene Modifikationen der dargestellten Ausführungsbeispiele
sowie weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt, wie
dieser in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist. Eine solche Modifikation besteht darin, die Klemmenhälften zusammenzuschrauben,
bevor diese in den Greifer eingesetzt werden. Dies ermöglicht ein
Einrichten von jeweils mehreren Blättern vor dem Verbindungsvorgang,
so dass der Verbindungsvorgang rascher stattfinden kann.