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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen
Pressschweißen
von mehrteiligen Werkstücken
mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.
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Aus
der Praxis ist es bekannt, beim elektrischen Widerstandspressschweißen die
Werkstücke in
entsprechende Aufnahmen an den zustellbaren und mit dem Schweißstrom beschickbaren
Elektroden einer Schweißmaschine
anzulegen. Diese Zuführung
der einzelnen Werkstückteile
und die Entnahme der geschweißten
Fertigteile erfolgen manuell. Das Werkstückhandling dauert dabei länger als der
eigentliche Schweißprozess,
der z.B. beim elektrischen Impulsschweißen, insbesondere beim Kondensator-Entladungsschweißen, sehr
kurz ist.
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Die
DE 26 38 064 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Widerstands-Pressschweißen von Kleinbauteilen unter
Verwendung von Schweißelektroden und
Hilfselektroden, die vom Schweißstrom
durchflossen werden. Die Hilfselektroden schalten eine der beiden
Schweißelektroden
in den Sekundär-Stromkreis
des Schweißtransformators
und ermöglichen am
Schweißautomaten
eine einseitige Stromzufuhr zu beiden Schweißelektroden. Die Hilfselektroden haben
keinen direkten Kontakt mit den Werkstückteilen. Die dienen auch nicht
als Werkzeugschalen eines Haltewerkzeugs.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besseres Verfahren nebst
Vorrichtung zum Pressschweißen
aufzuzeigen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.
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Der
Einsatz eines transportablen Haltewerkzeugs, das außerhalb
der Schweißmaschine
mit den Werkstückteilen
bestückt
werden kann, beschleunigt die Gesamtdauer des Schweißprozesses
erheblich und führt
zu einer deutlichen Leistungssteigerung. Das Haltewerkzeug überträgt mit seinem
elektrisch leitenden Werkzeugschalen den von den Elektroden zugeführten Strom
und wird hierdurch zu einem mobilen Bestandteil der Schweißmaschine.
Das Haltewerkzeug kann mehrfach vorhanden sein, so dass die Bestückung und
Entleerung von Haltewerkzeugen sowie der eigentliche Schweißvorgang
voneinander entkoppelt sind und einander zeitlich überlappen
können.
Die Bestückung
und Entleerung des Haltewerkzeugs außerhalb der Schweißmaschine
ist außerdem
einfacher und komfortabler. Insbesondere steht hierfür mehr Platz
und Bewegungsfreiheit zur Verfügung.
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Die
Handhabung des Haltewerkzeugs nebst Bestückung und Entladung kann manuell
erfolgen. Das transportable und ggf. mehrfach vorhandene Haltewerkzeug
erlaubt aber auch eine maschinelle Handhabung und eine dementsprechende
Leistungssteigerung. Durch eine Vollautomatisierung können Arbeitskosten
eingespart werden.
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Durch
eine geeignete elektrische Isolierung kann bei einer maschinellen
Handhabung das Haltewerkzeug während
des Schweißprozesses
in der Schweißmaschine
von der Handhabungseinrichtung festgehalten werden. Dies führt zu einer
weiteren Beschleunigung und Vereinfachung der Handhabung. Ein An-
und Abkuppeln des Werkstückträgers von der
Handhabungseinrichtung ist entbehrlich.
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Das
Haltewerkzeug kann mit einer integrierten oder zugeordneten Schließeinrichtung
kombiniert werden, die ein Schließen der Werkzeugschalen nach
der Bestückung
bewirkt und die Werkzeugschalen während der weiteren Handhabung
bis zur Entladung zusammenhält.
Durch geeignete Führungen können die
eingelegten Werkstückteile
in ihrer schweißgerechten
Lage zueinander positioniert und fixiert werden.
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Die
Werkzeugschalen können
formschlüssige
Aufnahmen für
die Werkstückteile
haben, welche einerseits für
den notwendigen Halt und sie prozessgerechte Position der Werkstückteile
und andererseits für
den stromführenden
Kontakt und die Kraftübertragung
beim Zusammenpressen zwischen den Elektroden sorgen. Durch eine
geeignete Formanpassung der Werkstückaufnahmen kann ein vollflächiger strom-
und kraftleitender Kontakt zu den Werkstückteilen hergestellt werden.
Die Einlegetiefe der Werkstückaufnahmen
ist dabei so bemessen, dass in Schließstellung die Werkzeugschalen
voneinander distanziert sind, so dass der Schweißstrom ausschließlich über die
Kontaktbereiche der Werkstückteile
fließt
und für
deren Verschweißung
sorgt.
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Das
beanspruchte Verfahren und die Vorrichtung eignen sich besonders
für das
elektrische Impulsschweißen,
insbesondere das Kondensator-Entladungsschweißen. Die wesentlich verkürzten Handhabungszeiten
reduzieren die Gesamtzeit des Prozesses und erhöhen die Wirtschaftlichkeit,
die Einsatzbereiche und auch die Verfügbarkeit dieser Schweißtechnik.
Eine besondere Eignung besteht hierbei für schalenförmige Werkstückteile,
die an ihrem offenen Schalenrändern
passgenau in Kontakt gebracht und verschweißt werden können. Insbesondere ist es möglich, an
den Schalenrändern
eine umlaufende Schweißnaht
und speziell auch eine Dichtschweißung herzustellen. Dies ist
besonders im Behälterbau
von Vorteil.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt. Im einzelnen zeigen:
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1:
eine Draufsicht auf eine Schweißzelle mit
einer Schweißmaschine,
mehreren Haltewerkzeugen und einer Handhabungseinrichtung,
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2:
eine Draufsicht auf eine Variante der Schweißzelle von 1 mit
vier Robotern,
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3:
eine perspektivische Ansicht einer Schweißmaschine mit einem Roboter
und einem Haltewerkzeug in Zuführstellung,
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4 und 5:
verschiedene perspektivische Ansichten der Werkzeugschalen eines
Haltewerkzeugs,
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6 und 7:
verschiedene perspektivische Ansichten des Haltewerkzeugs mit einer Schließeinrichtung.
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1 zeigt
in der Draufsicht eine Vorrichtung zum elektrischen Pressschweißen von
mehrteiligen Werkstücken
(6), die in der gezeigten Ausführungsform als Schweißzelle ausgebildet
ist. Die Schweißzelle
kann alternativ Bestandteil einer größeren Schweißanlage
sein. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Schweißzelle
(1) voll automatisiert. Sie kann alternativ teilweise manuell
betrieben werden.
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In
der Schweißzelle
(1) ist mindestens eine elektrische Schweißmaschine
(2) zur Ausführung des
elektrischen Pressschweißprozesses
angeordnet. Sie besitzt mindestens zwei unter Kraft zustellbare
Elektroden (4,5), die in einem Gestell (3)
mit einer Zustelleinrichtung (nicht dargestellt) gelagert sind. Die
Schweißmaschine
(2) umfasst ferner mindestens eine geeignete Schweißstromquelle
sowie eine Prozesssteuerung (beide nicht dargestellt). Der Pressbereich
an den Elektroden (4,5) ist von ein oder mehreren,
vorzugsweise von zwei Seiten her zugänglich. In der gezeigten Ausführungsform
werden die Elektroden vertikal aufeinander zubewegt und zusammen gepresst.
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Der
Pressschweißprozess
kann unterschiedlich ausgebildet sein. Es handelt sich vorzugsweise um
einen elektrischen Widerstands-Pressschweißprozess, insbesondere ein
Impulsschweißverfahren. Besonders
bevorzugt ist das elektrische Kondensator-Entladungsschweißverfahren,
bei dem eine Kondensatoranordnung elektrisch aufgeladen wird und beim
Entladevorgang über
einen Schwingkreis einen Impulsstrom über die Elektroden (4,5)
fließen
lässt.
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Die
Schweißzelle
(1) dient zum elektrischen Pressschweißen von ein oder mehreren Werkstücken (6),
die in 1 und 2 als Fertigteile dargestellt
sind und die aus zwei oder mehr miteinander zu verschweißenden Werkstückteilen
(7,8) bestehen. Für die Werkstückteile
(7,8) oder das sogenannte Halbzeug sind je nach
Zellenausgestaltung ein, zwei oder mehr Werkstückzuführungen (24) vorhanden. Die
Fertigteile (6) können
von zwei beidseits der Schweißmaschine
(2) angeordneten Fertigteilabfuhren (26) abtransportiert
werden.
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Die
Werkstückteile
(7,8) werden außerhalb der Schweißmaschine
(2) in einem transportablen Haltewerkzeug (9)
eingelegt, das mindestens zwei relativ zueinander bewegliche und
elektrische leitende Werkzeugschalen (10,11) aufweist. 4 bis 7 zeigen
diese Anordnung. Das Haltewerkzeug (9) kann mittels einer Schließeinrichtung
(14) eingeschlossen werden, wobei die Werkzeugschalen (10,11)
aufeinander zubewegt werden und die Werkstückteile (7,8)
zwischen sich halten. Das geschlossene Haltewerkzeug (9)
kann in die Schweißmaschine
(2) eingeführt
und zwischen die zurückgezogenen Elektroden
(4,5) eingebracht werden. Anschließend werden
die Elektroden (4,5) für den Schweißprozess gegeneinander
zugestellt und an die Werkzeugschalen (10,11)
angepresst, wobei sie auch die Werkstückteile (7,8)
zusammendrücken.
Der Schweißstrom
wird über
die Elektroden (4,5) und die Werkzeugschalen (10,11)
durch die Werkstückteile
(7,8) geleitet. An den Kontaktstellen der Werkstückteile (7,8)
entsteht durch den dortigen Übergangswiderstand
eine Stromkonzentration, welche zu einer Plastifizierung oder zu
einem Teigigwerden und zu einer Schweißverbindung an den Kontaktstellen
führt.
Anschließend
kann das Haltewerkzeug (9) nach der Stromabschaltung und
dem Rückzug
der Elektroden (4,5) wieder entnommen und nach
dem Entladen des Fertigteils (6) erneut bestückt werden.
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Die
Bestückung
des Haltewerkzeugs (9) kann manuell oder maschinell mittels
einer Bestückungseinrichtung
(25) erfolgen. Letztere kann an die Werkstückzuführung (24)
angeschlossen sein. Die Handhabung des Haltewerkzeugs (9)
kann ebenfalls manuell oder maschinell geschehen, wobei auch der Schließvorgang
manuell durchgeführt
werden kann. Anstatt der vorerwähnten
mechanischen Schließeinrichtung
(14) kann ein manuell betätigbarer Verschluss vorhanden
sein, der die Werkzeugschalen (10,11) in Schließstellung
zusammenhält
und ggf. auch unter einem gewissen Spanndruck hält.
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In
der gezeigten und bevorzugten Ausführungsform ist eine maschinelle
Handhabungseinrichtung (18) vorgesehen. Diese kann ein
oder mehrere mehrachsige Manipulatoren (19,20,21,22)
aufweisen, wobei vorzugsweise zwei oder mehr Manipulatoren (19,20,21,22)
paarweise beidseits der Schweißmaschine
(2) angeordnet sind. Die Manipulatoren (19,20,21,22)
können
beliebig ausgebildet sein und beliebig viele rotatorische und/oder
translatorische Bewegungsachsen haben. In der gezeigten Ausführungsform
sind sie als Industrieroboter, vorzugsweise als sechsachsige Gelenkarmroboter,
ausgebildet. Die Manipulatoren (19,20,21,22)
halten jeweils mit ihrer Manipulator- oder Roboterhand (23) ein
Haltewerkzeug (9) mittel eines elektrisch isolierten Anschlusses
(17). Alternativ können
an einer Roboterhand (23) auch mehrere Haltewerkzeuge (9) angeordnet
sein.
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In
der gezeigten Ausführungsform
von 1 sind zwei Roboter (19,21)
beidseits der Schweißmaschine
(2) angeordnet, wobei jedem Roboter (19,21) jeweils
eine Bestückungseinrichtung
(22) und eine Fertigteilabfuhr (26) zugeordnet
sind. Bei dieser Ausführung
ist eine einzelne Werkstückzuführung (24) vorhanden.
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In
der Variante von 2 sind beidseits der Schweißmaschine
(2) jeweils zwei Roboter (19,20) und
(21,22) angeordnet, wobei jedem dieser Roboterpaare
eine eigene Werkstückzuführung (24)
und eine eigene Bestückungseinrichtung
(25) nebst einer Fertigteilabfuhr (26) zugeordnet
ist. In beiden Ausführungsformen
bedienen die Manipulatoren oder Roboter (19,20,21,22)
abwechselnd die Schweißmaschine
(2) und bringen ein bestücktes Haltewerkzeug (9)
zwischen die Elektroden (4,5). Während des Schweißprozesses
können
die Haltewerkzeuge (9) dank des elektrisch isolierten Anschlusses
(17) mit der Roboterhand (23) verbunden bleiben.
Nach dem Schweißprozess
werden die Haltewerkzeuge (9) entnommen, geöffnet und
auf geeignete Weise auf die Fertigteilabfuhr (26) entladen.
Je nach Art der Werkstücke
(6) fallen diese von allein aus dem geöffneten Haltewerkzeug (9).
Alternativ können
sie durch eine Entladevorrichtung, z.B. einen integrierten Ausstoßer (nicht
dargestellt) ausgeworfen und an die Fertigteilabfuhr (26) übergeben
werden.
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In
beiden gezeigten Ausführungsformen
von 1 und 2 sind die Be- und Entladezeiten
des Haltewerkzeugs (9) von den eigentlichen Schweißzeiten
entkoppelt. Wenn sich ein Haltewerkzeug (9) in der Schweißmaschine
(2) befindet, können
in der gleichen Zeit ein oder mehrere andere Haltewerkzeuge (9)
bestückt
oder entladen werden. Die Auslegung der Handhabungseinrichtung (8)
kann auch von der Kapazität
der Schweißmaschine
(2) und der Dauer des Schweißprozesses abhängen. Bei
der Variante von 1 kann die Schweißzeit ungefähr die gleiche Länge wie
die Bestückungs-
und Entladezeit einschließlich
der Transport- und
Bewegungszeiten der Roboter (19,21) sein. In der
leistungsfähigeren
Variante von 2 ist die Schweißmaschine
(2) schneller, so dass während der Bestückungs-Transport- und
Entladezeit eines Haltewerkzeugs (9) drei Schweißprozesses
an anderen Haltewerkzeugen (9) durchgeführt werden können. Die
vier Roboter (19,20,21,22) bedienen
zyklisch abwechselnd die Schweißmaschine
(2), wobei bei jedem Roboterpaar (19,20)
und (21,22) die Bestückungs- und Entladezeiten überlappen
können.
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Wie 4 bis 7 verdeutlichen,
werden die Werkstückteile
(7,8) in formschlüssige, verstellbare Werkstückaufnahmen
(12) der Werkzeugschalen (10,11) gelegt.
Die Werkstückaufnahmen
(12) sind in ihrer Formgebung an die Außenform der zugehörigen Werkzeugteile
(7,8) angepasst. Vorzugsweise besteht eine vollflächige Formanpassung.
Die Einlegetiefe der Werkstückaufnahme
(12) ist dabei kleiner als die zugeordnete Werkstückhöhe, so dass
die Werkstücke
ein wenig über
die Oberfläche
der in den Werkzeugschalen vorzugsweise bündig eingelassenen Werkstückaufnahmen
(12) vorstehen. Durch diesen Überstand werden beim Zusammenpressen
in der Schweißmaschine
(2) die Werkzeugschalen (10,11) in Zustellrichtung
gegenseitig distanziert und elektrisch isoliert. Der Schweißstrom fließt über die ebenfalls
elektrisch leitenden Werkstückaufnahmen (12)
und die Werkstückteile
(7,8). Der Stromübergang findet dabei vorzugsweise
nur an den Kontaktstellen der Werkstückteile (7,8)
statt, wobei Nebenschlüsse
vermieden werden.
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Die
Werkstückteile
(7,8) können
eine beliebige und bezüglich
der Schweißstelle
komplementäre Formgebung
haben. Insbesondere können
die Werkstückteile
(7,8) eine Schalenform besitzen, wobei die Schweißverbindung
an den freien Schalenrändern erfolgt
und ein Hohlteil, z.B. ein Rohr, ein geschlossener Behälter oder
dergleichen gebildet wird. Die Verschweißung findet an den Schalenrändern statt,
wobei die Schweißstellen
je nach Formgebung der Schalenränder
stellenweise oder umlaufend vorhanden sein können. Insbesondere lässt sich
mit der beschriebenen Schweißtechnik
eine umlaufende und dichte Schweißnaht zur Herstellung dichter
Hohlkörper,
insbesondere Behälter,
schaffen.
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Die
Werkstückteile
(7,8) können
durch die Formanpassung in den Werkstückaufnahmen (12) per
Reibschluss oder über
eine Clipsverbindung gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich können kleine
Halter, z.B. bewegliche Haltenasen oder dergleichen in den Werkstückaufnahmen
(12) integriert sein, welche die Werkstückteile (7,8)
nach dem Einlegen formschlüssig
festhalten.
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Die
Werkstückschalen
(10,11) (10,11) sind in ihrer äußeren Formgebung
an die Gestalt der Elektroden (4,5) angepasst,
um für
eine geeignete Kraft- und Stromübertragung
zu sorgen. Die Werkzeugschalen (10,11) können nur
im Bereich der Werkstückaufnahmen
(12) elektrisch leitend oder ansonsten elektrisch isolierend
ausgebildet sein. Eine elektrische Isolation kann alternativ oder
zusätzlich
auch zu den Halterungen oder Lagerstellen der relativ zueinander
beweglichen Werkzeugschalen (10,11) bestehen.
Auch der Anschluss (17) kann eine elektrische Isolierung
aufweisen.
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In 6 und 7 ist
die eingangs erwähnte
Schließeinrichtung
(14) dargestellt. Sie ist rückseitig über den besagten Anschluss
(17) mit der Roboterhand (23) lösbar oder
fest verbunden. Ggf. ist hier eine Wechselkupplung vorhanden, um
die Haltewerkzeuge (9) bei Bedarf abgeben und austauschen zu
können.
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Die
Schließeinrichtung
(14) besitzt eine Führung
(15) für
die Werkzeugschalen (10,11), die z.B. in der gezeigten
Weise als doppelte Führungsschienen in
Schwalbenschwanz-Ausführung ausgebildet
ist. In diesem Fall ist eine relative Linearbewegung der Werkzeugschalen
(10,11) vorgesehen. Alternativ kann eine Schwenklagerung
und entsprechende Führung
vorhanden sein. Daneben sind auch weitere Varianten in der konstruktiven
Ausführung
und Kinematik der Führung
(15) und der Lagerung möglich. Die
Schließeinrichtung
(14) weist ferner mindestens einen Antrieb (16)
auf, mit dem die Werkzeugschalen (10,11) relativ
zueinander entlang der Führung
(15) bewegt werden können.
Der Antrieb (16) kann in den Endlagen eine Sperrfunktion
haben oder mit entsprechenden Zusatzeinrichtungen versehen sein,
um die Werkzeugschalen (10,11) in der Öffnungs-
und Schließstellung
arretieren zu können.
Zusätzlich
zur Führung
(15) können
Werkzeugschalen (10,11) auch eine eigene Führung (13)
in Form von Indices und Aufnahmebohrungen haben, mit denen die gegenseitige
Werkzeugschalenposition in Schließstellung automatisch eingestellt
und gehalten wird. Auf diese Weise ist auch die erforderliche gegenseitige
Positionierung der Werkstückteile
(7,8) mit der entsprechenden Präzision gegeben.
Die zusätzliche
Führung
(13) ist elektrisch isoliert.
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Die
Schließeinrichtung
(14) wird vom Manipulator (19,20,21,22)
betätigt
und ferngesteuert. Eine Fernsteuerung besteht auch für eine eventuelle
in ein oder beide Werkzeugschalen (10,11) integrierte
Ausstoßeinrichtung,
mit der das Fertigteil (6) aus dem geöffneten Haltewerkzeug (9)
entladen wird. Die Schließeinrichtung
(14) kann z.B. über
die siebte Roboterachse angesteuert werden. Die Ausstoßeinrichtung
kann über
eine Folgesteuerung in der Schließeinrichtung (14)
in der Abhängigkeit
von der Werkzeugschalenbewegung gesteuert werden.
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Abwandlungen
der beschriebenen Ausführungsformen
sind in verschiedener Weise möglich. Zum
einen können
mehrere Haltewerkzeuge (9) gemeinsam an einer Roboterhand
(23) angeordnet sein. Wenn die Elektroden (4,5)
entsprechend groß sind,
können
alle Haltewerkzeuge (9) gemeinsam in die Schweißmaschine
(2) eingebracht und zusammengedrückt sowie mit Schweißstrom beaufschlagt werden.
Anstelle der gezeigten Roboter können
andere Arten von Manipulatoren Verwendung finden, die auch weniger
Achsen aufweisen. Variabel ist ferner die Gestaltung der Werkzeugschalen
(10,11) und der Werkstückaufnahmen (12),
wobei letztere von der Art, Form, Zahl und Größe der zu verschweißenden Werkstückteile
(7,8) abhängen
und mit diesen variieren. Ein Haltewerkzeug (9) kann außerdem mehr
als zwei Werkzeugschalen (10,11) aufweisen, was
z.B. zur Bildung von Mehrfach-Verschweißungen für größere Werkstücke vorteilhaft ist. Variabel
ist ferner die konstruktive Ausgestaltung und Anordnung der Werkstückzuführung, Bestückungseinrichtung und
Fertigteilabfuhr.
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- 1
- Schweißanlage,
Schweißzelle
- 2
- Schweißmaschine
- 3
- Gestell
- 4
- Elektrode
- 5
- Elektrode
- 6
- Werkstück, Fertigteil
- 7
- Werkstückteil,
Halbzeug
- 8
- Werkstückteil,
Halbzeug
- 9
- Haltewerkzeug,
Werkzeug
- 10
- Werkzeugschale,
Halbschale
- 11
- Werkzeugschale,
Halbschale
- 12
- Werkstückaufnahme
- 13
- Führung, Index
- 14
- Schließeinrichtung
- 15
- Führung Halbschalen
- 16
- Antrieb
- 17
- Anschluss
- 18
- Handhabungseinrichtung
- 19
- Manipulator,
Roboter
- 20
- Manipulator,
Roboter
- 21
- Manipulator,
Roboter
- 22
- Manipulator,
Roboter
- 23
- Roboterhand
- 24
- Werkstückzuführung
- 25
- Bestückungseinrichtung
- 26
- Fertigteilabfuhr