DE3916014A1 - Werkzeug zum durchsetzfuegen, nieten oder einpressen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zum Durchsetz­ fügen, Nieten oder Einpressen, d. h. auf ein sogenanntes Druckfüge-Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Im Zuge der fortschreitenden Automatisierung sind die unterschiedlichsten Werkzeuge für freipositionierbare Handhabungseinrichtungen und insbesondere für Industriero­ boter entwickelt worden, die diesen die Durchführung der verschiedensten Arbeitsvorgänge erlauben. Während Werk­ zeuge zum Greifen und Handhaben, aber auch zur Herstellung von Schweißverbindungen bereits in großem Umfange einge­ setzt werden, sind bislang nur wenige Vorschläge für soge­ nannte Druckfüge-Werkzeuge, d.h. Werkzeuge zum Durch­ setzfügen, Nieten, Einpressen etc. bekannt geworden, ob­ wohl derartige Werkzeuge als manuell geführte, elektrome­ chanisch oder pneumohydraulisch angetriebene Kleinpressen in den unterschiedlichsten Ausführungsformen auf dem Markt sind.

Lediglich die Fa. Pressotechnik GmbH bietet eine sogenann­ te Einzelpunktzange zur Herstellung von Durchsetz- bzw. "Tox"-Verbindungen an, die nicht nur handgeführt werden kann, sondern die auch eine Möglichkeit zum Anflanschen an einen Industrieroboter aufweist. Von dieser Einzelpunkt­ zange (Baureihe CEB-CHS) ist bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen worden.

In der Praxis hat sich jedoch das Anflanschen von soge­ nannten Handzangen zur Herstellung von Durchsetz-, Niet- oder Einpreßverbindungen an Industrierobotern nicht be­ währt:

Die Gründe hierfür dürften vor allem die zu große Bauform und insbesondere die zu große Baulänge bekannter handge­ führter Verbindungszangen sowie die vergleichsweise gerin­ ge "Rachentiefe und -höhe" dieser Zangen sein, die die Verfahrbewegung des Roboterarms bei der Aufnahme der zu verbindenden Werkstücke erschwert. Darüberhinaus wirken aufgrund der großen Baulänge beträchliche Momente während des Fügevorgangs auf die Flanschverbindung Roboterhand/ Werkzeug.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zur Herstellung von Druckfüge-Verbindungen und insbesondere ein Werkzeug zum Durchsetzfügen, Nieten oder Einpressen anzugeben, das bei geringer Baugröße und insbesondere geringer Baulänge eine große Rachenhöhe und -tiefe auf­ weist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An­ spruch 1 gekennzeichnet.

Überraschender Weise kann diese Aufgabe dadurch gelöst werden, daß von einem Druckfüge-Werkzeug gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 ausgegangen und dieses Werk­ zeug durch die Kombination der im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale weitergebildet wird:

Erfindungsgemäß ist der Hydraulikzylinder außerhalb der Kraftwirkungslinie der beiden Wirkorgane in einem Grund­ teil des Werkzeugs angeordnet. Damit ist es möglich, den Hydraulikzylinder "neben" den prozeßspezifischen Wirkorga­ nen anzuordnen, so daß die Baulänge des Werkzeugs prak­ tisch um die Länge des Hydraulikzylinders "verkürzt" wird.

Da ferner das stationäre Werkzeug an zweiten Bügel befe­ stigt ist, der fest mit dem Grundteil verbunden ist, kann das erfindungsgemäße Werkzeug bei geeigneter Formgebung der Bügel eine große Rachenhöhe und -tiefe bei gleichzei­ tig großer Stabilität aufweisen. Dabei ermöglichen die großen Rachenweiten nicht nur die Herstellung von Verbin­ dungen, die einen großen Abstand von Werkstückkanten ha­ ben, sondern vereinfachen auch die Programmierung der Verfahrbewegung der frei programmierbaren Handhabungsein­ richtung.

Weiter erlaubt das Merkmal, daß das verschiebbare Werkzeug über den ersten Bügel an einem linear verschiebbaren Schlitten gehalten ist, der mit der Kolbenstange des pa­ rallel zum Verschiebewegs des Schlittens angeordneten Hydraulikzylinders verbunden ist, eine lineare Verschie­ bung des prozeßspezifischen verschiebbaren Wirkorgans, also beispielsweise des Stempel oder des Niet-Oberwerk­ zeugs. Damit spielen insbesondere geringfügige Positionie­ rungstoleranzen in Richtung der Verschiebebewegung, wie sie bei der Positionierung mit Industrierobotern durchaus vorkommen können, praktisch keine Rolle, da das bewegliche Wirkorgan das Bauteil mit einer linearen Bewegung gegen das stationäre Organ drückt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:

Gemäß den Ansprüchen 2 bzw. 3 erfaßen ein Wegaufnehmer die Stellung des Schlittens und ein Kraftaufnehmer im zweiten Bügel die von dem verschiebbaren Wirkorgan ausgeübte Kraft. Die Ausgangssignale des Wegaufnehmers und des Kraftaufnehmers können nach Anspruch 6 an die Steuerein­ heit der Handhabungseinrichtung angelegt sein, die auch die Beaufschlagung des Hydraulikzylinders sowie gegebenen­ falls den Kleinteilegreifer steuert.

Damit ist ein komplett überwachter, stufenlos geregelter Fügeprozeß mit einer freien Programmierung der Füge-Ist- Parameter (Hub, Kraft, Geschwindigkeit) möglich. Zur re­ produzierbaren Durchführung von sich wiederholenden Vor­ gängen und zur Fehlerlokalisierung können die Parameter aufgezeichnet und ausgewertet werden.

Die im Anspruch 4 gekennzeichnete Ausbildung, bei der ein Flansch zur Verbindung des Werkzeugs mit der Handhabungs­ einrichtung derart angeordnet ist, daß die Flansch-Anlage­ fläche senkrecht auf der Verschieberichtung des Kolbens des Hydraulikzylinders steht, minimiert die in den Arm des Handhabungsgeräts eingeleiteten Kräfte und Momente. Damit ist es möglich, Druckfüge-Verbindungen beispielsweise mit vergleichsweise kleinen Industrierobotern durchzuführen.

Gemäß Anspruch 5 ist zum Zuführen von Kleinteilen in den Bereich der Wirkorgane ein zusätzlicher Kleinteile-Greifer am Werkzeug vorgesehen, der wenigstens zwei Bewegungsach­ sen aufweist. Damit können - auch ohne daß ein zweiter Industrieroboter verwendet wird - Kleinteile, wie Laschen etc. in den Bereich der Druckfüge-Verbindung überführt und während des Fügevorgangs dort fixiert werden.

Gemäß Anspruch 7 sind die Wirkorgane insbesondere selbst­ tätig wechselbar, so daß durch entsprechendes Einwechseln von Stempeln, Matrizen, Niet-Ober- und Unterwerkzeuge, Einpreßmodule etc. ein und dasselbe Werkzeug die verschie­ densten Druckfüge-Verbindungen ausführen kann.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Gesamtkonfiguration, und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Werkzeug im Schnitt.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Realisierung der Konfiguration mit einem Vertikalknickarmroboter (1). Am Wechselflansch (11) des Industrieroboters (1) ist ein Fügewerkzeug (2) angebracht. Eine Prozeßsteuereinheit (3), beispielsweise ein handelsüblicher Computer mit entsprechenden Schnitt­ stellen steuert über einen nur schematisch dargestellten Werkzeugantrieb (10) das Werkzeug (2) und das Handhabungs­ gerät (1).

Fig. 2 zeigt ein Fügewerkzeug (2) im Schnitt. Das Füge­ werkzeug weist zwei Module (4′ und 4′′) zum automatischen Wechseln der prozeßspezifischen Wirkorgane (5) auf, die beispielweise Stempel, Matrizen, Nietunter- und Nietober­ werkzeug, Einpreßmodule etc. sein können, und von denen ein Werkzeug (4′) stationär und ein Werkzeug (4′′) ver­ schiebbar angeordnet ist. Das verschiebbare Werkzeug (4′′) ist über einen ersten Bügel (6′′) an einem linear ver­ schiebbaren Schlitten (7) gehalten, der mit einer Kolben­ stange (8′) eines parallel zum Verschiebewegs des Schlit­ tens angeordneten Hydraulikzylinders (8) verbunden ist, der das verschiebbare Werkzeug antreibt.

Der Hydraulikzylinder (8) ist außerhalb der Kraftwirkungs­ linie (41) der beiden Wirkorgane (5) in einem Grundteil (9) des Werkzeugs (1) angeordnet. Das stationäre Werkzeug (4′) ist an einem zweiten Bügel (6′) befestigt, der fest mit dem Grundteil (9) verbunden ist.

Ferner weist das Werkzeug einen nur in Fig. 1 dargestell­ ten Teilebereitstellungsgreifer (12) auf, der um wenig­ stens zwei und vorzugsweise drei Achsen beweglich ist, und der Kleinteile (13), wie zu fügende Laschen etc. in den Bereich der Wirkorgane (4) überführt und dort während des Fügevorgangs fixiert.

Im Werkzeug sind weiterhin ein Wegaufnehmer (14) zur Be­ stimmung der Hubposition und ein Kraftaufnehmer (15) zur Erfassung der aktuell anstehenden Fügekraft vorgesehen, deren Ausganssignale an die Steuereinheit (3) angelegt sind.

Im folgenden soll die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Werkzeugs beschrieben werden:

Das Handhabungsgerät (1) bewegt das Werkzeug (2) zur Füge­ stelle. Nach Erreichen der Position wird vom Bewegungspro­ gramm die Identifikation der zu fügenden bzw. zu verbin­ denden Bauteile (20) an die Steuereinheit (3) für die Prozeßsteuerung übermittelt. Diese gibt aufgrund von Kenntnissen über Materialdicke, Werkstoff und Bauteilgeo­ metrie die jeweils zugehörigen Steuersignale an den Werk­ zeugantrieb (10) weiter. Eine Regelung der Ist-Werte wird über die Rückführung der Sensordaten des Kraftaufnehmers (15) und des Wegaufnehmers (14) an die Prozeßsteuereinheit (3) erreicht.

Eine Aussage über die Qualität der Verbindung kann durch eine Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs erfolgen. Diese Auswertung ist in der Prozeßsteuereinheit (3) gespeichert. Hier können auch entsprechende Ist-Prozeßdaten für den nachträglichen Qualitätsprüfungsbeweis abgespeichert wer­ den.

Eine gute Zugänglichkeit der Wirkorgane zu den Fügestellen ist gewährleistet, wenn die Fügeachse (41) möglichst nahe an den Außenrand der Werkzeughüllgeometrie gelegt wird. Dies bei gleichzeitig linearem Fügeweg wird dadurch er­ reicht, daß der Antriebszylinder (8) nicht auf der Füge­ achse liegt, sondern im Werkzeuggrundteil (9) mitinte­ griert ist.

Die Module (4) zum automatischen Wechseln der Wirkorgane (5) sind so ausgelegt, daß die Wirkorgane durch entspre­ chende Mechanismen ohne manuellen Eingriff genau definiert mit dem Werkzeug verbunden werden können.

Der Kleinteilepositioniergreifer (12) ist mit am Werkzeug (2) integriert und kann mit seiner Kinematik die Fügeteile genau in die richtige Lage und Position zwischen die Wirk­ organe (4′, 4′′) führen. Das Greifen der Teile erfolgt je nach Teileart, Werkstoff und Geometrie mit Vakuum, magnet­ isch oder mechanisch. Bevorzugt ist es deshalb, wenn das Greifermodul ebenfalls gewechselt werden kann.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausbildung kann beispielsweise eine Fügekraft von 50 kN bei einem Fügeweg von 50 mm und eine Rachentiefe und Rachenhöhe (geschlos­ sen) von jeweils 100 mm erzielt werden, wobei das Werk­ zeuggewicht deutlich unter 20 kg liegt.

Claims (7)

1. Werkzeug zum Durchsetzfügen, Nieten oder Einpressen, das an einer insbesondere frei positionierbaren Handha­ bungseinrichtung anflanschbar ist, und das ein stationäres Wirkorgan und ein verschiebbares Wirkorgan aufweist, das an einem ersten Bügel gehalten ist und von einem Hydrau­ likzylinder angetrieben wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - der Hydraulikzylinder ist außerhalb der Kraftwirkungs­ linie der beiden Wirkorgane in einem Grundteil des Werk­ zeugs angeordnet,
• - das stationäre Werkzeug ist an zweiten Bügel befestigt, der fest mit dem Grundteil verbunden ist,
• - das verschiebbare Werkzeug ist über den ersten Bügel an einem linear verschiebbaren Schlitten gehalten, der mit der Kolbenstange des parallel zum Verschiebewegs des Schlittens angeordneten Hydraulikzylinders verbunden ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegaufnehmer die Stellung des Schlittens erfaßt.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftaufnehmer im zweiten Bügel die von dem verschiebbaren Wirkorgan ausgeübte Kraft erfaßt.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch zur Verbindung des Werkzeugs mit der Handhabungseinrichtung derart angeordnet ist, daß die Flansch-Anlagefläche senkrecht auf der Ver­ schieberichtung des Kolbens des Hydraulikzylinders steht.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zuführen von Kleinteilen in den Bereich der Wirkorgane ein zusätzlicher Kleinteile- Greifer am Werkzeug vorgesehen ist, der wenigstens zwei Bewegungsachsen aufweist.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Weg­ aufnehmers und des Kraftaufnehmers an die Steuereinheit der Handhabungseinrichtung angelegt sind, die auch die Beaufschlagung des Hydraulikzylinders sowie gegebenenfalls den Kleinteilegreifer steuert.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkorgane wechselbar sind.