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Die
Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum
umformtechnischen Fügen
mit einem einseitig offenen Rahmen, einem am Rahmen angeordneten Antrieb
mit einem bewegbaren Stempel und einem Werkzeughalter, der ein dem
Stempel gegenüber
liegendes Werkzeug an dem Rahmen abstützt. Die Erfindung betrifft
weiterhin eine derartige Fügevorrichtung
mit einem Werkzeughaltersatz, der wenigstens zwei Werkzeughalter
von verschiedener Länge
umfaßt,
die gegeneinander auswechselbar sind und ein dem Stempel gegenüber liegendes
Werkzeug an dem Rahmen halten und abstützen.
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Fügevorrichtungen
der angegebenen Art werden vornehmlich zum Verbinden von Werkstücken aus
Blech, beispielsweise durch Nieten, Stanznieten oder Clinchen verwendet.
Bei vielen Anwendungen solcher Fügevorrichtungen,
beispielsweise bei der Anwendung im Automobilbau, besteht das Problem,
daß die
Formgestalt der zu fügenden
Bauteile verschiedene Positionen des dem Stempel gegenüber liegenden
Werkzeugs innerhalb des Rahmens erforderlich macht. Auch eine Änderung
der maximalen Öffnungsweite
zwischen dem Stempel und dem Werkzeug wird zur optimalen Anpassung der
Fügevorrichtung
an unterschiedliche Fügeaufgaben
vielfach gefordert.
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Bei
einer aus
DE 10
2004 005 884 A1 bekannten Fügevorrichtung werden verschieden
lange Werkzeughalter in den Rahmen eingesetzt, um die Position des
Werkzeugs innerhalb der Rahmenöffnung
zu verändern.
Außerdem
ist der Antrieb an einem Halter angeordnet, der in zwei verschiedenen Stellungen
an dem Rahmen befestigt werden kann, wobei in jeder der beiden Stellungen
der Stempel in seiner Ruhestellung einen anderen Abstand von dem gegenüber liegenden
Werkzeug hat. Hierdurch kann die maximale Öffnungsweite zwischen Werkzeug und
Stempel zusätzlich
verändert
werden.
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Die
Abstützung
des Werkzeugs mittels verschieden langer Werkzeughalter und die
dadurch sowie durch die Lageänderung
des Antriebs sich ergebenden unterschiedlichen Positionen der Fügestelle relativ
zum Rahmen und zum Antrieb haben zur Folge, daß unter der Beanspruchung der
Fügevorrichtung
während
des Fügens
die Längsachsen
von Stempel und Werkzeug in verschiedenen Positionen der Fügestelle
verschieden stark von ihrer ursprünglich koaxialen Winkelstellung
abweichen. Diese Winkelabweichungen zeigen sich in der Summe auch
an der Fügeverbindung,
da entsprechend dieser Winkelabweichungen auch die Lage der einander
gegenüber
liegenden Stirnflächen
von Stempel und Werkzeug von der im unbelasteten Zustand parallelen Ausgangslage
abweicht. Die Winkelabweichungen können die Qualität der Fügeverbindung
erheblich beeinträchtigen
und dürfen
daher ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.
Zudem ist gefordert, daß die
Winkelabweichungen in der vertretbaren Größenordnung möglichst
gleich sind und nicht von der Position der Fügestelle innerhalb der Fügevorrichtung abhängen, damit
dies bei der Gestaltung der Fügewerkzeuge
und der Auslegung des Fügeprozesses berücksichtigt
werden kann. Verschiedene Winkelabweichungen bei verschiedenen Positionen
der Fügestelle
im Fügewerkzeug
werden als nachteilig angesehen.
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Durch
die Beanspruchung der Fügevorrichtung
beim Fügen
ergibt sich auch ein Versatz der Fügestelle gegenüber dem
Rahmen quer zu den Längsachsen
von Stempel und Werkzeug. Dieser Versatz führt zu einer zusätzlichen
Beanspruchung der Fügeteile
und der die Fügevorrichtung
tragenden Einrichtungen, beispielsweise eines Roboters und sollte
daher ebenfalls in jeder Position der Fügestelle möglichst klein sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fügevorrichtung der angegebenen
Art zu schaffen, bei der die durch Beanspruchung während des Fügens auftretende
Winkelabweichung zwischen den Längsachsen
von Stempel und Werkzeug klein ist. Weiterhin besteht die Aufgabe,
den Versatz der Fügestelle
gegenüber
dem Rahmen möglichst
klein zu halten.
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Die
Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach
der Erfindung ist bei einer Fügevorrichtung
der angegebenen Art vorgesehen, daß der Werkzeughalter so ausgebildet
ist, daß er
mit fortschreitender Belastung beim Fügen eine elastische Formänderung
erfährt,
welche die von der Belastung abhängige
Spreizung der Schenkel des Rahmens zumindest teilweise kompensiert.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die beim Fügen auftretende
Winkelabweichung zwischen der Längsachse
des Stempels und der Längsachse
des Werkzeugs durch das Formänderungsverhalten
des Werkzeughalters bei Belastung in der Weise beeinflußt werden
kann, daß sich
der Werkzeughalter bei Belastung in eine Richtung biegt, die der
Biegerichtung des Schenkels des Rahmens entgegengesetzt ist, ohne
daß die
Stabilität
und Stützfunktion
des Werkzeughalters dadurch beeinträchtigt wird.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, daß sich
mit geringem Aufwand eine kleinere Winkelabweichung und damit bessere
Fügeergebnisse
erzielen lassen. Die Belastung der Fügevorrichtung durch Querkräfte wird
geringer und die Standzeit der Fügevorrichtung und
der Werkzeuge wird verbessert.
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Um
bei einer Fügevorrichtung
mit einem Werkzeughaltersatz, der wenigstens zwei Werkzeughalter
von verschiedener Länge
umfaßt,
die gegeneinander auswechselbar sind und ein dem Stempel gegenüber liegendes
Werkzeug an dem Rahmen halten und abstützen, zu erreichen, daß die durch Beanspruchung
während
des Fügens
auftretende Winkelabweichung zwischen den Längsachsen von Stempel und Werkzeug
von der Position des Werkzeugs in der Fügevorrichtung weitgehend unabhängig ist,
ist nach der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß die verschiedenen Werkzeughalter
des Werkzeughaltersatzes so ausgebildet sind, daß ihre jeweilige elastische
Formänderung
unter der während
des Fügens
einwirkenden Belastung eine innerhalb eines vorgegebenen engen Bereichs
liegende, maximale Winkelabweichung zwischen der Längsachse
des Stempels und der Längsachse
des Werkzeugs bewirkt.
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Durch
gezielte Variation des Formänderungswiderstands,
insbesondere des Biegewiderstands können die verschiedenen Werkzeughalter
an die sich aus ihrer Länge
jeweils ergebende Belastungssituation derart angepaßt werden,
daß sich
bei jedem Werkzeughalter während
des Fügens,
gleiche Prozeßbedingungen
vorausgesetzt, im wesentlichen die gleichen maximalen Winkelabweichungen
ergeben. Die erforderlichen Kenntnisse und Methoden um das Formänderungsverhalten
der Werkzeughalter im Sinne der Erfindung zu beeinflussen stehen dem
Fachmann zur Verfügung
und können
durch empirische Maßnahmen
unterstützt
werden. So kann beispielsweise nach der Erfindung die Knickneigung eines
längeren
Werkzeughalters durch geeignete Schwächung seines Querschnitts gefördert werden, um
unter Last eine den Werkzeughalter leicht krümmende Formänderung zu bewirken, welche
die Formänderung
des Rahmens teilweise kompensiert und dadurch die Einhaltung einer
vorgegebenen Winkelabweichung ermöglicht. Zweckmäßigerweise
wird man im Rahmen der zulässigen
Grenzen die Größe der mit
den verschiedenen Werkzeughaltern einzuhaltenden Winkelabweichungen
so wählen,
daß man mit
allen Werkzeughaltern den vorgegebenen engen Winkelbereich gut einhalten
kann. In der Praxis hat sich gezeigt, daß drei Werkzeughalter verschiedener Länge nach
der Erfindung so ausgelegt werden konnten, daß bei einer maximalen Winkelabweichung
unter Last und < 1 ° eine Eingrenzung
der Abweichungsunterschiede zwischen den einzelnen Werkzeughaltern
von < 0,1 ° erreicht
werden konnte. Ein Auswechseln der Werkzeughalter gegeneinander
blieb also praktisch ohne Einfluß auf die beim Fügen auftretende
Winkelabweichung.
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Nach
einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß die verschiedenen
Werkzeughalter des Werkzeughaltersatzes hinsichtlich ihrer elastischen
Formänderung
unter der Belastung während
des Fügens
so ausgebildet sind, daß der Versatz
der Fügestelle
gegenüber
dem Rahmen quer zur Richtung der Fügekraft einen vorgegebenen
Maximalwert, insbesondere einen Maximalwert von 1 mm nicht überschreitet.
Durch die Einschränkung des
Versatzes können
Schubkräfte,
die das Werkstück,
die Fügevorrichtung
und ihre Lagerung belasten klein gehalten werden.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
der verschiedenen Werkzeughalter wird durch eine Gestaltung begünstigt,
bei der die Werkzeughalter einen einheitlichen Fuß und einen
einheitlichen Kopf haben, wobei Kopf und Fuß durch einen verjüngten Bereich
miteinander verbunden sind, dessen Formänderung unter Belastung zur
Einhaltung der vorgegebenen Winkelabweichung optimiert ist. Vorzugsweise hat
der verjüngte
Bereich die Form eines Kreiszylinders. Es können jedoch hiervon abweichende
Formgestaltungen zweckmäßig sein.
Beispielsweise können
Teile des Bereiches konisch ausgeführt sein und anstelle eines
kreisförmigen
Querschnitts können
elliptische oder mehreckige Querschnitte vorgesehen sein. Neben
der Beeinfußung
des Formänderungsverhaltens
unter Belastung durch die geometrische Gestaltung der Werkzeughalter
kommen auch Maßnahmen
zur Veränderung
der Festigkeitseigenschaften des Materials in Betracht. So kann
beispielsweise durch zonenweise Veränderung der Materialeigenschaften,
beispielsweise durch Kaltverfestigung, Härten, Vergüten die gewünschte Formänderungseigenschaft bewirkt
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben,
die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
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1 eine
Ansicht einer Fügevorrichtung nach
der Erfindung in übertrieben
dargestelltem Verformungszustand,
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2 eine
erste Ansicht eines Werkzeughalters von kleiner axialer Länge,
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3 eine
zweite Absicht des Werkzeughalters gemäß 2,
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4 eine
Ansicht eines Werkzeughalters von mittlerer axialer Länge,
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5 eine
Ansicht eines Werkzeughalters von größerer axialer Länge,
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6 einen
Rahmen einer Fügevorrichtung mit
dem Werkzeughalter gemäß den 2 und 3,
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7 einen
Rahmen einer Fügevorrichtung mit
dem Werkzeughalter gemäß 4 und
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8 einen
Rahmen einer Fügevorrichtung mit
dem Werkzeughalter gemäß 5.
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1 zeigt
eine Fügevorrichtung
welche zum Fügen
von Blechteilen mittels Stanznieten bestimmt. Die Fügevorrichtung
umfaßt
einen C-förmigen
Rahmen 1, der üblicherweise
an dem Gelenkarm eines Industrieroboters angebracht wird, durch
den die Fügevorrichtung
in die jeweilige Arbeitsposition bewegt werden kann. An dem in der
Zeichnung oberen Schenkel 2 des Rahmens 1 ist
ein Halter 3 befestigt, der in einer Aufnahmebohrung einen
Antrieb 4 mit einem durch diesen in Längsrichtung bewegbaren Stempel 5 trägt. Der
Stempel 5 befindet sich innerhalb des Antriebs 4 und
hat eine zu seiner Längsachse 6 senkrechte
Stirnfläche,
die auf den jeweils zu setzenden Stanzniet einwirkt. In dem Ende
des Antriebes 4, das dem zweiten Schenkel 7 des
Rahmens 1 zugewandt ist, befindet sich eine Ladeeinrichtung 8,
welche einem Zuführschlauch 9 einzeln
zugeführte Stanznieten
in eine Setzhülse 10 lädt, in der
sie vor der Stirnfläche
des Stempels 5 für
den nächsten
Fügevorgang
bereit gehalten werden. An dem Schenkel 7 des Rahmens 1 ist
dem Antrieb 4 gegenüber
liegend ein Werkzeughalter 12 angeordnet, der an seinem
freien Ende ein Werkzeug 13 trägt, an dem sich die Werkstücke beim
Fügen abstützen und
das auf die Werkstücke
umformend einwirkt. Der Werkzeughalter 12 sorgt durch seine
axiale Länge
dafür,
daß das
Werkzeug 13 sich in einem Abstand von dem Schenkel 7 befindet
und ermöglicht
dadurch das Fügen
von Werkstücken,
bei denen die Anlagestelle für das
Werkzeug 13 versenkt angeordnet ist. Das Werkzeug 13 hat
eine Längsachse 14,
die bei unbelastetem Rahmen mit der Längsachse 6 des Stempels 5 zusammenfällt. Die
beim Fügen
mit dem Werkstück in
Kontakt kommende Fläche
des Werkzeugs 13 ist als Rotationsfläche um die Längsachse 14 ausgebildet.
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In 1 ist
der unbelastete Zustand des Rahmens 1 durch gestrichelte
Linien angedeutet. Die ausgezogenen Linien zeigen, zur Verdeutlichung stark übertrie ben,
die Fügevorrichtung
bei starker Belastung, wie sie in der Endphase beim Setzen von Stanznieten
auftritt. Hierbei biegen sich beide Schenkel 37 des Rahmens 1 auseinander
und verursachen dadurch eine Lageänderung des Antriebs 4 und
des Werkzeugs 13 dergestalt, daß die Längsachsen 6, 14 nicht
mehr zusammenfallen, sondern in ihrer Winkellage von einander abweichen
und miteinander einen Winkel ☐ bilden, der der Summe der
Winkelabweichungen beider Längsachsen
entspricht. Der Winkel ☐ ist gleichzeitig der Winkel, den
die Stirnflächen
von Stempel 5 und Werkzeug 13 bei diesem Belastungszustand
miteinander bilden. Er wird daher auch Spreizwinkel genannt, da
er angibt, in welchem Maß die
Stirnflächen
von Stempel und Werkzeug auseinander gespreizt sind. Diese Spreizung überträgt sich beim
Fügeprozeß auf die
Werkstücke
und führt
zu ungleichmäßiger Verformung
der Fügestelle
und damit verbunden zu einer mehr oder weniger starken Beeinträchtigung
ihrer Haltbarkeit. Grundsätzlich
ist man daher bestrebt, diese Spreizung und damit die Winkelabweichung
der Längsachsen
von Stempel 5 und Werkzeug 13 möglichst
klein zu halten. Beschränkungen
hinsichtlich Größe und Gewicht
der Fügevorrichtung
setzen hier aber Grenzen. Eine minimale Spreizung beziehungsweise
Winkelabweichung in der Größenordnung
von < 1 ° kann in
der Regel hingenommen werden. Um den Spreizwinkel ohne aufwendige
Veränderungen
des Rahmens auf einen solchen Wert reduzieren zu können, ist
nach der Erfindung der Werkzeughalter so ausgebildet, daß er durch
die Belastung beim Fügen
eine elastische Formänderung
erfährt,
welche die Spreizung der Schenkel des Rahmens zumindest teilweise kompensiert.
Dies wird dadurch erreicht, daß der Werkzeughalter
in seiner Mitte mit einem verjüngten Bereich
von geringerer Steifigkeit versehen ist, der so ausgelegt ist, daß der Werkzeughalter
bei Belastung sich nach Art einer Knickung in einer Richtung verformt,
die eine Verringerung der Spreizung an den Stirnflächen von
Stempel und Werkzeug bewirkt.
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Aus 1 ist
weiterhin zu ersehen, daß die elastische
Formänderung
des Rahmens 1 infolge der Belastung während des Fügens zu einem Versatz x der
Fügestelle
quer zur Richtung der Fügekraft
führt. Der
Versatz x verursacht eine Belastung des Antriebs 4 und
der Halterungen des Rahmens 1 durch Querkräfte und
muß daher
möglichst
klein bleiben. Durch die nach der Erfindung erfolgende Ausbildung
des elastischen Formänderungsverhaltens
des Werkzeughalters bei Belastung kann auch der Versatz x auf einen
vorteilhaft kleinen Wert begrenzt werden.
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In
den 2 und 3 ist ein Werkzeughalter 20 gezeigt,
der ein geeignetes elastisches Formänderungsverhalten hat. Der
Werkzeughalter 20 hat einen plattenförmigen Fuß 21 mit einer ebenen Bodenfläche 22,
die zur Abstützung
auf dem Schenkel des Rahmens dient. Der Fuß 21 hat einen hinteren,
flacheren Abschnitt 23 mit einer Befestigungsbohrung 24 und
einen vorderen, höheren
Abschnitt 25, der einen Kopf 26 trägt. Der
flachere Abschnitt 23 geht stetig in den Höheren Abschnitt 25 über. Zwischen
dem höheren
Abschnitt 25 und dem Kopf 26 befindet sich ein
eingeschnürter
Bereich 27, der so bemessen ist, daß der Kopf 26 mit
zunehmender Belastung in der Fügevorrichtung
sich geringfügig
in Richtung des flacheren Abschnitts 23 neigt und dadurch
die durch Spreizung des Rahmens verursachte Winkelabweichung des
vom Kopf 26 getragenen Werkzeugs verringert.
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Der
Werkzeughalter 20 hat eine Bohrung 28, die den
Kopf 26, den Bereich 27 und den Abschnitt 25 senkrecht
zur Bodenfläche 22 durchdringt.
Im Kopf 26 dient die Bohrung 28 zur Aufnahme eines Haltezapfens
eines auf den Kopf aufgesetzten Fügewerkzeugs. Der im Fuß 21 befindliche
Teil der Bohrung 28 nimmt einen Zentrierzapfen auf, mit
dem der Werkzeughalter 20 an dem Schenkel des Rahmens koaxial
zum Stempel des Antriebs zentriert wird. Eine seitliche Gewindebohrung 29 im
Kopf 26 ist zur Aufnahme einer Klemmschraube bestimmt,
mit welcher der Zapfen des Werkzeugs in der Bohrung 28 festgeklemmt
wird. In die Bohrung 28 mündet weiterhin eine Schrägbohrung 30,
durch die ein Lösewerkzeug zum
Lösen des
Fügewerkzeugs
eingeführt
werden kann.
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4 zeigt
einen Werkzeughalter 40 von im Vergleich zum Werkzeughalter 20 und
zu dem in 5 gezeigten Werkzeughalter 50 mittlerer
Länge. Der
Werkzeughalter 40 hat einen Fuß 41 und einen Kopf 46.
Der Fuß 41 stimmt
in Form und Größe mit dem
Fuß 21 und
der Kopf 46 in Form und Größe mit dem Kopf 26 überein.
Die größere axiale
Länge des Werkzeughalters 40 beruht
allein auf der größeren Länge eines
sich zwischen Fuß 41 und
Kopf 46 erstreckenden verjüngten zylindrischen Bereichs 47. Die
Steifigkeit des Bereichs 47 ist hierbei so auf die axiale
Länge des
Werkzeughalters 40 abgestimmt, daß unter der im Fügewerkzeug
auf den Werkzeughalter 40 einwirkenden Belastung der Kopf 46 eine Lageänderung
erfährt,
welche die durch die Spreizung des Rahmens verursachte Winkelabweichung teilweise
ausgleicht.
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Der
Werkzeughalter 50 in 5 stimmt ebenfalls
hinsichtlich seines Fußes 51 und
seines Kopfes 56 mit den Werkzeughaltern 20 und 40 überein.
Sein mittlerer, verjüngter
Bereich 57 ist etwa doppelt so lang wie der Bereich 47 des
Werkzeughalters 40 und in seinem Formänderungsverhalten an die bei dieser
axialen Länge
des Werkzeughalters sich ergebenen Anforderungen angeglichen.
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Die
Werkzeughalter 20, 40, 50 bilden gemeinsam
einen Werkzeughalterersatz, der für die Verwendung in einer bestimmten
Fügevorrichtung ausgelegt
ist. Die Auslegung ist dabei so erfolgt, daß alle drei Werkzeughalter 20, 40, 50 im
Fügewerkzeug bei
gleicher Beanspruchung die gleiche Winkelabweichung zwischen den
Längsachsen
von Stempel und Werkzeug, d.h. den gleichen Spreizwinkel ☐ erzeugen.
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Die
Verwendung des Werkeughaltersatzes wird anhand der 6 bis 8 kurz
erläutert.
Alle drei Figuren zeigen den Rahmen 1 der anhand von 1 beschriebenen
Fügevorrichtung
in unbelastetem Zustand. In 6 ist an
dem Schenkel 7 des Rahmens 1 der kurze Werkzeughalter 20 angebracht.
Der mit dem Schenkel 2 verbundene Halter 3, der
auf Umschlag montiert werden kann, befindet sich in einer ersten
Stellung, in der sein den Antrieb aufnehmender Abschnitt einen kleineren
Abstand vom Schenkel 7 hat. Bei dieser Anordnung ist zwischen
dem Kopf des Werkzeughalters 20 und dem Halter 3 ein
Abstand L1 vorhanden.
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Bei
dem in 7 gezeigten Beispiel ist der Werkzeughalter 20 durch
den Werkzeughalter 40 ersetzt. Hierdurch verringert sich
der Abstand zwischen dem Kopf des Werkzeughalters 20 und
dem Halter 3 auf den kleineren Abstand L2.
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8 zeigt
eine Ausgestaltung, bei welcher der Halter 3 in der zweiten
Position montiert ist, in der sein Aufnahmeabschnitt einen größeren Abstand
von dem Schenkel 7 des Rahmens 1 hat. Am Schenkel 7 ist
der lange Werkzeughalter 50 angebracht, dessen größere Länge den
größeren Abstand
des Halters 3 ausgleicht, so daß der Abstand zwischen dem
Kopf des Werkzeughalters 50 und dem Halter 3 wiederum gleich
L2 ist.
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Jedes
der in den 6 bis 8 gezeigten Beispielen
ist für
einen anderen Anwendungsfall gedacht und optimal. Insgesamt ermöglichen
die drei Werkzeughalter 20, 40, 50 in
Verbindung mit den zwei Montagepositionen des Halters 3 sechs
Gestaltungsvariationen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auslegung
des Verformungsverhaltens der drei Werkzeughalter läßt sich
bei allen sechs Gestaltungsvariationen der Spreizwinkel auf einen
kleinen Wert bringen, der von Variation zu Variation sich nur in
geringem Maße ändert.