CN114035458A - 钉形螺栓的螺栓设置方法以及具有用于实施该螺栓设置方法的电子控制单元的设置装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钉形螺栓的螺栓设置方法和设置装置，所述钉形螺栓具有头部和从头部延伸并以锥形方式终止的杆部。螺栓设置方法包括以下步骤：通过变形冲程将螺栓连接到所述部件中，在变形冲程期间，螺栓达到≤4m/s的第一连接速度，并且杆部以相对于杆身长度具有最大直径的部分完全穿透所述部件，而头部的底侧没有抵靠所述至少一个部件，以及在变形冲程之后，通过至少一个摩擦冲程，将螺栓驱动到所述至少一个部件中，直到头部的底侧头部抵靠在所述至少一个部件上至少一个摩擦冲程，通过至少一个摩擦冲程克服所述杆部和所述部件之间的摩擦连接，并且通过至少一个摩擦冲程所述螺栓达到小于所述第一连接速度的第二连接速度。

Description

钉形螺栓的螺栓设置方法以及具有用于实施该螺栓设置方法 的电子控制单元的设置装置
技术领域
本发明涉及一种钉形螺栓的螺栓设置方法，打入到金属和/或塑料材料的至少一个部件(优选至少两个彼此排列的部件的叠层)中的该钉形螺栓具有头部和从头部延伸并以锥形方式终止的杆部，其中螺栓通过至少两个步骤中的直线设置运动几乎无旋转地设置到至少一个部件中。此外，本发明涉及一种类似类型的螺栓设置方法，其中在一个步骤中将钉形螺栓设置到至少一个部件或部件叠层中。此外，本发明包括一种设置装置，利用该设置装置，钉形螺栓以直线设置运动几乎无旋转地设置在至少一个部件中或至少两个彼此排列的部件的叠层中。所述设置装置包括电子控制单元，其适于实现本发明的螺栓设置方法。
背景技术
为了连接至少两个彼此叠置的部件(例如由金属和/或塑料材料组成的部件)，现有技术中已知有不同的方法。在所谓的流形螺纹连接(flow-form screwing)中，螺纹状螺栓以高转速绕其纵向轴线旋转，并同时通过线性设置运动被设置到部件中。围绕螺纹状螺栓的纵向轴线的旋转导致部件材料的软化。在已经将螺纹状螺栓设置到被软化的材料中之后，被软化的材料冷却并且呈现由螺栓的外螺纹形状所预定的形状。使用这种方法，其使用旋转运动和直线设置运动的组合连接速度可达到40m/s。
一种不同方向的设置方法通过几乎无旋转的直线设置运动将钉形螺栓连接到彼此叠置的部件叠层中。这些部件也可以由金属和/或塑料材料组成。例如，在气动操作的设置装置的帮助下将钉形螺栓射入部件中，从而实现两位数范围内的连接速度。这种螺栓设置方法连接质量好，循环时间短，但这种螺栓设置会带来部分不希望有的噪声污染。
在建筑业中，也有类似设计的螺栓设置方法。这里，通常使用由粉末力驱动的设置装置将钉形连接螺栓射入砖石或其他材料中，以实现不同的连接结构。这里也实现了高的连接速度，这导致连接方法的低循环时间以及高的噪声污染。
为了有效地设置螺栓而使用高的连接速度还具有这样的结果，即，必须借助于驱动装置使相应的螺栓达到所需的连接速度。这些高的连接速度，除了将螺栓可靠地设置到部件中之外，还保证了可靠的连接质量，同时导致承载设置装置的机器人或相应的输送或引导装置上的相对高的反作用力。特别是对于与设置装置结合使用的机器人，机器人的高稳定性等级是昂贵的并且影响例如车辆构造中的生产线的成本。因此，也期望能够使用较低价格的工业机器人来操作有效的设置装置和相关的连接质量。因为迄今为止已知的设置装置和用其实现的连接方法由于相关的反作用力而不能以不变的方式传递到较低等级的工业机器人上。
关于上述不同的缺点，特别是设置方法和设置装置的缺点，利用这些设置方法和设置装置将钉形螺栓以直线设置运动几乎无旋转地设置到多个彼此排列的部件中，本发明的目的是提出一种在其有效性方面得到改进的螺栓设置方法和一种与之相适应的设置装置，其克服或至少减少了上述缺点。
发明内容
上述目的通过根据独立权利要求1的钉形螺栓的螺栓设置方法来解决，该钉形螺栓用于将螺栓几乎无旋转地直线设置至至少一个部件、优选至少两个彼此布置的部件中。独立权利要求9提出了一种用于钉形螺栓的类似类型的螺栓设置方法。此外，本发明公开了一种根据独立权利要求10的与电子控制单元结合的设置装置，使得上述本发明的螺栓设置方法可以在设置装置的帮助下执行。所提及的螺栓设置方法以及设置装置的有利设计和进一步发展源自从属权利要求、以下描述以及附图。
本发明的螺栓设置方法涉及将具有头部和从所述头部延伸并以锥形方式终止的杆部的钉形螺栓设置到由金属和/或塑料材料制成的至少一个部件、优选彼此排列的至少两个部件的叠层中，其中螺栓通过至少两个步骤以直线设置运动几乎无旋转地设置到部件中。螺栓设置方法包括以下步骤：通过变形冲程将所述螺栓连接到所述部件中，在所述变形冲程期间，所述螺栓达到≤4m/s的第一连接速度，并且所述杆部以相对于杆身长度具有最大直径的部分完全穿透所述至少一个部件，而所述头部的底侧没有抵靠所述至少一个部件、特别是面向所述头部的部件，以及在所述变形冲程之后，通过至少一个摩擦冲程，将所述螺栓驱动至所述部件中，直到所述头部的底侧头部抵靠在所述至少一个部件上、特别是面向所述头部的部件上，通过所述摩擦冲程克服所述杆部与所述至少一个部件之间的摩擦连接，并且通过所述摩擦冲程所述螺栓达到小于所述第一连接速度的第二连接速度。
本发明的螺栓设置方法基于已知的螺栓设置方法，利用该螺栓设置方法，钉形螺栓仅通过具有大于10m/s或20m/s的相对高的连接速度的一个冲程以几乎无旋转的直线设置运动设置。螺栓的几乎无旋转设置意味着冲压通过直线运动将设置力传递到螺栓上。优选地，该设置力不通过由冲压传递到螺栓上的扭矩来支撑。已知的是，当设置流形螺钉时，扭矩特别地与冲压的直线运动结合，并且扭矩被传递到相应的螺栓上。在本方法中，优选地，仅使用具有杆部的优选外部轮廓(例如外螺纹或螺纹状形状)的一个螺栓。在将螺栓连接到至少一个部件中的冲压的无旋转直线设置运动期间，部件和螺栓的成型杆部之间的相互作用导致螺栓旋转。
实施该已知技术的好处是，在设置方法期间降低了噪声排放，以及优选地降低了机器人的机械负载，该机器人承载和引导设置装置的连接速度在个位数范围内。特别地，连接速度被限制为≤4m/s的值，其中以这种变形冲程被驱动的螺栓在头部抵靠之前不会刺入面向钉头的部件。而是，作为螺栓设置方法的第一步骤执行的变形冲程用于使用已经通过驱动活塞传递到要被驱动的螺栓上的可用动能，用于在螺栓杆部穿入所述部件期间使所述至少一个部件或所述至少两个部件变形。特别地，螺栓杆部穿透到至少一个部件或至少两个彼此布置的部件中，直到相对于杆部的总长度具有最大直径的杆部分完全穿透至少一个部件或彼此布置的部件。当杆部以具有最大直径的部分完全穿透一个或多个部件时，杆部在部件中产生的穿透开口和待建立的连接的穿透开口优选地径向延伸到几乎最大。因此，当在变形冲程期间穿透到至少一个部件中时，杆部优选地执行几乎完整的变形工作。由此，与变形冲程相比，便于随后的摩擦冲程或通常连接的完成并且在其能量需求方面显著减少。
本发明的方法适于连接彼此排列的多个部件。以相同的方式，其还旨在仅将钉形螺栓设置到一个部件中。当将作为焊接辅助连接部件的螺栓设置到不可焊接材料或几乎不可焊接材料的部件中时，该技术方案优选是令人感兴趣的。这提供了通过焊接辅助连接部件将部件与定位螺栓焊接到可焊接材料的另一部件的可能性。
此外优选的是，功能螺栓形式的钉形螺栓仅设置在一个部件中。在这种功能螺栓中，头部优选地包括螺纹部分、球头、另一连接或联接结构或另一合适的功能部分。
不管在下面的描述、附图和权利要求书中是描述了将连接元件设置到仅一个部件还是设置到彼此排列的至少两个部件的叠层中，这些描述类似地适用于设置到仅一个部件以及设置到至少两个部件的叠层中。此外，下面描述的具有控制单元的设置装置被设置为用于将连接元件设置到一个部件或者设置到至少两个部件的叠层中。
在变形冲程之后，执行摩擦冲程，该摩擦冲程驱动或优选地将螺栓压入或冲压到彼此布置的部件中或一个部件中，直到头部抵靠面向钉头的部件。在此方法的帮助下实现了一个至少包括两个步骤的策略。在第一步骤中，与第二步骤相比更高的能量消耗通过待驱动到部件中的螺栓发生。因为使用该第一能量消耗使得螺栓杆部通过具有最大轴直径的其部分穿过彼此排列的部件或一个部件，而头部不与面向头部的部件抵靠。为此目的，有针对性地调节由驱动活塞传递到要被驱动的螺栓上的能量消耗，使得螺栓通过变形冲程以优化的方式扩张用于螺栓杆部贯穿的部件，但是由于一个或多个部件与螺栓杆部之间的摩擦而减速，而没有头部抵靠在面向钉头的一个或多个部件上，并且在那里保持插入。一方面，这种方法防止了由于螺栓头撞击面对螺栓头的部件而引起的噪音。此外，螺栓和一个或多个部件之间的进一步连接以及由此最终建立的接合连接通过变形冲程来准备，使得对于螺栓进一步压入到彼此布置的一个部件或彼此排列的多个部件中或部件中，仅必须克服螺栓杆部和一个部件/多个部件之间的摩擦连接。
由于与变形冲程相比，能够以较低的能量需求克服待连接的多个部件或一个部件与螺栓杆部之间的摩擦连接，因此在摩擦冲程内比在变形冲程内发生螺栓和部件的较低的能量消耗。该摩擦冲程也可以被指定为将钉形螺栓压入或随后推进要连接的多个部件或一个部件中。进行压入或随后推进，直到螺栓头的底侧抵靠面向螺栓头的部件侧为止。
因此，借助于本发明的螺栓设置方法，避免了用于设置螺栓的驱动活塞的单个冲程。结果，除了在连接方法期间的高的力峰值和相关的反作用力之外，还避免了例如在机器人或承载设置装置的输送设备上的力峰值。借助于本发明的包括至少两个冲程的螺栓设置方法的策略，与已知的螺栓设置方法、特别是高速螺栓设置方法相比，经由螺栓引入到连接中的动能可以更精确地适应连接的能量需求。以这种方式，较少量的过量能量被传递到连接，该过量能量例如将被转换成噪声污染或连接处的机械负载，或者被转换成作用在与设置装置连接的机器人上的不利反作用力。
根据本发明优选的是，螺栓与具有驱动活塞块的驱动活塞连接，该驱动活塞确定具有加速到第一连接速度的第一加速度的变形冲程的动能，使得头部的底侧布置成仅由于变形冲程而与相邻部件保持一定距离。
根据本发明，优选的是，开始螺栓设置方法的变形冲程在其动能方面被调节，使得螺栓杆部保持插在待连接的多个部件中或一个部件中，而不会实现头部抵靠在相邻部件上。因此，有必要选择由所使用的设置装置的加速的驱动活塞与驱动活塞块结合传递的动能比达到螺栓头的抵靠所需的量低。
为了优选地确定螺栓杆部穿入到彼此排列的且要连接的多个部件中或者穿入到一个部件中的位移效力，仅进行利用螺栓的不同高的动能消耗的不同的连接尝试。例如，如果在待连接的部件中设置多个类似的螺栓，或者在具有不同高动能消耗的部件材料和/或部件几何形状的相应组合中设置多个类似的螺栓，则可以基于螺栓的插入深度和在面向头部的部件上的相关联的头部突起来识别，利用该动能，可以以合适的方式进行变形冲程。用于设置的设置力、部件材料、部件几何形状(例如部件厚度)、螺栓几何形状(例如杆部直径、杆身长度、杆部轮廓深度、杆部轮廓形状)优选地被收集为连接参数特定数据。这些优选的预尝试用于生成优选的特性图，该特性图存储或保存在设置装置的控制单元中。该特性图优选地指示在具有或不具有驱动活塞块的驱动活塞的哪个连接速度下实现螺栓的哪个头部突起。类似地，具有或不具有驱动活塞块的驱动活塞的动能的指示是优选的，由此实现螺栓的特定头部突起。存储在特性表或特性图中作为整体或作为选择的该数据也被称为连接参数特定数据。
还可以优选地从该特性图中得出，还需要通过驱动活塞将多少动能提供给螺栓，以便将螺栓连接到待连接的多个部件或一个部件中，直到头部抵靠为止。假设上述连接过程所需的动能可通过待在驱动活塞处调节的连接速度或通过待施加的驱动活塞的设置力来显示。应当理解，在该特性图中，必须存储哪些部件材料与哪些部件厚度以及与哪些螺栓几何形状连接(见上文)，以便能够清楚地分配指示值。另外，优选地，执行有限数量的预尝试。作为这些预尝试的结果而产生的该连接参数特定数据优选地被内插(interpolated)和/或外插(extrapolated)。以这种方式，获得在预尝试中没有明确测试的连接参数特定数据的评估。优选地，例如未检查的部件厚度或杆身直径或部件拉伸强度的连接参数特定数据可以从该特性图导出。
根据所述螺栓设置方法的另一优选设计，所述驱动活塞以阻尼的、弹簧预张紧的方式抵靠所述设置装置的机械手或输送装置布置，并且所述驱动活塞由线性驱动装置驱动，所述线性驱动装置形式为伺服线性马达、液压缸、气缸或具有传动元件的伺服马达，而在优选无旋转的驱动活塞的直线设置运动期间，确定以下量中的至少一个：驱动活塞的路径、速度、力。
在变形冲程期间，钉形螺栓被加速到比在摩擦冲程期间更高的连接速度。为了使驱动活塞及其驱动活塞块达到变形冲程所需的连接速度，所使用的线性驱动装置必须根据驱动活塞的可用加速路径产生适当的加速度。然而，加速度的大小同时决定反作用力，该反作用力对输送设备或将设置装置移动到连接位置的机器人具有影响。为了将该反作用力保持得尽可能低，该反作用力例如对于由承载设置装置的机器人提供的稳定性具有有利的影响，优选地，驱动活塞的加速路径在其长度上是可调节的并且可选择的尽可能大。此外，驱动活塞和优选地整个线性驱动装置以弹簧阻尼的方式抵靠优选的机器人或输送设备布置。该弹簧阻尼的布置将通过反作用力传递到机器人或输送设备上的能量的至少一部分转换成阻尼装置的变形能量或摩擦，或者其暂时地使反作用力的作用减速。以这种方式，机器人或输送设备的机械负载被减小和/或至少以比没有阻尼装置更好的方式被控制。
关于本发明优选的螺栓设置方法的控制，借助于合适的传感器技术来监控驱动活塞的直线设置运动。为此目的，路线或路径传感器例如识别由驱动活塞在设置运动期间形成的路线或路径。此外优选的是，在设置运动期间驱动活塞的速度借助于速度传感器来识别，或者从根据时间的所识别的路线信号来确定速度。根据另一优选设计，借助于力传感器识别由驱动活塞施加到螺栓上的力，并且将该力传递到电子控制单元。还优选的是，优选地实现为伺服马达的设置装置的线性驱动装置的控制和操作数据被识别和评估，以便确定由驱动活塞进行的方式和/或由驱动活塞施加的力。在该电子控制单元的帮助下，可以实时地(即，就地)监控进行中的连接方法，并且可以根据评估的数据来干预设置方法。
根据螺栓设置方法的另一优选实施例，由线性驱动装置驱动的驱动活塞被加速到第一连接速度，特别是通过根据时间评估驱动活塞的路径信号来记录驱动活塞遇到螺栓，并且随后关闭驱动活塞的驱动。
根据用于监视和控制螺栓设置方法的上述优选的传感器技术和/或根据线性驱动装置的操作数据的上述评估，识别由驱动活塞在变形冲程期间所采取的方式。基于驱动活塞根据时间所采取的路线，可以识别驱动活塞何时遇到螺栓，以便将驱动活塞的动能传递到螺栓上。
当驱动活塞已经由线性驱动装置驱动直到遇到螺栓时，螺栓的进一步驱动优选地在驱动活塞遇到螺栓时由线性驱动装置停止。因为由驱动活塞传递到螺栓上的动能优选地被调节为使得其足以用于螺栓杆部在待连接的多个部件中或在一个部件中的必要的变形作用。这优选地通过连接速度来确定，连接速度根据驱动活塞和驱动活塞块来调节。因此，相对于杆身长度具有最大直径的杆部部分完全穿过待连接的多个部件或一个部件，并且此外，螺栓通过头部突起保持插在待连接的多个部件或一个部件中。
因此，驱动活塞块的惯性和传递到驱动活塞上的动能确保实现变形冲程。然而，如果本发明优选的螺栓设置方法在辅助操作中利用设置装置来执行，则重力可以在驱动活塞及其驱动活塞块上具有减速效果。在这种情况下，驱动活塞优选地加速到补偿减速重力的点。该优选方法保证通过连接速度引入到变形冲程中的动能的量不受执行设置装置在室内的不利定位的影响，即不受设置装置在室内的工作或操作位置的影响。
根据螺栓设置方法的另一优选实施例，螺栓在变形冲程期间通过在杆部穿入至少一个部件期间螺栓的变形的作用而减速至杆部穿过一个或多个部件的穿透速度，该速度小于等于变形冲程的第一连接速度的85％，并且在小于或等于穿透速度的摩擦冲程中利用线性驱动装置以第二连接速度对驱动活塞进行另一驱动。
根据本发明的螺栓设置方法的另一优选实施例，特别地，直到螺栓停止并且保持插在待连接的多个部件或一个部件中时才执行变形冲程。相反，优选的是，螺栓在变形冲程中最初使用的连接速度被减速到螺栓穿过部件的穿透速度。该穿透速度示出了在待连接的多个部件或一个部件中发生变形工作之后，螺栓可以多快地进一步压入部件中，直到头部抵靠为止。因此，穿透速度强调了摩擦冲程可以以何种速度进行，以便能够利用螺栓设置方法建立完整的接合连接。
然而，在这种情况下，摩擦冲程的第二连接速度在其高度方面对应于穿透速度并不是绝对必要的。更确切地说，优选的过程示出，变形冲程和摩擦冲程可以合并，其中，螺栓杆部和部件之间的滑动摩擦可以有利地在摩擦冲程中使用，该滑动摩擦可以从变形冲程获得。变形冲程和摩擦冲程之间的这种优选平滑的过渡优选地支持用于建立连接的短循环时间。
还优选地，另一策略首先在变形冲程之后等待螺栓的静止，以便在随后的摩擦冲程中克服部件和螺栓之间的静摩擦并完全建立连接。
根据本发明的螺栓设置方法的另一优选设计，其包括在摩擦冲程期间通过评估驱动活塞的路线和/或速度以及驱动活塞在摩擦冲程中的驱动的完成来检测螺栓的头部抵靠的另一步骤。
借助于对驱动活塞的路径信号和/或速度信号的评估来识别优选的螺栓设置方法的终止。因为一旦螺栓完全插入一个部件或待相互连接的多个部件中，驱动活塞就不会在测量公差范围内继续沿连接方向移动。此外，驱动活塞的速度显著下降，这是设置过程结束的信号。基于对驱动活塞的路径信号和/或速度信号的评估，驱动活塞的驱动被终止。此外优选的是，驱动活塞在摩擦冲程结束后运动回到其初始位置。
根据本发明优选的螺栓设置方法的另一可选设计，首先，螺栓在变形冲程期间通过一个部件或多个部件中的变形作用而完全减速，随后，驱动活塞从螺栓移开到后退位置并且驱动活塞从后退位置加速到第三连接速度，利用该第三连接速度，在摩擦冲程中，驱动活塞驱动螺栓到达头部抵靠，且其小于等于第一连接速度的85％，并且在记录驱动活塞遇到螺栓后关闭驱动活塞的驱动。
根据上述优选设计，首先等待直到变形冲程结束并且螺栓不再在连接方向上移动。优选地，对应于螺栓在该时间点达到的插入深度来确定必要的能量需求，该插入深度优选地基于螺栓在面向头部的部件中的头部抵靠来确定，以便能够完全建立接合连接。头部突起是指螺栓头部底侧与面向头部的部件表面之间的距离。
为了能够执行结束的摩擦冲程，驱动活塞从优选的后退位置加速到所需的第三连接速度和驱动活塞的相应的动能。当驱动活塞撞击螺栓时，该动能被传递到螺栓上，从而克服杆部和一个部件/多个部件之间的摩擦连接。此外，传递到螺栓上的能量用于将螺栓设置到待连接的多个部件或一个部件中直到头部抵靠。因为，基于驱动活塞的路径信号和/或驱动活塞的速度信号，可以认识到，连接过程已经结束，驱动活塞的进一步驱动完成。
如上文已经提到的，作为根据本发明的螺栓设置方法的另一优选设计的另一步骤，执行以下步骤：在变形冲程结束之后确定螺栓的头部突起，并且基于头部突起，特别是基于用于取决于头部突起的连接速度的连接参数特定特性表来确定驱动活塞的第三连接速度。
此外，本发明还包括一种钉形螺栓的另一种螺栓设置方法，所述螺栓具有头部和从所述头部延伸、以锥形方式终止的杆部，进入由金属和/或塑料材料制成的至少一个部件中、优选彼此排列的至少两个部件的叠层中，在所述方法中，所述螺栓通过直线设置运动几乎无旋转地设置到所述部件中。螺栓设置方法包括以下步骤：通过变形冲程将所述螺栓连接到所述至少一个部件中，在所述变形冲程期间，所述螺栓达到≤4m/s的第一连接速度，并且所述杆部以相对于杆身长度具有最大直径的部分完全穿透所述部件，以及在所述杆部穿透到所述部件中的过程中，通过所述螺栓的变形作用使所述螺栓减速，直到所述头部的底侧抵靠面向所述头部的部件。
在螺栓设置方法的本发明的替代方案的过程中，变形冲程相对于其能量消耗被调整到待设置的螺栓中或待设置的螺栓上，使得仅通过变形冲程，螺栓被连接到待彼此连接的多个部件或一个部件中，直到头部抵靠为止。在这一点上，重要的是，变形冲程的连接速度被调节得低到避免仅用一个冲程连接的螺栓的噪音污染。特别地，因为这是连接速度的目标选择，并且因此是由驱动活塞施加到螺栓中的动能的能量的目标选择，根据本发明，其应该被选择得如此低，使得螺栓的多余能量优选地不转化为对环境的不必要的噪声污染。因此，在变形冲程期间所使用的动能正好足以执行螺栓杆部的必要的变形工作，并且同时仍然保证螺栓的穿透直到头部抵靠。
本发明还公开了根据其不同优选实施例的用于实现上述螺栓设置方法的设置装置。利用该设置装置，能够通过至少两个步骤以直线设置运动几乎无旋转地设置到彼此排列的至少两个部件的叠层或仅一个部件中，包括以下特征：具有驱动块的驱动活塞，由线性驱动装置驱动并且以直线的、无旋转的方式运动，其中所述螺栓通过所述驱动活塞来设置，滑动件，具有所述驱动活塞的所述线性驱动装置布置在所述滑动件上，其中所述滑动件能够抵靠阻尼装置移动，特别是在工业机器人的机械手上的紧固件中，以及电子控制单元，其适于依照根据前述权利要求中一项所述的螺栓设置方法来控制所述设置装置。
本发明的设置装置的特征在于，所使用的线性驱动装置在驱动活塞的帮助下以直线且几乎无旋转的方式将钉形螺栓驱动到待连接的部件中。为了保持设置装置对所连接的机器人或输送设备的可能反作用力尽可能低，线性驱动装置设置在滑动件上。该滑动件保证了与线性驱动装置的连接运动相反的补偿运动。此外，滑动件优选地弹簧预张紧抵靠在工业机器人的机械手上的紧固件上，或者抵靠在用于设置装置的优选使用的输送设备上。
此外优选的是，不仅驱动活塞的不同连接速度可以借助于设置装置的电子控制单元调节。更确切地说，根据本发明还优选的是，对于线性驱动装置具有一定的距离，即驱动活塞的所谓的加速路径，以便将驱动活塞通过其驱动活塞块加速到所需的连接速度。用于具有相同待调节连接速度的驱动活塞的线性驱动装置的加速路径越短，驱动装置加速度必须越高，以便实现期望的连接速度。然而，随着驱动加速度的增加，作用在与设置装置连接的输送设备上或作用在连接的机器人上的反作用力也增加。由于该反作用力应当保持得尽可能低，因此根据本发明优选的是，相关的反作用力保持得较低或者应当借助于加速路径的长度的特定选择来减小。因此，可以利用在变形冲程中≤4m/s的优选低连接速度以及尽可能长的加速路径的优选选择，以便减小相关的输送设备或机器人的负载。
此外优选的是，本发明的设置装置包括不同的构造实施例替代方案。根据第一优选实施例，具有第一连接速度的驱动活塞能够以≤4m/s的第一连接速度移动，并且螺栓因此是可设置的。
根据设置装置的另一优选实施例，驱动活塞可在预定加速路径的长度上加速到预定连接速度，其中，作用在承载设置装置的输送设备上或作用在机器人上的反作用力可通过驱动活塞的连接速度的大小和/或加速路径的长度来调节。
根据设置装置的另一优选实施例，线性驱动装置是伺服线性马达、液压缸、气缸或具有传动元件的伺服马达。伺服线性驱动装置的这些不同构造的替代方案具有的优点是，可以从伺服线性驱动装置的所收集的操作数据中确定诸如驱动路径和所施加的驱动力或连接力之类的数据。对于气缸或液压缸，使用传感器来检测这些数据。
优选地，设置装置在驱动活塞处包括至少一个传感器，以便确定驱动活塞的路径、速度和/或力。在此，传感器不必直接布置在驱动活塞处或驱动活塞上。因为待确定的数据，例如路径、速度和/或力，也可以从线性驱动装置的驱动数据导出。因此，传感器的客观存在不是决定性的，而是设置装置的优选的功能性设计，以具体地确定或检测这些数据并将它们传送到控制单元。此外，优选的是，电子控制单元原位检测连接方法，并根据检测到的数据控制连接方法。
附图说明
参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，示出为：
图1示出了包括具有优选的设置装置的工业机器人的机器人单元的优选部件的示意图，该设置装置具有冲压的线性驱动装置和电子控制单元，
图2示出了具有设置装置的优选实施例的工业机器人的示意图，该设置装置具有冲压的优选气动线性驱动装置和电子控制单元，
图3示出了具有设置装置的另一优选实施例、冲压的类似优选的气动线性驱动装置和电子控制单元的工业机器人的示意图，
图4示出了具有设置装置的另一优选实施例的工业机器人的示意图，该设置装置具有作为冲压的线性驱动装置的主轴驱动装置和电子控制单元，
图5示出了具有设置装置的另一优选实施例的工业机器人的示意图，该设置装置具有作为冲压的线性驱动装置的线性马达和电子控制单元，
图6示出了以两个视图的方式的优选的线性马达的示意图，该线性马达具有驱动块和设置头，
图7a示出了当将钉形连接元件仅设置在一个部件中时的连接过程的两个优选阶段的示意图，
图7b示出了当将钉形连接元件设置到彼此叠置的至少两个部件中时的连接过程的两个优选阶段的示意图，
图8示出了用于示出根据本发明的连接方法的实施例的操作阶段的示意性连接图，其中示出了冲压的连接力、冲压的路径和冲压的速度的优选变化与时间的关系，
图9示出了根据图8的螺栓设置方法的优选实施例的流程图，
图10示出了用于示出根据本发明的连接方法的另一实施例的操作阶段的示意性连接图，其中示出了冲压的连接力、冲压的路径以及冲压的速度的优选变化与时间的关系，
图11示出了根据图10的螺栓设置方法的另一优选实施例的流程图。
具体实施方式
图1-5示出了机器人单元的不同示意图，机器人单元是指工业机器人R与设置装置10的组合的工作区域，设置装置10或者工业机器人R和设置装置10由电子控制单元S监督和/或控制。工业机器人R是能够运动的通用自动机，具有多个轴，这些轴的运动是可自由编程的，如果需要，在运动顺序和方向或角度方面由传感器引导。根据本发明，工业机器人R配备有具有控制单元S的设置装置10。
根据要执行的任务，以不同的方式构造和配置工业机器人R。这样的工业机器人R是公知的并且用于最不同的应用领域。根据工业机器人的运动学，工业机器人R被分成不同的组。具有平行运动的工业机器人组包括固定安装在机架上的具有三个旋转轴的三角机器人(delta robot)和具有六个线性轴的六足机器人。此外，存在具有串联运动学的工业机器人R。该组包括具有铰接臂的机器人，具有分别具有五个或六个旋转轴的5轴和6轴机器人、具有七个轴的7轴机器人、具有15个轴的双臂机器人以及具有三个平行旋转轴和一个线性轴的水平关节型机器人(scara robot)。以上示例用于说明已知的工业机器人R的组，所述工业机器人R可与具有控制单元S的设置装置10可变地组合使用。
不依赖于固定在工业机器人R上的处理装置，在本实施例中为优选的设置装置10，工业机器人R通过参数负载能力来表征。负载能力描述了可以固定到操纵器的端部，即固定到工业机器人的功能端部的最大质量。已知的工业机器人R，例如具有铰接臂的机器人，其特点是负载能力在2.5至1300kg的范围内。
在图1-5中，工业机器人R除了包括紧固脚12之外还包括两个示例性的机械臂16，紧固脚12和机械臂16通过旋转轴14彼此连接。此外，设置有功能端18，设置装置10设置在该功能端18处。设置装置10与电子控制单元S连接。
电子控制单元S以无线或物理方式与设置装置10连接。下面更详细地描述的螺栓设置方法作为可执行的软件程序存储在控制单元S中。因此，设置装置10的不同优选构造的实施例可以特别地借助于控制单元S来控制和监督。优选地，控制单元S由具有至少一个处理器和存储器的工业计算机组成。优选地，螺栓设置方法作为可执行的软件程序存储在存储器中并且在处理器的帮助下是可执行的。
还优选的是，控制单元S控制和/或监督机器人R或可用作机器人R的替代方案的输送单元(未示出)的运动。以这种方式，设置装置10和机器人R或输送单元相对于彼此以协调的方式运动。
利用优选的设置装置10通过驱动活塞30(参见图1)将钉形螺栓20设置到至少一个部件B中。螺栓20优选地是用于连接至少两个以叠层方式彼此排列的部件的连接元件。这在图7b中示意性地示出。根据本发明的另一优选实施例，螺栓20是辅助焊接连接部件(参见上文)，其被放置在根据图7a的至少一个部件中。进一步优选的是，螺栓20是上述类型的功能螺栓。为了设置钉形螺栓20，驱动活塞30施加线性作用的连接力，该连接力将螺栓20压入或射出到至少一个部件B中。根据连接力，设置装置10在螺栓20上产生加工脉冲。由于螺栓20被设置为几乎无旋转，即没有扭矩的靶向传递到螺栓上，所以设置装置10不会在螺栓20中产生任何可能影响连接建立的旋转脉冲。
由具有或不具有基本阻尼模块的设置装置10产生的处理脉冲相应地引起反作用力，该反作用力将反馈给工业机器人R。
在根据图2的优选的设置装置的帮助下，螺栓20通过工业机器人R的运动被移动到限定的连接位置处并且被设置在那里。为此，固定在功能端18上的设置装置10包括驱动活塞30，其通过线性驱动装置40靠在功能端18上。优选的下保持器32以线性可移动的方式包围驱动活塞30。下保持器32以可滑动的方式被支撑在引导件34上。下保持器弹簧36在连接方向RF上产生弹簧预张力。
图2示出了具有气缸40的设置装置10的优选实施例。驱动活塞30的冲压力通过气动活塞42产生。另外优选的是，可移动的块44布置在气缸40中。所述块44通过弹簧46以弹性方式抵靠在气缸40的后壁41上。此外，所述块44优选通过阻尼器48阻尼地布置在后壁41上。活塞42通过加压P在连接方向RF上压靠在驱动活塞30上并且因此压靠在钉形螺栓20上，并且驱动活塞30将螺栓20设置在至少一个部件(未示出)中。为此，线性驱动装置40的气压室位于活塞42和所述块44之间。
图3示出了设置装置10的另一优选实施例。在该实施例中，螺栓20也通过驱动活塞30加速到连接速度并且因此被设置到至少一个部件中。设置装置10的线性驱动装置是气缸，在该气缸中，驱动活塞30与驱动块31连接。用于移动驱动活塞30的压力室沿连接方向RF布置在驱动块31的前面。线性驱动装置40，即气缸，作为用于线性补偿运动的滑动件布置在引导件34上。此外，线性驱动装置40以与图2中相同的方式通过弹簧36阻尼地支撑在机器人R上。
图4示意性地示出了设置装置10的另一优选设计。以限定的连接速度设置螺栓20的驱动活塞30通过具有主轴驱动装置35的主轴33移动。主轴驱动装置35和主轴33形成设置装置10的线性驱动装置40，以便以无旋转的方式设置螺栓20。
优选地，主轴驱动装置35与回程阻尼块连接，该回程阻尼块具有与图2中的设置装置10的驱动块31相同的功能。
线性驱动装置33、35作为滑动件布置在引导件37上并且相对于机器人R弹簧预张紧。优选的回程阻尼器38仅在线性驱动装置的反作用力的方向上作用在机器人R上并且优选地抑制或至少延迟该反作用力。
线性驱动装置33、35由下保持器围绕。所述下保持器可在引导件34上线性地移动或者与连接方向RF相反地移动，并且通过弹簧36以阻尼方式支撑在机器人R处(参见图2)。
根据图5的设置装置10的优选设计通过作为线性驱动装置的线性马达40来移动具有驱动块31的驱动活塞30。线性驱动装置40以与主轴驱动装置相同的方式构造为伺服马达，使得马达电流以及主轴驱动装置的线性运动可经由线性马达的转数来检测，并且主轴的螺距可通过马达控制装置检测或被感测地检测，并且可在控制单元S中处理。
构造为线性马达的线性驱动装置40也可移动地布置为引导件34上的滑动件并且被弹簧预张紧抵靠所述机器人R。
图6示出了图5的设置装置10的线性马达40的优选实施例。线性马达40线性地移动磁棒43。磁棒43在引导件45上与驱动块44连接。转换器47支持线性马达40的电控制和供给。为了检测驱动活塞30的路线或路径，设置了路线或路径传感器49。它将检测到的数据传送到控制单元S。此外，线性驱动装置40优选地包括设置头50。待设置的螺栓20通过设置头50在连接方向RF上分别进给或布置在驱动活塞30的前面。
设置装置10的上述不同的优选实施例均与为其指定的控制单元S连接。控制单元S与设置装置10一起执行本发明优选的螺栓设置方法，该方法在下文中描述。为此，优选地，驱动活塞30的路径通过路径传感器或分别使用的线性驱动装置40来检测并且被传递到控制单元S。此外，在伺服马达的情况下，借助于力传感器或借助于线性驱动装置40所使用的电流，可以检测由驱动活塞30施加在螺栓20上的力。
参考图7a和图7b中的示意图，下面描述螺栓设置方法的优选实施例。该螺栓设置方法用于钉形螺栓N的连接。钉形螺栓20包括头部2和从头部2的底侧延伸的杆部3。杆部3在其远离头部的端部在尖端部分4B内渐缩，尖端部分4B在纵向方向上延伸到杆部3的尖端4或尖端状构造。因此，杆部3优选地包括尖的、钝角的、扁平的、圆形的或任何其他形状的尖端4。
杆部3包括在头部2的底侧和尖端4之间的杆身长度。杆部3沿其杆身长度直到尖端部分4B的起点处具有几乎恒定的直径。
在这方面，优选地假设，在杆部3的表面轮廓的部分中，杆部3的直径也仅以可忽略的小方式变化，并且因此可以假设为几乎恒定。在这方面，将杆部3的纵向延伸的直径变化与尖端部分4B的直径变化进行比较。如果杆部3的轮廓中的直径变化显著地小于尖端部分中的直径变化，优选地仅为尖端部分的75％，则该直径变化被认为是可忽略的。因此，对于杆部直径几乎≤3.5至4mm来说，杆部3的轮廓例如产生约0.1mm的直径变化。与此相比，杆部3在尖端部分4B中渐缩至接近0.3至0.5mm。
关于这一点，还优选的是，如下估计杆部3的可忽略的直径变化。以双轮廓深度tp(双切口深度)描述杆部3的轮廓。例如，当杆部3的轮廓由螺纹部分形成时，该假设似乎是合适的。现在基于双轮廓深度p(双切口深度)和最大轴直径ds(杆部3在最厚点处的直径)来计算商。当杆部4在轮廓部分中，即在杆身部分4B之外的直径变化满足以下关系时，则杆身部分4B之外的杆部直径的变化是可忽略的：
Figure BDA0003171341990000151
因此，0.05mm≤tp≤1.3mm范围内的轮廓深度(杆身直径在2.0mm≤ds≤5.0mm范围内)可以忽略不计。
杆部的尖端部分4B的特征是杆部3的直径随着到尖端4的距离的减小而减小，而不会再次达到其最大值。
在螺栓设置方法的第一阶段中，杆部3穿过至少两个部件B或仅一个部件B，其中尖端部分4B在前面，直到杆部3以最大直径部分完全穿过至少两个部件B或仅一个部件B。这可以基于图7a和图7b中示出的步骤I和II看出。因为在完成步骤II之后，尖端部分4B已经完全穿透两个部件B。因此，杆部3已经以其最大直径部分完全通过一个部件B或两个部件B，并且由此已经根据最大杆身直径扩大在连接期间产生的部件开口。
已经在第一步骤中通过驱动活塞30传递到螺栓20上的连接能量如此高，使得杆部3以其径向地优选最大地扩大连接开口的方式插入到一个部件B或多个部件B中。因此，该第一方法步骤被称为变形冲程。在这种连接中，杆部3在没有头部底侧抵靠在相邻部件B上的情况下进入。因此，螺栓20保持插入一个部件B或多个部件B中，其中关于面向头部的部件B具有头部突出部。
因此，当产生连接开口时，变形冲程优选地借助于杆部3执行最大的变形作用。因此，一个部件B或多个部件B中不需要或仅需要可忽略的低变形作用，以便例如通过杆部3的上述轮廓，螺栓20的进一步穿透直到头部抵接，以及克服部件B和杆部3之间的摩擦连接。
在变形冲程之后，螺栓20以至少一个摩擦冲程被驱入，直到头部底侧抵靠在相邻的部件B上。摩擦冲程因此意味着，被卡在一个部件B中的螺栓20或者多个部件B中的螺栓20通过驱动活塞30被供给另外量的能量，借助于此，驱动活塞30将螺栓20完全压入一个部件B或多个部件B中，优选地直到头部抵靠。由于杆部3的变形作用已经结束，所以螺栓20仅需通过摩擦冲程克服在待彼此连接的杆部3与一个部件B或多个部件之间的限制面或界面处的现有摩擦连接，直到头部底侧抵靠面向头部的部件。为此，如果在变形冲程之后没有停止，螺栓20分别通过摩擦冲程被进一步移动或插入部件中，则仅需要克服杆部3与部件B之间的作用滑动摩擦。如果螺栓20从静止状态运动到另一设置运动，则由摩擦冲程提供的能量必须足够高，以首先克服静摩擦，然后克服杆部3与部件B之间的滑动摩擦。
优选地，仅一个摩擦冲程对于连接的结束建立是必要的，其意味着螺栓20的连接直到头部抵靠。与变形冲程相比，摩擦冲程向螺栓N传递的能量较小，因此，变形冲程中的连接速度大于摩擦冲程中的连接速度。
基于从步骤II到步骤III的转换，摩擦冲程在图7a和图7b中被示出。为了开始摩擦冲程，意味着为了向螺栓20输送另外的能量以建立螺栓20与部件B之间的接合连接结构，螺栓20不一定必须静止并且不再沿连接方向RF运动。因此，即使当螺栓20仍在移动时，摩擦冲程也可以跟随变形冲程。
由于头部底侧优选地以螺栓20的低的或可忽略的小的过剩能量抵靠在面向头部的部件B上，因此与已知的连接方法相比，连接方法期间的噪声排放相对较低。这是由于螺栓N的连接速度低，特别是与已知的连接方法相比。因为与现有技术相比，这些低的连接速度导致螺栓20的头部2的底侧靠在面向头部的部件B上的可忽略的低的过剩能量。
为了在变形冲程和摩擦冲程中向螺栓20供应能量，驱动活塞30优选地与另外优选的驱动块31结合加速到连接速度。优选地用于该目的的线性马达40由控制单元S控制。在线性马达40的控制期间，优选地，驱动活塞30的路径s以及线性马达40的电流消耗或者在驱动气缸或液压缸或主轴驱动装置的情况下的等效规格由控制单元S检测。
通过设置装置10的上述优选实施例，驱动活塞30与驱动活塞块31结合被加速。为了避免在变形冲程中过量的能量并因此避免螺栓头部2在部件B上的强噪声相遇，螺栓20的连接速度≤4m/s，优选≤2至3m/s，并且最优选≤1m/s。
在摩擦冲程中使用的螺栓20的连接速度优选地低于变形冲程的连接速度。
与使用大于5m/s和高达40m/s的连接速度的已知高速螺栓设置方法相比，在变形冲程和摩擦冲程中显著较低的连接速度导致在引导设置装置10的机器人R上或在相应的进给装置上较低的反作用力。机器人R或进给装置上的反作用力取决于具有驱动块31的驱动活塞30的加速度，其必须被加速到连接速度。如果连接速度低于已知方法的连接速度，则结果反作用力优选较低。此外，机器人R和设置装置10之间的弹簧阻尼系统使得机器人R或进给装置上的反作用力被阻尼和/或延迟。
此外优选的是，当使用线性马达或主轴驱动装置或气缸作为线性驱动装置40时，驱动活塞30的加速路径被选择得较长。驱动活塞30的加速路径越长，用于达到连接速度的驱动活塞30的加速度越小，并且由此产生的机器人R上的反作用力也越小。
此外优选的是，通过增大的加速时间来减小加速度的大小，然而，加速时间受到线性驱动装置40的可用加速路径的限制。
参考图8和图9，描述了螺栓设置方法的第一方法可选方案。应当理解，该方法的后续描述以相同的方式应用于将螺栓20仅设置到一个部件中和将螺栓20设置到至少两个部件B的叠层中。
为了规定接合连接的总的必要能含量，预先进行连接尝试是合适的。可选地，可以确定连接点的刚度，并由此确定待连接的材料对的柔性。为了确定，执行没有连接元件的校准驱动。在此，设置装置10的嘴件被放置在待连接的部件B上，并且驱动活塞30通过激振力以缓慢且受控的方式被驱动抵靠在部件B上，以便部件被移出。由设置装置10施加的力和由所施加的力达到的部件B的移出被记录，从而产生连接点的特征柔性图。初始连接能量的默认设置从阶段I中的该特性导出。
除了上述校准驱动之外，还优选地计算或估计杆部3穿过部件B的穿透能量，该穿透能量对于变形冲程是必要的。在变形冲程期间由驱动活塞传递到螺栓20上的驱动活塞30的连接速度由所确定的穿透能量与待加速的驱动活塞30和驱动块31结合产生。
在确定用于变形冲程的连接速度之后(步骤S0)，驱动活塞30优选地从图8中的点1开始利用驱动块31加速到连接速度。这可以通过图8中的虚点曲线看出。虚点曲线中的平台示出达到预定连接速度V。
在驱动活塞30加速期间，驱动活塞30在连接方向上移动并且行进距离c(图8中的短划线)。由于驱动活塞30还没有遇到螺栓20，所以由驱动活塞30施加的力为0(参见图8中的实线)。
驱动活塞30在竖直虚点曲线的点2处与螺栓N相遇。这可以基于短划线中的弯曲和速度曲线中的减小看出(步骤S2)。在此，驱动活塞30将其动能传递到螺栓20，作为穿透能量驱动螺栓20穿过部件20。
在识别出驱动活塞30在螺栓20处相遇之后，控制单元S将线性驱动装置40切换到优选的运动模式。在运动模式中，驱动活塞30和驱动活塞块31仅由于它们的质量的惯性而运动。用于使驱动活塞30和驱动块31加速或减速的重力的贡献的影响被补偿。如果设置装置10优选地位于水平位置，则线性驱动装置40被关掉。如果设置装置垂直设置并且逆着螺栓N的重力连接，则驱动活塞30和驱动活塞块31被附加地驱动以补偿减速的重力。如果设置装置10在重力方向上接合，则驱动活塞30和驱动活塞块31被附加地减速(步骤S3)。
当作用在螺栓20上的力F随着时间t增加时，驱动活塞30的速度v继续减小。基于这些曲线过程，可以认识到，当部件材料通过杆部3变形时，螺栓20的动能被转换。因此，优选地，螺栓20的大部分动能在变形冲程中被转换成穿透能量。
优选地，路径传感器在螺栓设置方法期间检测驱动活塞30的路径。根据存在于控制单元S中的系统时间，可以基于路径传感器的路径信息来确定驱动活塞30的速度。驱动活塞30的路径s、速度v和力F优选地被实时地检测、评估或评价并且用于控制和调节螺栓设置方法。
当杆部3穿过部件B并被减速时，驱动活塞30的速度v的减小由控制单元S监督或监控。
优选地，识别出在虚点速度曲线的点4处的低于驱动活塞30的先前限定的阈值速度的下降。在该点4处，杆部3穿入部件B中进一步使螺栓20减速。基于同时记录的驱动活塞30的路径s，可以识别出杆部3的尖端部分以及因此最大直径的杆身部分已经穿过部件B(步骤S4)。
因此，在步骤S5中通过线性驱动装置40接通驱动活塞30的驱动，以便在摩擦冲程中以穿透速度将螺栓20接合到部件B中，直到头部抵靠在部件B上(也参见图8中的点5)。
至于螺栓20在摩擦冲程中的进一步钉入，基本上仅需要克服杆部3与被接合的部件表面之间的静摩擦和/或滑动摩擦，在摩擦冲程中的连接速度低于在变形冲程中的连接速度。这也由图8中的速度曲线的过程示出。优选地，在螺栓20的变形冲程期间，螺栓20被减速到小于等于变形冲程的初始连接速度的85％的穿透速度，进一步优选地，螺栓20被减速到小于等于变形冲程的初始连接速度的25％的穿透速度。
此外，摩擦冲程所需的能量优选地直接由线性驱动装置40产生，而不必在第一步骤中将驱动活塞30和驱动活塞块31加速到一定的速度。
在摩擦冲程的另一过程中，优选地，检测线性驱动装置40的电流消耗或通常的能量需求。一旦能量消耗超过阈值，就可以由此检测螺栓20的头部抵靠(步骤S6)。
基于路径信号和速度信号，这从相应信号的减小(图8中的点6)是显而易见的。因此，在步骤S7中，驱动活塞30移回到其初始位置。
根据另一替代方法，变形冲程的初始连接速度被调节为使得不需要附加的摩擦冲程。因此，由驱动活塞30和驱动活塞块31传递到螺栓20上的动能足以精确地驱动杆部3穿过部件B直到所述头部抵靠。在这一点上，根据本发明，优选的是，螺栓20的头部底侧在没有任何过量能量或具有可忽略的低过量能量的情况下碰到与面向头部的部件B。
基于图10和图11，说明了本发明的螺栓设置方法的另一优选实施例。第一步骤S0至S2以与上面参考图8和图9所描述的方式相同的方式发生。因此，驱动活塞30和驱动活塞块31在变形冲程或变形步骤中分别从图10中的点1开始达到预定的连接能量，并且因此达到相关的动能。在点2的时间点，驱动活塞30碰到螺栓20，并且驱动活塞30通过在部件B中发生的杆身3的变形作用而被减速。
如果在点2处，驱动活塞30碰到螺栓，则检测并存储相应的路径值s1。
基于速度数据(参见图10中的速度曲线)，检测驱动活塞30何时停止。速度曲线在点4处切割时间轴，这同义地意味着，优选地，部件B的弹性变形平衡并且引发驱动活塞30的与连接方向相反的有限运动。
优选地，在点4处，即在驱动活塞30和螺栓N停止时，记录路径s2(图11中的步骤S4)。
在不驱动所述驱动活塞30的情况下，在步骤S5中等待部件B和设置装置10中的弹性变形平衡。部件B的这种弹回也使驱动活塞30与连接方向相反地偏移，这基于路径值s3被存储(步骤S5)。
在优选的步骤S6中，基于路径值s3减去s1的差s31来确定螺栓20相对于相邻部件B的头部突起。部件B的弹性变形可以从路径值s23＝s2-s3之间的差中得到。
优选地，基于上述关于待建立的部件连接的穿透能量的测试来确定特性图。该特性图表明，具有特定头部突起的螺栓20必须以何种驱动活塞30的连接速度和相关联的动能被驱动，以便达到螺栓20的头部抵靠。
根据路径s23在部件B中优选确定的弹性变形表示在即将到来的摩擦冲程中有多少机械能将再次存储在部件B中用于连接而不被使用。所确定的头部突起s31规定了所述连接需要多少驱动活塞30和驱动活塞块31的动能，以便将螺栓20连接到在部件B上的头部抵靠。因此，优选地，在步骤S7中由特性图确定，为了建立连接，必须至少通过驱动活塞30和驱动活塞块31将多少能量传递到螺栓20上。在此，优选的是，在特性图中示出用于所需能量的连接速度，驱动活塞30和驱动活塞块31根据它们的质量被加速到该连接速度。同样优选的是，在特性图中示出，驱动活塞30和驱动活塞块31从哪个缩回位置再次被加速，以便最终且完全地在摩擦冲程中驱动螺栓20。
优选地，在步骤S8中，驱动活塞30被移动到与连接方向RF相反的缩回位置并且从那里被加速。
在步骤S9中，具有驱动活塞块31的驱动活塞30优选达到第三连接速度。与驱动活塞30和驱动活塞块31相结合的第三连接速度对应于动能，该动能足够大以用于将螺栓20连接到部件B中直到头部抵靠为止，而不管部件B的弹性变形。
在具有驱动活塞块31的驱动活塞30已经从缩回位置加速之后，即，图10中的速度曲线示出正值，驱动活塞30遇到具有头部突起的螺栓20。该相遇点被检测为驱动活塞30的路径信号s4并被存储。它位于由5示出的垂直虚线处(步骤S10)。
在驱动活塞30碰到螺栓20之后，控制单元S切换回运动模式(见上文)。相应地，驱动活塞30仅由于其质量的惯性而运动，并且补偿由设置装置10的空间位置引起的干扰重力影响(步骤S11)。
在转换到运动模式之后，螺栓20和驱动活塞30通过杆部3和部件B之间的摩擦损失减速。因此，驱动活塞的速度v减小。速度的进一步降低和在时间点6的相同时间点可检测到的力曲线表示头部2附接到部件B上(步骤S12)。
在随后的优选步骤S13中，在驱动活塞30停止时检测路径值s6。
在随后的步骤S14中，部件B的弹性变形平衡，这可以基于速度曲线和下降路径曲线中的负速度值来看出。如果在步骤S14中弹性补偿运动已逆着连接方向RF偏移驱动活塞30，则将驱动活塞30的路径值存储为s7。
在步骤S15中，优选地检查是否已经达到期望的头部抵靠。为此，确定作为头部突起的值s74＝s7-s4和作为弹性变形的值s57＝s5-s7。
如果这些值确认连接正常，则终止设置过程。
附图标记列表
R 工业机器人或输送装置
B 部件
RF 连接方向
FR 反作用力
PB 处理脉冲
v 速度
s 路径
F 力
N 钉形螺栓
2 头部
3 杆部
4 尖端
4B 尖端部分
10,10’,10” 设置装置
12 紧固脚
14 旋转轴
16 机械臂
18 功能端
20 钉形螺栓
30 驱动活塞
31 驱动活塞块
32 下保持器
33 主轴
34 引导件
35 主轴驱动装置
36 下保持器弹簧
37 引导件
38 回程阻尼器
40 气缸
41 后壁
42 气动活塞
43 磁棒
44 块
45 引导件
46 弹簧
47 转换器
48 阻尼器
60 张紧装置

Claims (20)

1.一种钉形螺栓的螺栓设置方法，打入到由金属和/或塑料材料制成的至少一个部件、优选彼此排列的至少两个部件的叠层中的所述螺栓具有头部和从所述头部延伸、以锥形方式终止的杆部，所述螺栓通过至少两个步骤以直线设置运动几乎无旋转地设置到所述部件中，其中，所述螺栓设置方法包括以下步骤：
a.通过变形冲程将所述螺栓连接到所述部件中，在所述变形冲程期间，所述螺栓达到≤4m/s的第一连接速度，并且所述杆部以相对于杆身长度具有最大直径的部分完全穿透所述至少一个部件，而所述头部的底侧没有抵靠所述至少一个部件、特别是面向所述头部的部件，以及
b.在所述变形冲程之后，通过至少一个摩擦冲程，将所述螺栓驱动至所述部件中，直到所述头部的底侧头部抵靠在所述至少一个部件上、特别是面向所述头部的部件上，通过所述摩擦冲程克服所述杆部与所述至少一个部件之间的摩擦连接，并且通过所述摩擦冲程所述螺栓达到小于所述第一连接速度的第二连接速度。
2.根据权利要求1所述的螺栓设置方法，其中，所述螺栓与具有驱动活塞块的驱动活塞连接，所述驱动活塞确定具有加速到第一连接速度的第一加速度的变形冲程的动能，使得所述头部的底侧布置成仅由于所述变形冲程而与相邻部件间隔开。
3.根据权利要求1所述的螺栓设置方法，其中，所述驱动活塞以阻尼、弹簧预紧的方式抵靠机械手布置，并且所述驱动活塞由线性驱动装置驱动，所述线性驱动装置形式为伺服线性马达、液压缸、气缸或具有传动元件的伺服马达，其中，在所述驱动活塞的直线设置运动期间，确定以下量中的至少一个：驱动活塞的路径、速度、力。
4.根据权利要求3所述的螺栓设置方法，其中，由所述线性驱动装置驱动的所述驱动活塞被加速到所述第一连接速度，所述驱动活塞与所述螺栓的相遇被检测，特别是通过评估根据时间的所述驱动活塞的路径信号来检测，并且随后关闭所述驱动活塞的驱动。
5.根据权利要求4所述的螺栓设置方法，其中，在所述变形冲程期间
所述螺栓在所述杆部穿透到所述至少一个部件期间通过所述螺栓的变形作用减速到穿透速度，所述穿透速度小于等于所述第一连接速度的85％，以及
在所述摩擦冲程中，利用所述线性驱动装置以小于或等于所述穿透速度的第二连接速度重新驱动所述驱动活塞。
6.根据权利要求5所述的螺栓设置方法，具有进一步的步骤：
通过评估所述驱动活塞的路径和/或速度，在所述摩擦冲程期间检测所述螺栓的头部抵靠，以及
完成所述驱动活塞在所述摩擦冲程中的驱动。
7.根据权利要求4所述的螺栓设置方法，其中，所述螺栓在所述变形冲程期间通过所述部件中的变形作用而完全减速，
随后，将所述驱动活塞从所述螺栓移开到后退位置，以及
将所述驱动活塞从所述后退位置加速到第三连接速度，通过所述第三连接速度，所述驱动活塞在所述摩擦冲程中驱动所述螺栓以到达所述头部抵靠并且所述第三连接速度小于等于所述第一连接速度的85％，以及
在检测到所述驱动活塞碰到所述螺栓之后，关闭所述驱动活塞的驱动。
8.根据权利要求7所述的螺栓设置方法，具有进一步的步骤：
在所述变形冲程终止之后确定所述螺栓的头部突起，以及
基于所述头部突起，特别是基于用于根据所述头部突起的连接速度的连接参数特定特性表，确定所述驱动活塞的所述第三连接速度。
9.根据权利要求2所述的螺栓设置方法，其中，所述驱动活塞以阻尼、弹簧预紧的方式抵靠机械手布置，并且所述驱动活塞由线性驱动装置驱动，所述线性驱动装置形式为伺服线性马达、液压缸、气缸或具有传动元件的伺服马达，其中，在所述驱动活塞的直线设置运动期间，确定以下量中的至少一个：驱动活塞的路径、速度、力。
10.根据权利要求9所述的螺栓设置方法，其中，由所述线性驱动装置驱动的所述驱动活塞被加速到所述第一连接速度，所述驱动活塞与所述螺栓的相遇被检测，特别是通过评估根据时间的所述驱动活塞的路径信号来检测，并且随后关闭所述驱动活塞的驱动。
11.根据权利要求10所述的螺栓设置方法，其中，在所述变形冲程期间
所述螺栓在所述杆部穿透到所述至少一个部件期间通过所述螺栓的变形作用减速到穿透速度，所述穿透速度小于等于所述第一连接速度的85％，以及
在所述摩擦冲程中，利用所述线性驱动装置以小于或等于所述穿透速度的第二连接速度重新驱动所述驱动活塞。
12.根据权利要求11所述的螺栓设置方法，具有进一步的步骤：
通过评估所述驱动活塞的路径和/或速度，在所述摩擦冲程期间检测所述螺栓的头部抵靠，以及
完成所述驱动活塞在所述摩擦冲程中的驱动。
13.根据权利要求10所述的螺栓设置方法，其中，所述螺栓在所述变形冲程期间通过所述部件中的变形作用而完全减速，
随后，将所述驱动活塞从所述螺栓移开到后退位置，以及
将所述驱动活塞从所述后退位置加速到第三连接速度，通过所述第三连接速度，所述驱动活塞在所述摩擦冲程中驱动所述螺栓以到达所述头部抵靠并且所述第三连接速度小于等于所述第一连接速度的85％，以及
在检测到所述驱动活塞碰到所述螺栓之后，关闭所述驱动活塞的驱动。
14.根据权利要求13所述的螺栓设置方法，具有进一步的步骤：
在所述变形冲程终止之后确定所述螺栓的头部突起，以及
基于所述头部突起，特别是基于用于根据所述头部突起的连接速度的连接参数特定特性表，确定所述驱动活塞的所述第三连接速度。
15.一种设置装置，通过所述设置装置，钉形螺栓能够通过至少两个步骤以直线设置运动几乎无旋转地设置到至少一个部件、特别是彼此排列的至少两个部件的叠层中，其中，所述设置装置包括以下特征：
a.具有驱动块的驱动活塞，由线性驱动装置驱动并且以直线的、无旋转的方式运动，其中所述螺栓通过所述驱动活塞来设置，
b.滑动件，具有所述驱动活塞的所述线性驱动装置布置在所述滑动件上，其中所述滑动件能够抵靠阻尼装置移动，特别是在工业机器人的机械手上的紧固件中，以及
c.电子控制单元，其适于依照根据前述权利要求中一项所述的螺栓设置方法来控制所述设置装置。
16.根据权利要求15所述的设置装置，其中，通过所述驱动活塞，所述螺栓能够被设置为≤4m/s的第一连接速度。
17.根据权利要求15或16所述的设置装置，其中，所述驱动活塞能够在预定的加速路径的长度上加速到预定的连接速度，其中，作用在承载所述设置装置的输送装置上或作用在机器人上的反作用力能够通过所述驱动活塞的所述连接速度和/或所述加速路径的长度的大小来调节。
18.根据权利要求15或16所述的设置装置，其中，所述线性驱动装置是伺服线性马达、液压缸、气缸或具有传动元件的伺服马达。
19.根据权利要求15所述的设置装置，其中，至少一个传感器设置在所述驱动活塞处，以便确定所述驱动活塞的路径、速度和/或力。
20.根据权利要求19所述的设置装置，其中，所述电子控制单元原位检测所述连接方法，并根据检测到的数据控制所述连接方法。
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