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Die
Erfindung betrifft allgemein Fügewerkzeuge
und insbesondere einen Rahmen für
eine Fügevorrichtung,
insbesondere für
eine Roboter-Stanznietzange, der die beim Fügevorgang auftretenden Kräfte aufnimmt
und mit dem die Fügevorrichtung, falls
erforderlich, an einer Handhabungsvorrichtung befestigt werden kann.
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Aus
der
DE 198 04 725
A1 ist ein insgesamt C-förmiger Rahmen für eine Nietmaschine
bekannt. Jeder der beiden Rahmenschenkel ist aus einem kastenförmigen Profil
gebildet, das aus zwei Seitenwänden
besteht, die mit zwei Stegen miteinander verbunden sind. Diese beiden
die Rahmenschenkel bildenden und als Hohlraumträger bezeichneten Bauteile sind
mittels zweier Platten miteinander verbunden, welche auf Rohrstücke aufgesteckt
sind, die in Querbohrungen der Hohlraumträger eingeschweißt sind.
Zur Befestigung der Platten werden diese über Muttern von außen mit
den beiden Hohlraumträgern
verspannt.
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Eine
Fügevorrichtung
dient zum Verbinden zweier Werkstücke, beispielsweise zweier
Bleche. Die vorliegende Erfindung wird am Beispiel einer Stanznietzange
erläutert,
ist aber ebenso bei anderen Fügewerkzeugen
einsetzbar, die einen Rahmen benötigen,
der die bei einem Fügevorgang
auftretenden Kräfte
aufnimmt.
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Beim
Stanznieten werden Werkstücke
mit einem geeigneten Niet ohne Vorlochen der Werkstücke miteinander
verbunden. Die zu verbindenden Werkstücke werden während des
Nietvorganges von Werkzeugen gehalten und eingespannt und ein Stempel
führt die
Nietbewegung aus. Der Niet, der teilweise hohl ist und deshalb als
Halbhohlniet bezeichnet wird, durchstanzt dabei das dem Stempel zugewandte
Werkstück
und verformt das vom Stempel abgewandte Werkstück plastisch, ohne letzteres zu
durchstanzen. Der Niet verformt sich bei dem Nietvorgang ebenfalls
plastisch und nimmt in seinem Hohlraum das ausgestanzte Material
des dem Stempel zugewandten Werkstückes auf. Durch den beschriebenen
Stanznietvorgang entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen den
Werkstücken und
dem Niet. Zur Durchführung
des Stanznietvorganges sind hohe Druckkräfte erforderlich, üblich sind
beispielsweise ca. 50 kN.
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Das
Stanznieten findet beispielsweise in der Automobilindustrie Anwendung,
um Aluminiumteile einer Fahrzeugkarosserie miteinander zu verbinden. Die
Stanzniet zange ist bei solchen Anwendungen am Ende eines Roboterarmes
befestigt, um die verschiedenen Verbindungspunkte der Fahrzeugkarosserie gut
erreichen zu können.
Für eine
effiziente Anwendung des Stanznietverfahrens sind ein schneller
Ablauf und eine hohe Genauigkeit der einzelnen Stanznietvorgänge entscheidend.
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Eine
Stanznietvorrichtung umfaßt üblicherweise
zwei Werkzeuge zum Einspannen der zu verbindenden Werkstücke während des
Stanznietvorganges sowie einen Stempel zum Bewegen des Niets. Die
beiden Werkzeuge zum Einspannen werden als Niederhalter und als
Gegenhalter bezeichnet. Der Niederhalter gehört zur Nieteinheit der Stanznietvorrichtung
und befindet sich auf der dem Stempel zugewandten Seite der Werkstücke. Er
drückt
die zu verbindenden Werkstücke
mit einer Kraft, die deutlich kleiner als die eigentliche Stanznietkraft
ist, auf den starren Gegenhalter, der von einem mit der Nieteinheit
verbundenen Rahmen getragen wird und auf der vom Stempel abgewandten
Seite der Werkstücke
angeordnet ist. Der Gegenhalter hat darüber hinaus noch die Funktion
einer Matrize, deren Form die plastische Verformung der zu verbindenden
Werkstücke und
des Niets mitbestimmt. Wenn die zu verbindenden Werkstücke zwischen
dem Niederhalter und dem Gegenhalter eingespannt sind, kann der
eigentliche Stanznietvorgang stattfinden, bei dem der Stempel der
Stanznietvorrichtung die oben bereits erläuterte Nietbewegung ausführt.
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Aufgrund
der erwähnten
sehr hohen Kräfte, die
bei einem Stanznietvorgang auftreten, muß der den Gegenhalter tragende
Rahmen äußerst stabil sein.
Bei einer herkömmlichen
Stanznietvorrichtung, wie sie beispielsweise aus der
DE 198 42 104 A1 bekannt
ist, ist dieser Rahmen deshalb als Massivteil ausgeführt und
wird beispielsweise durch Herausfräsen aus dem entsprechenden
Vollmaterial hergestellt. Nachteilig sind dabei das hohe Gewicht
des Rahmens und die hohen Herstellkosten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rahmen für ein Fügewerkzeug,
insbesondere für eine
Stanznietzange, bereitzustellen, dessen Gewicht im Vergleich zu
herkömmlichen
Rahmen dieser Art deutlich geringer ist, der kostengünstiger
als herkömmliche
Rahmen dieser Art herzustellen ist und der dennoch die für den Einsatzzweck
erforderliche, hohe Stabilität
gegen Verformung aufweist.
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Diese
Aufgabe ist ausgehend von einem bekannten Fügewerkzeug-Rahmen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rahmen
ein zumindest näherungsweise
C-förmiges
Hohlprofil mit einem Obergurt und einem Untergurt aufweist, sowie
zwei voneinander beabstandete, das Hohlprofil verschließende und
mit dem Hohlprofil verschweißte
Verstärkungsplatten.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Großteil der bei einem Fügevorgang
von dem Rahmen aufzunehmenden Kräfte
im Bereich des Obergurtes und des Untergurtes des Rahmens anfällt, so
daß es
nicht erforderlich ist, den zwischen dem Obergurt und dem Untergurt
befindlichen Teil des Rahmens massiv auszuführen. Statt dessen reicht es
aus, den Obergurt und den Untergurt des Rahmens als Hohlprofil zu
gestalten und den von diesem Hohlprofil umgebenen Bereich mit zwei
voneinander beabstandeten Verstärkungsplatten
zu verschließen,
die jeweils mit dem Hohlprofil verschweißt sind. Auf diese Weise wird
bei erheblich geringerem Gewicht als bisher eine ausgezeichnete
Stabilität
des Rahmens gegen Verformung und Verdrehen erreicht. Des weiteren
ist ein solcher, als Schweißkonstruktion ausgeführter Rahmen
viel kostengünstiger
herzustellen als die herkömmlichen
Fügewerkzeug-Rahmen
in Massivbauweise. Vorzugsweise ist das Hohlprofil des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens einstückig, es
kann jedoch auch aus zwei oder mehr miteinander verschweißten Teilen
bestehen.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens
ist dieser biegekonform ausgestaltet, d.h. die Wanddicke des Obergurtes
als größer als
die Wanddicke des Untergurtes. Einer solchen Ausgestaltung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß sich
die bei einem Stanznietvorgang ergebenden Verformungen des Rahmens am
effektivsten durch einen entsprechend stabil ausgebildeten Obergurt
begrenzen lassen, wohingegen der Untergurt – bei ausreichend stabilem
Obergurt – eine
geringere Wanddicke aufweisen kann.
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Die
beiden Verstärkungsplatten
des erfindungsgemäßen Rahmens
sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Um die Verdrehsteifigkeit des
Rahmens zu maximieren, wird der Abstand zwischen den beiden Verstärkungsplatten
vorzugsweise so groß wie
bei einem gegebenen Hohlprofil möglich gewählt. Eine
alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Rahmens
weist nur eine, im Hohlprofil mittig angeordnete Verstärkungsplatte
auf. Dies reicht aus, wenn die von dem Rahmen aufzunehmenden Kräfte nicht
zu groß sind.
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Vorzugsweise
sind bei Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Rahmens,
die zwei Verstärkungsplatten
aufweisen, mehrere Abstandshalter zwischen den Verstärkungsplatten
vorhanden, die mit den Verstärkungsplatten
verschweißt
sind. Diese Abstands- oder
Distanzhalter sorgen zum einen für einen
gleichmäßigen Abstand
zwischen den beiden Verstärkungsplatten,
damit der stabilisierende Effekt der Verstärkungsplatten über den
Rahmen gesehen keinen Schwankungen unterliegt, und zum zweiten für eine weitere
Stabilisierung des gesamten Rahmenverbundes, da die mit den Verstärkungsplatten verschweißten Distanzhalter
einem Ausknicken der Verstärkungsplatten
unter Belastung entgegenwirken. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weisen die Verstärkungsplatten
an denjenigen Stellen, an denen Distanzhalter vorgesehen sind, Positionierungslöcher auf.
Die Distanzhalter sind entlang des Umfanges dieser Positionierungslöcher mit den
Verstärkungsplatten
verschweißt.
Gemäß einem abgewandelten
Ausführungsbeispiel
hat jeder Distanzhalter auf zumindest einer seiner Stirnflächen einen
Vorsprung mit verringertem Durchmesser, der in das dem Distanzhalter
zugeordnete Positionierungsloch paßt. Die Distanzhalter sind
vorzugsweise stabförmig.
Sie können
massiv oder hohl ausgeführt
sein.
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Obwohl
die Verstärkungsplatten
ohne weiteres außen
auf das den Umfang des Rahmens festlegende Hohlprofil geschweißt sein
können,
sind die Verstärkungsplatten
bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Rahmens
innerhalb des Umfangs angeordnet, der durch das Hohlprofil vorgegeben
ist.
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Auf
diese Weise kann das Hohlprofil sich besser an den Verstärkungsplatten
abstützen.
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Bei
allen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens sind die Verstärkungsplatten
vorzugsweise längs
ihres gesamten Umfanges mit dem Hohlprofil verschweißt, um eine
größtmögliche Stabilität zu erzielen.
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Wenn
die Stabilität
eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens noch weiter
erhöht werden
soll, ohne dabei gleichzeitig das Gewicht des Rahmens deutlich zu
vergrößern, kann
der vom Rahmen umschlossene Hohlraum mit einem Stoff ausgefüllt werden,
der einen hohen Elastizitätsmodul
aufweist und dennoch leicht ist, beispielsweise mit faserverstärktem Kohlenstoff,
auch CFK genannt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Rahmens
wird im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens
in räumlicher
Darstellung,
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2 den Rahmen aus 1 in Seitenansicht, und
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3 den Schnitt III-III aus 2.
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Die 1 und 2 zeigen einen Rahmen 10 für eine Stanznietzange,
die im wesentlichen aus dem Rahmen 10 und einer daran befestigten
Nieteinheit 12 besteht, die zum besseren Verständnis in 2 mit strichpunktierten
Linien wiedergegeben ist. Mittels des Rahmens 10 kann die
Stanznietzange an einer hier nicht gezeigten Handhabungsvorrichtung
befestigt werden, beispielsweise an einem Roboterarm.
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In 2 sind mit strichpunktierten
Linien zwei blechförmige
Werkstücke 14 und 16 angedeutet,
die durch einen von der Stanznietzange auszuführenden Stanznietvorgang miteinander
verbunden werden sollen. Hierzu sind die Werkstücke 14, 16 zwischen
einem sogenannten Niederhalter 18 der Nieteinheit 12 und
einem vom Rahmen 10 getragenen Gegenhalter 20 angeordnet.
Damit die Werkstücke 14, 16 zwischen
dem Niederhalter 18 und dem Gegenhalter 20 plaziert
werden können,
weist der Rahmen 10 die C-Form auf.
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Um
einen Stanznietvorgang durchführen
zu können,
wird zunächst
die Nieteinheit 12 relativ zum Rahmen 10 bis in
die Nähe
der Werkstücke 14, 16 verfahren.
Dann wird der Niederhalter 18 so weit in Richtung des Gegenhalters 20 aus
der Nieteinheit 12 ausgefahren, bis die Werkstücke 14, 16 zwischen dem
Niederhalter 18 und dem Gegenhalter 20 eingeklemmt
sind. Der Niederhalter preßt
dabei die Werkstücke 14, 16 mit
einer vorbestimmten Kraft, die beispielsweise 10 kN beträgt, gegen
den Gegenhalter 20. Sodann drückt zur Durchführung des
eigentlichen Stanznietvorganges ein nicht näher gezeigter Stempel der Nieteinheit 12,
der in dem hohlzylindrischen Niederhalter 18 angeordnet
und relativ zu ihm hin und her bewegbar ist, einen nicht dargestellten
Niet, der mittels einer hier nicht weiter erläuterten Nietzuführeinrichtung 22 vor
die Spitze des Stempels positioniert worden ist, mit hoher Kraft
auf die Werkstücke 14 und 16,
beispielsweise mit 50 kN. Der Niet durchdringt dabei das Werkstück 14 und
verformt das Werkstück 16 plastisch.
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Bei
dem Niet handelt es sich um einen sogenannten Halbhohlniet, dessen
Hohlraum das aus dem Werkstück 14 ausgestanzte
Material aufnimmt. Bei dem Stanznietvorgang wird durch eine am Gegenhalter 20 angebrachte
Matrize 24 sichergestellt, daß sich nicht nur das Werkstück 16,
sondern auch der Halbhohlniet definiert verformt, so daß eine formschlüssige Verbindung
zwischen den beiden Werkstücken 14, 16 und
dem Niet entsteht.
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Damit
die gewünschte
Qualität
einer Stanznietverbindung erhalten wird, darf sich der Rahmen 10 während eines
Stanznietvorganges nicht zu stark aufbiegen, weil sonst der Niet
schief in die Werkstücke 14, 16 eingebracht
würde,
was die Festigkeit der Nietverbindung beeinträchtigt. Des weiteren würde ein
zu star kes Aufbiegen des Rahmens 10 dazu führen, daß der Niederhalter 18 – aufgrund
der durch eine übermäßige Aufbiegung
hervorgerufenen Schiefstellung der Werkstücke 14, 16 – einseitig
eine hohe Kantenpressung auf das Werkstück 14 ausübt und dadurch
das Werkstück 14 beschädigt.
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Um
den Rahmen leicht und dennoch äußerst stabil
auszuführen,
ist der gezeigte Rahmen als Schweißkonstruktion ausgebildet.
Er besteht aus einem ungefähr
C-förmigen,
hier einstückigen
Hohlprofil 26, welches die äußere Begrenzung des Rahmens 10 vorgibt.
Das stählerne
Hohlprofil 26 weist einen Obergurt 28 und einen
Untergurt 30 auf, der dünner als
der Obergurt 28 ist. Insgesamt ist das Hohlprofil 26 nach
biegekonformen Überlegungen
gestaltet, d.h. diejenigen Abschnitte des Hohlprofils 26,
die große
Biegebelastungen aufnehmen müssen
oder die durch eine entsprechende stabile Gestaltung zu einer hohen
Gesamtstabilität
des Hohlprofils 26 führen, weisen
eine größere Wanddicke
auf als die übrigen Abschnitte.
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Zur
Erhöhung
der Stabilität
des Rahmens 10, insbesondere zur Erhöhung seiner Biegesteifigkeit, sind
in dem Hohlprofil 26 zwei Verstärkungsplatten 32, 34 aufgenommen
(siehe insbesondere 3), die
jeweils an der Außenseite
längs ihres
gesamten Umfanges mit dem Hohlprofil 26 verschweißt sind. Die
Verstärkungsplatten 32, 34 sind
parallel zueinander angeordnet und in dem Hohlprofil 26 so
weit wie möglich
nach außen
gerückt,
damit zwischen ihnen der größtmögliche Abstand
und damit die größtmögliche Verwindungssteifigkeit
des gesamten Rahmens 10 erreicht wird. Die Verstärkungsplatten 32, 34 sind lediglich
deshalb nicht ganz an den Rand des Hohlprofils 26 gerückt, damit
außen
noch Platz für
die in 3 im Schnitt
wiedergegebenen Schweißraupen 36 bleibt.
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Zwischen
den beiden ebenfalls aus Stahl bestehenden Verstärkungsplatten 32 und 34 sind
mehrere stabförmige
Distanzhalter 38 (im dargestellten Ausführungsbeispiel 4 Stück) angeordnet,
von denen einer in 3 im
Schnitt wiedergegeben ist. An denjenigen Stellen, an denen sich
Distanzhalter 38 befinden, weisen die Verstärkungsplatten 32, 34 Positionierungslöcher 40 auf.
Wie dargestellt sind die Distanzhalter 38 entlang dem Umfang
der Positionierungslöcher 40 mit
den Verstärkungsplatten 32 und 34 verschweißt.
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Die
Distanzhalter 38, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus massiven
Material bestehen, alternativ aber auch hohl sein können, sorgen
zum einen für
einen gleichmäßigen Abstand
zwischen den Verstärkungsplatten 32 und 34 und
zum anderen erhöhen
sie die Stabilität
der Verstärkungsplatten 32, 34 gegenüber seitlichem
Ausknicken.
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Insgesamt
ist auf diese Weise mit geringerem Materialeinsatz als bisher üblich ein äußerst stabiler
und dennoch leichter und kostengünstig
herzustellender Rahmen 10 geschaffen. Das gegenüber den
herkömmlichen
Massivkonstruktionen geringere Gewicht ist insbesondere bei Roboteranwendungen sehr
vorteilhaft, da es – aufgrund
der geringeren zu bewegenden Masse – eine höhere Dynamik ermöglicht.