DE10064243A1 - Fügevorrichtung, insbesondere Stanznietzange - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung, insbesondere eine Stanznietzange (10), mit einem hin- und herbeweglichen Stempel (24) zur Durchführung einer Fügeoperation und einem Sensor zur Ermittlung der im Verlauf einer Fügeoperation ausgeübten Kraft. Um die Genauigkeit der Kraftermittlung zu verbessern, wird als Sensor ein Dehnungsmeßsensor (32) eingesetzt, der in dem oder an dem Stempel (24) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung, insbesondere eine Stanznietzange, mit einem hin- und herbeweglichen Stempel zur Durchführung einer Fügeoperation und einem Sensor zur Ermitt­ lung der im Verlaufe einer Fügeoperation ausgeübten Kraft.

Eine Fügevorrichtung dient zum Verbinden zweier Werkstücke, beispielsweise zweier Bleche. Die vorliegende Erfindung wird am Beispiel einer Stanznietzange erläutert, ist aber ebenso bei anderen Fügevorrichtungen einsetzbar, bei denen im Verlaufe einer Fügeoperation ein beweglicher Stempel eine Kraft ausübt.

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 form- und kraftschlüssige Ver­ bindung zwischen den Werkstücken und dem Niet. Zur Durchführung des Stanznietvorganges sind hohe Druckkräfte erforderlich, üblich sind beispielsweise ca. 50 kN.

Das Stanznieten findet zum Beispiel in der Automobilindustrie Anwendung, um Aluminiumteile einer Fahrzeugkarosserie miteinan­ der zu verbinden. In automatisierten Fertigungsanlagen ist die Stanznietzange bei solchen Anwendungen am Ende eines Roboter­ armes befestigt, der die Stanznietzange handhabt und zu den verschiedenen Verbindungspunkten der Fahrzeugkarosserie führt. Für eine effiziente Anwendung des Stanznietverfahrens sind ein schneller Ablauf und eine hohe Genauigkeit, insbesondere eine hohe Wiederholgenauigkeit, der einzelnen Stanznietvorgänge entscheidend, um eine kurze Taktzeit und eine gleichmäßige Qualität der Verbindungspunkte zu erreichen.

Eine Stanznietvorrichtung umfaßt üblicherweise zwei Werkzeuge zum Einspannen der zu verbindenden Werkstücke während des Stanznietvorganges sowie einen Stempel zum Aufbringen der Nietkraft. Die beiden Werkzeuge zum Einspannen werden als Niederhalter und als Gegenhalter bezeichnet. Der Niederhalter befindet sich auf der dem Stempel zugewandten Seite der Werk­ stücke und drückt die zu verbindenden Werkstücke mit einer Kraft, die deutlich kleiner als die eigentliche Stanznietkraft ist, auf den starren Gegenhalter, der auf der vom Stempel abgewandten Seite der Werkstücke angeordnet ist. Der Gegenhal­ ter 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.

Zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität der von einer Stanznietvorrichtung erzeugten Stanznietverbindungen ist es wichtig, den Kraftverlauf während des Stanznietvorganges kontrollieren zu können. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, einen Hydraulikdrucksensor einzusetzen, der den auf den Stempel aufgebrachten Hydraulikdruck mißt. Auf diese Weise kann auf den Kraftverlauf während eines Stanznietvorganges zurückgeschlossen werden. Eine solche indirekte Kraftmessung mittels eines Hy­ draulikdrucksensors wird allerdings von der Temperatur des Hydrauliköls beeinflußt. Des weiteren bedingt sie die Verwen­ dung von Hydraulikdrucksensoren mit einem großen Meßbereich, da durch Ventilschaltvorgänge Druckspitzen in dem Hydraulikkreis entstehen, die der Hydraulikdrucksensor verkraften können muß. Die Meßgenauigkeit des Hydraulikdrucksensors in dem eigentlich interessierenden Druckbereich ist aufgrund des erforderlichen großen Meßbereiches vermindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fügevor­ richtung, insbesondere eine Stanznietzange, bereitzustellen, die eine genauere Kontrolle des Kraftverlaufes während eines Stanznietvorganges ermöglicht.

Diese Aufgabe ist ausgehend von einer Fügevorrichtung der eingangs genannten Art, die einen Sensor zur Ermittlung der im Verlaufe einer Fügeoperation ausgeübten Kraft aufweist, erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sensor ein Dehnungsmeßsensor ist, der in dem oder an dem Stempel angeordnet ist. Auf diese Weise mißt der Dehnungssensor unmittelbar die während einer Fügeoperation im bzw. am Stempel auftretende Längenänderung und damit die vom Stempel ausgeübte Kraft praktisch unverfälscht. Die so mögliche, genauere Kontrolle einer spezifizierten Kraft bzw. eines spezifizierten Kraftverlaufes erlaubt eine bessere Fehlererfassung im Rahmen der Qualitätssicherung und erhöht so letztlich die Fertigungsqualität.

Der Dehnungssensor kann z. B. ein sogenannter Dehnungsmeßstrei­ fen (DMS) sein, der auf die Umfangsfläche des Stempels geklebt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Dehnungssen­ sor jedoch ein piezoelektrischer Quarz-Dehnungssensor, der gegen eine Fläche des Stempels vorgespannt ist. Die Vorspannung des Dehnungssensors gegen eine Fläche des Stempels erhöht die Qualität der Krafterfassung weiter, da sich der Piezokristall des Dehnungssensors und die Fläche durch die im Betrieb auftre­ tenden Beanspruchungen bereits nach relativ kurzer Zeit genaue­ stens aneinander anpassen, so daß ein präziser Kontakt des piezoelektrischen Dehnungssensors mit dem Stempel sicherge­ stellt ist. Vorzugsweise ist die Fläche, gegen die der Deh­ nungssensor vorgespannt ist, eine plane Fläche, da auf diese Weise eine höhere Meßauflösung als bei einer beispielsweise kegeligen Fläche erzielt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist der Dehnungssensor in einem inneren Hohl­ raum des Stempels angeordnet. Dort ist der Sensor vor schädli­ chen Umgebungseinflüssen weitgehend geschützt, was der Zuverlässigkeit und Genauigkeit seiner Messung dienlich ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der innere Hohlraum als eine im Kraftfluß des Stempels liegende und zu dessen Wirkseite geschlossene Sacklochbohrung ausgebildet. Ist der Dehnungssensor ein Quarz-Dehnungssensor, dannn ist der Piezo­ kristall des Dehnungssensors gegen den vorzugsweise planen Boden der Sacklochbohrung vorgespannt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Füge­ vorrichtung ist der piezoelektrische Dehnungssensor als eine Madenschraube ausgebildet, aus der der Piezokristall des Sen­ sors vorzugsweise etwas heraussteht. Ein solcher, als Maden­ schraube ausgebildeter piezoelektrischer Dehnungssensor läßt sich einfach montieren und gegen eine Stempelfläche vorspannen. Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung, bei denen der genannte innere Hohlraum als Sacklochbohrung ausgeführt ist, weist diese Sacklochbohrung ein Gewinde auf, in das der Madenschrauben-Sensor einschraubbar ist.

Um eine Aussage über die vom Stempel ausgeübte Kraft in Abhän­ gigkeit des Stempelhubes treffen zu können, weisen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungegemäßen Fügewerkezeuges einen Weggeber auf. Gemäß einer Ausgestaltung ist dieser Weggeber an einer mit dem Stempel verbundenen, rohrförmigen Verlängerung außerhalb eines Gehäuses der Fügevorrichtung angeordnet, wo der Weggeber für Wartungs- und Justierarbeiten gut zugänglich ist. In konstruktiv vorteilhafter Weise steht der Innenraum der rohrförmigen Verlängerung in Verbindung mit dem inneren Hohl­ raum des Stempels, in dem der piezoelektrische Dehnungssensor angeordnet ist. Die Führung der erforderlichen elektrischen Leitungen des piezoelektrischen Dehnungssensors aus der Füge­ vorrichtung heraus kann dann platzsparend und geschützt durch die rohrförmige Verlängerung erfolgen. Auch eine Montage und Demontage des piezoelektrischen Dehnungssensors ist durch die rohrförmige Verlängerung möglich.

Der erwähnte Weggeber der Fügevorrichtung wirkt vorzugsweise mit einem bezüglich des Stempels feststehenden Wegsensor zusam­ men, der in einer bevorzugten Ausgestalltung stabförmig ausge­ bildet und parallel zur rohrförmigen Verlängerung angeordnet ist. Als Schutz gegenüber äußeren Einwirkungen erstreckt sich der stabförmige Wegsensor vorzugsweise in eine lediglich mit Luft gefüllte Bohrung des Gehäuses der Fügevorrichtung. Die Probleme herkömmlicher, im Hydrauliköl angeordneter Wegsensoren sind damit vermieden.

Ein als Stanznietzange ausgebildetes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung wird im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Füge­ vorrichtung in Gestalt einer sogenannten Stanzniet­ zange,

Fig. 2 den hier interessierenden Teil der Stanznietzange aus Fig. 1 im Längsschnitt und in vergrößerter Darstel­ lung, und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in nochmals vergrößerter Darstellung zusammen mit einem piezoelektrischen Deh­ nungssensor in Gestalt einer Madenschraube.

Fig. 1 zeigt eine Stanznietzange 10, die im wesentlichen aus einem C-förmigen Rahmen 12 und einer daran befestigten Nietein­ heit 14 besteht. Falls gewünscht, kann die Stanznietzange 10 mittels des Rahmens 12 an einem hier nicht gezeigten Arm eines Handlingroboters befestigt werden.

Mit 16 und 18 sind zwei blechförmige Werkstücke bezeichnet, die durch einen von der Stanznietzange 10 auszuführenden Stanznietvorgang miteinander verbunden werden sollen. Hierzu sind die Werkstücke 16, 18 zwischen einem sogenannten Niederhalter 20 der Nieteinheit 14 und einem vom Rahmen 12 getragenen Gegenhal­ ter 22 angeordnet.

Um einen Stanznietvorgang durchführen zu können, wird zunächst die Nieteinheit 14 relativ zum Rahmen 12 bis in die Nähe der Werkstücke 16, 18 verfahren. Dann wird der Niederhalter 20 so weit in Richtung des Gegenhalters 22 aus der Nieteinheit 14 ausgefahren, bis die Werkstücke 16, 18 zwischen dem Niederhal­ ter 20 und dem Gegenhalter 22 eingeklemmt sind. Der Niederhal­ ter preßt dabei die Werkstücke 16, 18 mit einer vorbestimmten Kraft, die beispielsweise 10 kN beträgt, gegen den Gegenhalter 22. Sodann drückt zur Durchführung des eigentlichen Stanzniet­ vorganges ein aus Fig. 2 ersichtlicher Stempel 24, der in dem hohlzylindrischen Niederhalter 20 angeordnet und relativ zu ihm hin und her bewegbar ist, einen Niet 26, der mittels einer hier nicht weiter erläuterten Nietzuführeinrichtung 28 in eine Nietaufnahmeöffnung 29 vor die Spitze des Stempels 24 positio­ niert worden ist, mit hoher Kraft auf die Werkstücke 16 und 18, beispielsweise mit 50 kN. Der Niet 26 durchdringt dabei das Werkstück 16 und verformt das Werkstück 18 plastisch.

Bei dem Niet 26 handelt es sich um einen sogenannten Halbhohl­ niet, dessen Hohlraum das aus dem Werkstück 16 ausgestanzte Material aufnimmt. Bei dem Stanznietvorgang wird durch eine am Gegenhalter 22 angebrachte Matrize 30 sichergestellt, daß sich nicht nur das Werkstück 18, sondern auch der Halbhohlniet 26 definiert verformt, so daß eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 16, 18 und dem Niet 26 entsteht.

Zur Sicherstellung einer gleichmäßig hohen Fertigungsqualität der Stanznietverbindungen ist es wichtig, eine genaue Aussage über die Kraft treffen zu können, die der Stempel 24 im Verlau­ fe eines Stanznietvorganges ausübt. Hierzu weist die Stanz­ nietzange 10 einen piezoelektrischen Dehnungssensor 32 auf (s. Fig. 2), der Druck- und Zugkräfte erfassen kann und der in einer bezüglich des Stempelquerschnitts mittig angeordneten Sacklochbohrung 34 (s. Fig. 3) im Inneren des teilweise hohl ausgeführten Stempels 24 aufgenommen ist. Die Sacklochbohrung 34 liegt genau im Kraftfluß des Stempels 24 und ist zur Spitze des Stempels, also zur Wirkseite des Stempels hin geschlossen. Den Boden der Sacklochbohrung 34 bildet eine plane Fläche 36 (s. Fig. 3), an der eine ebenfalls plane Stirnfläche des Piezo­ kristalls des Dehnungssensors 32 mit Druck anliegt.

Der piezoelektrische Dehnungssensor 32 ist, wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, als Madenschraube ausgebildet, aus der ein Piezokristall 38 des Dehnungssensors 32 vorne etwas heraus­ steht. Die Sacklochbohrung 34 ist mit einem korrespondierenden Gewinde versehen, so daß der Madenschrauben-Dehnungssensor 32 in die Bohrung 34 eingeschraubt und die vordere Stirnfläche 40 seines Piezokristalls 38 gegen die plane Fläche 36 verspannt werden kann. Auf diese Weise ist ein einwandfreier Kontakt zwischen dem Stempel 24 und dem Dehnungssensor 32 gewährlei­ stet. Im Betrieb der Stanznietzange 10 wird der Kontakt zwi­ schen der Stirnfläche 40 des Dehnungssensors 32 und der planen Fläche 36 des Stempels 24 aufgrund der stattfindenden Beanspru­ chungen noch besser. Damit ist nach relativ kurzer Betriebsdau­ er der Stanznietzange 10 eine sehr präzise Erfassung der vom Stempel 24 ausgeübten Kraft möglich. Aufgrund der gezeigten Anordnung des Dehnungssensors 32 findet keine praktisch bedeut­ same Verfälschung der Kraftmessung statt, denn gemessen wird ausschließlich die im Stempel 24 wirkende Kraft. Der verfäl­ schende Einfluß der den Stempel 24 abdichtenden Dichtungen (nicht dargestellt) ist angesichts der bei einem Stanznietvor­ gang auftretenden, sehr hohen Kräfte ohne weiteres vernachläs­ sigbar.

Die elektrischen Anschlußleitungen 41 des Dehnungssensors 32 sind in konstruktiv vorteilhafter Weise durch den dargestellten inneren Hohlraum des Stempels 24 und weiter durch eine mit dem Stempel 24 verbundene, rohrförmige Verlängerung 42 nach außen geführt. Diese rohrförmige Verlängerung 42 ist an dem als Kolben ausgebildeten Ende des Stempels 24 befestigt, das der Stempelspitze gegenüber liegt, und macht auf diese Weise jede Bewegung des Stempels 24 mit.

Am aus der Nieteinheit 14 herausragenden Ende der rohrförmigen Verlängerung 42 ist ein Weggeber 44 angebracht. Der Weggeber 44 befindet sich außerhalb eines Gehäuses 46 der Nieteinheit 14 und wirkt mit einem bezüglich des Stempels 24 feststehenden Wegsensor 48 zusammen, der stabförmig ausgebildet und parallel zur rohrförmigen Verlängerung 42 angeordnet ist (s. Fig. 2). Zum Schutz vor mechanischen Einflüssen erstreckt sich der Wegsensor 48 wie dargestellt in eine mit der Umgebungsatmosphä­ re in Verbindung stehende Bohrung 50 des Gehäuses 46 der Niet­ einheit 14.

Die Einheit aus Weggeber 44 und Wegsensor 48 arbeitet auf bekannte induktive Weise und gestattet es, die während eines Stanznietvorganges im Stempel 24 auftretenden Kräfte mit dem Hub des Stempels 24 zu korrelieren. Im Unterschied zu bekannten Anordnungen von Wegsensoren befindet sich der Wegsensor 48 nicht im Hydrauliköl, womit die sich daraus ergebenden Probleme vermieden sind. Im Zusammenspiel mit einer hier nicht darge­ stellten und nicht beschriebenen Steuerung der Stanznietzange 10 läßt sich somit eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität von Stanznietverbindungen sicherstellen.

Claims (11)

1. Fügevorrichtung, insbesondere eine Stanznietzange (10), mit einem hin und her beweglichen Stempel (24) zur Durchführung einer Fügeoperation und einem Sensor zur Ermittlung der im Verlaufe einer Fügeoperation ausgeübten Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Dehnungsmeßsensor ist, der in dem oder an dem Stempel (24) angeordnet ist.

2. Fügevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor ein piezoelek­ trischer Quarz-Dehnungssensor (32) ist, der gegen eine vorzugs­ weise plane Fläche (36) des Stempels (24) vorgespannt ist.

3. Fügevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor in einem inneren Hohlraum des Stempels (24) angeordnet ist.

4. Fügevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlraum eine im Kraft­ fluß des Stempels (24) liegende und zu dessen Wirkseite ge­ schlossene Sacklochbohrung (34) ist.

5. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz-Dehnungssensor (32) als Madenschraube ausgebildet ist, aus der ein Piezokristall (38) des Dehnungssensors (32) vorzugsweise etwas heraussteht.

6. Fügevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (24) einen Weggeber (44) aufweist.

7. Fügevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Weggeber (44) an einer mit dem Stempel (24) verbundenen, rohrförmigen Verlängerung (42) außer­ halb eines Gehäuses (46) der Fügevorrichtung angeordnet ist.

8. Fügevorrichtung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum der rohrförmigen Verlängerung (42) in Verbindung mit dem inneren Hohlraum des Stempels (24) steht.

9. Fügevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Weggeber (44) mit einem bezüg­ lich des Stempels (24) feststehenden Wegsensor (48) zusammen­ wirkt.

10. Fügevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (48) stabförmig ausgebildet und parallel zur rohrförmigen Verlängerung (42) angeordnet ist.

11. Fügevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegsensor (48) sich in eine mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Bohrung (50) in einem Gehäuse (46) der Fügevorrichtung erstreckt.