-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umlegen von Bördelkanten
eines Werkstücks
nach der Methode des Rollfalzens, bei dem ein Werkzeug örtlich eine
Spannung in einer zu falzenden Kante oberhalb der elastischen Beanspruchbarkeit
des Werkstücksmaterials
durch rollendes Aufbringen einer Kraft auf die zu falzende Kante
des Werkstücks
erzeugt, wobei zwischen Falzwerkzeug, das eine auf einer Achse angeordnete
Falzrolle als Kraftüberträger aufweist,
und zu falzender Kante eine Relativbewegung entlang eines Falzweges
erzeugt wird.
-
Des
weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Umlegen von
Bördelkanten
eines Werkstücks
nach der Methode des Rollfalzens mit einem Falzwerkzeug.
-
Ein ähnliches
Verfahren ist bekannt (DE-U-299 10 871). Dieser Stand der Technik
offenbart lediglich eine Bördeleinrichtung
mit einem Werkzeug. Über
die Anwendung der bekannten Bördeleinrichtung
schweigt das Dokument.
-
Rollfalzen
als Methode zum Umbiegen von Bördelkanten,
als ein- oder mehrstufiger Prozeß, findet sich seit längerer Zeit
in der Anwendung. Dabei wird durch ein gezieltes örtliches
Aufbringen von mechanischen Spannungen in einer Kante oberhalb der elastischen
Beanspruchbarkeiten des Materials des Werkstücks durch Führen entsprechender rollenartiger
Werkzeuge im harten Kontakt mit dem Werkstück die Kante umgeformt. EP-A-0
577 876 offenbart ein Falzwerkzeug, welches von einer Handhabungsvorrichtung
in Form eines Robotersystems entlang des Werkstücks geführt wird. Eine Bearbeitungsrolle
wird dabei drehend unter Druck und kraftübertragend entlang des umzubiegenden
Abschnitts des Werkstücks geführt. Die
Kraft wird dabei über
das Robotersystem eingeführt.
Das Robotersystem gibt Richtung und Position vor, in welcher die
Rolle auf das Werkstück wirkt.
Die Vorrichtung weist des weiteren eine Feder auf, die das Rollenwerkzeug
federnd lagert, wodurch die hohe Steifigkeit des Systems in Federrichtung verringert
wird. Eine ähnliche
Vorrichtung ist auch aus
DE
100 11 854 bekannt.
-
EP-A-1
162 011 offenbart einen Werkzeugträger mit mehreren Rollwerkzeugen,
die in verschiedenen Winkeln am Werkstück abrollbar angeordnet sind.
Der Werkzeugträger
wird von einem Gelenkarmroboter geführt. Bei allen zuvor beschriebenen Vorrichtungen
ist ein Gegenlager vorgesehen, welches die vom Gelenkarmrobotersystem
in das Werkstück
eingebrachten Prozeßkräfte aufnimmt.
-
Bei
Systemen ohne Maßnahmen
zur Verringerung und Glättung
der hohen und stark schwankenden Systemsteifigkeit wie beispielsweise
EP-A-1 162 011 tritt insbesondere beim Fertigfalzen das Problem
auf, daß kleine
relative Positionsänderungen und
variierende Gelenkarmkonfigurationen starke Änderungen der resultierenden
Wirkkräfte
auf das Werkstück
hervorrufen, wodurch die Erzielung brauchbarer Falzergebnisse erschwert
wird.
-
Stabile
und zufriedenstellende Ergebnisse können aufgrund dieser Problematik
gegenwärtig
nur durch ein intensives und zeitaufwendiges Korrigieren der Bahn
von Hand erreicht werden. Trotz optimal eingearbeiteter Bahn führen die
fertigungsbedingten Werkstücktoleranzen
und Ungenauigkeiten beim Einspannen der zu bearbeitenden Werkstücke zu stark
schwankenden Prozeßkraftverläufen und
damit zu nicht konstanten Ergebnissen. Ohne ein erneutes Anpassen
ist es nicht möglich
derart optimierte Prozeßabläufe auf
andere Anlagen zu übertragen.
-
Ein
Lösungsansatz,
derartige Unzulänglichkeiten
zu überwinden,
sieht vor, daß der
durch den Einbau einer Feder vorgesehene Freiheitsgrad dahingehend
optimiert wird, daß,
wie in DE-A-100 11 854 beschrieben, die Feder vorgespannt wird.
Dadurch wird erreicht, daß unvermeidliche
Bahnausführungsfehler
durch die verringerte Systemsteifigkeit lediglich zu kleinen Kraftabweichungen
führen,
die innerhalb tolerabler Grenzen liegen. Nachteilig an diesem System
ist allerdings, daß die
vorgesehene vorgespannte Feder nur dann eine wirksame Weichschaltung
der Systemsteifigkeit gewährleistet,
solange die Falzkraft in Richtung der Feder eingeleitet wird. Es
ist allerdings notwendig, beim Abfahren der Falzbahnen, das Falzwerkzeug
zu schwenken, bspw. zur Sicherstellung bestimmter Erreichbarkeiten
bzw. Kollisionsfreiheiten. Durch derartige Schwenkkorrekturen bewegt
sich die Richtung der Krafteinleitung aus der Federrichtung, so
daß die
Nachgiebigkeit abnimmt, bis hin zur Wirkungslosig keit, wenn Federrichtung
und Krafteinleitungsrichtung rechtwinkelig aufeinanderstehen. Nachteilig
ist des weiteren, daß bedingt
durch die Federsteifigkeit und die Vorspannung die vorgespannte
Feder nur innerhalb bestimmter Kraftgrößenbereiche eingesetzt werden
kann. Soll eine andere Falzkraft gewählt werden, so ist es notwendig,
die Federvorspannung neu zu justieren oder die Feder bei großer Falzkraftänderung
auszuwechseln.
-
Eine
Kompensation der zuvor dargestellten Unzulänglichkeiten wird im Stand
der Technik durch passive Lageänderungsvorrichtungen
in Form einer Feder oder durch manuelles Systemanpassen erreicht,
welches beides, wie zuvor dargelegt, verbesserungswürdig ist,
erreicht.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, mit dem die zuvor beschriebenen Unzulänglichkeiten
auf einfache Weise reproduzierbar und individuell einstellbar ausgeglichen
werden können.
-
Gelöst wird
die Aufgabe gem. dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß bei einem Verfahren
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 eine aufgebrachte Kraft (Istkraft) eines Inkrements des
Falzweges erfaßt
und mit einer Sollkraft verglichen wird, und eine aufzubringende
Kraft in einem nächsten
Inkrement des Falzweges um eine Differenz zwischen Sollkraft und
Istkraft des vorherigen Inkrements des Falzweges angepaßt wird,
und daß das
Erfassen der Istkraft durch ein Erfassen einer Verformung eines
Abschnitts des Falzwerkzeugs erfolgt und die Verformung mittels
mindestens eines Verformungsaufnehmers erfaßt wird, wobei die Verformung
an einer die Falzrolle rotierbar tragenden Achse zwischen Falzrolle
und Achslager erfaßt
wird.
-
Auf
diese Weise wird gewährleistet,
daß während des
gesamten Falzvorganges, unabhängig von
der Ausrichtung des Werkzeugs, die optimale Kraft in die Falzkante
des Werkstücks
eingebracht wird.
-
Das
Erfassen der Istkraft erfolgt durch das Erfassen der Verformung
eines Abschnitts des Falzwerkzeugs. Über das Erfassen der Verformung
läßt sich
die Istkraft auf einfache Weise ermitteln, wobei die Erfassung der
Verformung mittels mindestens einem Verformungsaufnehmer erfolgt.
Der Verformungsaufnehmer weist mindestens einen Dehnmeßstreifen
(DMS) auf. Mittels Dehnmeßstreifen
lassen sich Verformungen auf einfache Weise ermitteln, aus denen
dann auf die herrschende Istkraft geschlossen werden kann. Auch
Piezoaufnehmer sind einsetzbar.
-
Eine
weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß die Verformung über eine
im Verformungsaufnehmer beinhaltete Wheaton'sche Brückenschaltung erfaßt wird,
bei der mindestens ein Widerstand ein Dehnmeßstreifen ist. Die Erfindung
sieht des weiteren vor, daß die
Kraft, aus der in der Wheaton'schen Brückenschaltung
herrschenden elektrischen Spannung, hervorgerufen durch die Verformung
des Dehnmeßstreifens
bzw. der Dehnmeßstreifen,
ermittelt wird. Die Kraft, die über
das Falzwerkzeug in das Werkstück
eingebracht wird, bewirkt eine Verformung des Dehnmeßstreifens,
wodurch sich die Widerstände
der Wheaton'schen
Brückenschaltung ändern, so daß es zu
einem elektrischen Spannungsaufbau zwischen den Widerstandsgruppen
kommt.
-
Eine
weitere Lehre der Erfindung sieht alternativ oder unterstützend vor,
daß die
Istkraft aus herrschenden Motorströmen und/oder herrschenden Motormomenten
einer für
die Kraftaufbringung zuständigen
Antriebseinheit ermittelt wird. Diese beiden vorgenannten Meßgrößen können auf
einfache Weise bestimmt werden und lassen einen direkten Rückschluß auf die
herrschende Istkraft zu.
-
Eine
weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß die Relativbewegung zwischen
Falzwerkzeug und Werkstück
entlang eines Falzweges durch ein Handhabungssystem erzeugt wird.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Handhabungssystem um ein
positionsgesteuertes Robotersystem. Derartige Vorrichtungen lassen
sich auf einfache Weise derart adaptieren, daß ein optimales Bahnabfahren
möglich wird.
-
In
diesem Zusammenhang sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor,
daß eine
Position des Falzwerkzeugs entlang des Falzweges in Relation zum Werkstück durch
das Handhabungssystem vorgegeben wird. Die Position des Falzwerkzeuges
in Relation zum Werkstück
wird gem. einer weiteren Lehre der Erfindung entsprechend der Anpassung
der aufzubringenden Kraft geändert.
Dabei wird die aufzubringende Kraft direkt in Lagedaten des Falzwerkzeuges
in Relation zum Werkstück
transformiert, die dann durch das Handhabungssystem abgearbeitet werden.
-
Des
weiteren lassen sich mehrere unterschiedliche Istkräfte eines
Inkrements des Falzweges erfassen. Des weiteren ist es vorteilhaft,
wenn von den vom Falzprozeß herrührenden
Kräften und/oder
Momenten, wirkend auf das Falzwerkzeug, mehr als eine Komponente
erfaßt
wird. Hierdurch wird ein genaueres Bewältigen des Falzweges mit exakter
Krafteintragung ermöglicht.
Des weiteren wird eine Mittlung der Prozeßkräfte unabhängig von der Orientierung des
Werkzeugs und damit ein flexibleres Bewältigen des Falzweges bei exaktem
Krafteintrag möglich.
-
Eine
weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß der kraftgeregelte Freiheitsgrad
während
des Falzprozeßes derart
geregelt wird, daß er
sich in Bezug auf beliebige feste Koordinatensysteme insbesondere
kontinuierlich ändert.
Damit läßt sich
beispielsweise eine Anpassung an räumliche Gegebenheiten des Werkstückes erreichen.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Umlegen von Bördelkanten
eines Werkstücks
nach der Methode des Rollfalzens mit einem Falzwerkzeug umfaßt mindestens
einen Sensor zur Ermittlung einer auf das Werkstück wirkenden Kraft, und das
Falzwerkzeug umfaßt
eine rotierbare, auf der Achse angeordnete Falzrolle.
-
Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei der Vorrichtung gem. der Erfindung
dadurch gelöst,
daß bei
einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 12 der mindestens eine Sensor an der Achse
zwischen Falzrolle und Achslager angeordnet ist.
-
Mittels
dieses Sensors läßt sich
die zum Regeln des Prozesses notwendige Ermittlung der herrschenden
Istkraft auf einfache Weise bewerkstelligen.
-
Die
rotierbare Achse des Falzwerkzeugs weist eine daran angeordnete
Falzrolle auf, wobei an dieser Achse mindestens ein Sensor angeordnet sein
kann. Die Achse ist als optimaler Abgriffspunkt der wirkenden Kraft
anzusehen, da sie sich wie ein Biegebalken verhält und damit die Ermittlung
der auf das Werkstück
wirkenden Kraft auf einfache Weise möglich wird.
-
Der
Sensor weist aus diesem Grunde mindestens einen Dehnmeßstreifen
auf, der besonders vorteilhaft innerhalb des Sensors in einer Wheaton'schen Brückenschaltung
eingebaut ist. Besonders vorteilhafterweise sind alle vier Widerstände der Wheaton'schen Brückenschaltung
in Form von Dehnmeßstreifen
vorgesehen. Diese sind besonders bevorzugt an der Achse angeordnet.
Hierdurch wird eine Kompensation des Temperatureinflußes erreicht.
Vorteilhaft ist dabei, wenn jeweils zwei Widerstände der Wheaton'schen Brückenschaltung
zu den zwei weiteren Widerständen
um 180° versetzt
an der Achse angeordnet sind. Hierdurch lassen sich die jeweiligen
Verformungsrichtungen auf einfache Weise bestimmen, so daß sämtliche
Komponenten der Istkraft ermittelt werden können.
-
Des
weiteren ist ein Anschluß für ein Handhabungssystem
vorgesehen, wobei es sich bei dem Handhabungssystem um ein positionsgesteuertes Robotersystem
handelt, welches auf einfache Weise die notwendigen Prozeßkräfte über das
Falzwerkzeug in das Werkstück
einbringen kann.
-
Des
weiteren kann eine Korrekturrichtung zum Ausregeln der Kraft einen
festen Werkzeug-, Werkstück-
oder Umgebungsbezug haben. Des weiteren ist es möglich, die Sensoren wie zuvor
beschrieben am Werkzeug oder alternativ bzw. unterstützend im
Werkzeug, in der Spannvorrichtung für das Werkstück, am Werkstück, am Übergang
zwischen Roboter und Werkzeug oder am Roboter anzuordnen. Es lassen
sich dadurch mehrere zusätzliche
Kräfte
bzw. Kraftkomponenten oder die gewünschten Kräfte genauer abbilden.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen
Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels
im einzelnen beschrieben. Darin zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 eine
räumliche
Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
3 eine
Darstellung der resultierenden Kraft in zwei unterschiedlichen Werkzeuganordnungen
und
-
4 ein
Blockschaltbild des Gesamtsystems.
-
1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Falzwerkzeug 10.
An einem Grundkörper 11 ist
ein Anschlußflansch 12 für ein Handhabungssystem
(nicht dargestellt) angeordnet. An dem dem Anschlußflansch 12 gegenüberliegenden
Ende des Grundkörpers 11 ist
eine Falzrolle 13 auf einer Achse 14 rotierbar
angeordnet. Die Achse 14 ist mittels eines Achsanschlusses 15 mit
dem Grundkörper 11 verbunden. Zwischen
Achsanschluß 15 und
Falzrolle 13 sind acht DMS 16 angeordnet, die
zu einem ersten Sensor 17 und einem zweiten Sensor 18 in
Form einer Wheaton'schen
Brückenschaltung
zusammengefaßt sind.
Dabei liegen sich die jeweils aus zwei DMS 16 bestehenden
Widerstandspaare der Wheaton'schen Brückenschaltung
jeweils um 180° versetzt
zueinander gegenüber.
Bei einer Verwendung von vier Deh nungsmeßstreifen ist die Wheaton'sche Vollbrücke temperaturgangskompensiert
verschaltet.
-
In 2 ist
dargestellt, wie das Falzwerkzeug 10, schematisch angeordnet
durch die Falzrolle 13, sich in Eingriff mit dem Werkstück 20 befindet
und die Bördelkante 22 um
den Falzbereich 21 umfalzt. Dabei wirkt über die
Falzrolle 13 eine Normalkraft FN (hier als Resultierende
negativ dargestellt) und eine Vorschubskraft FV (ebenfalls als Resultierende
negativ dargestellt). Aus einer vektoriellen Addition kann die resultierende
Gesamtkraft FS (ebenfalls als negative Gegenkraft dargestellt) vektoriell
ermittelt werden. Durch Betragbildung ist die Falzprozeßkraft (Istkraft),
mit der das Falzwerkzeug 10 auf das Werkstück 20 einwirkt,
zu jedem Zeitpunkt und unabhängig
vom Anstellwinkel des Handhabungssystems in Relation zum Werkstück bestimmbar.
-
Die
Kraft FS wird dem Bahnplanungssystem (s. 4) des Handhabungsgerätes im Interpolationstakt
für ein
bestimmtes Inkrement des Falzweges während des Bahnfahrens zugeführt und
mit der bahnbezogenen vorgegebenen prozeßerforderlichen Sollkraft verglichen.
Ein anderer Takt als der Interpolationstakt ist ebenfalls möglich.
-
Aus
der Differenz zwischen Soll- und Istkraft wird über eine Kontaktsteifigkeit
des Systems eine Korrekturgeschwindigkeit berechnet, die der geplanten
Bahn überlagert
wird, damit die optimale Prozeßkraft
im Falzprozeß wirksam
wird. Aus dieser Korrekturgeschwindigkeit ergeben sich die zeitlichen
Bahnkorrekturen, die vorlaufend mit der geplanten Bahn verrechnet
werden. Die geometrisch wirksame Korrekturrichtung RK ist dabei
die Richtung der Normalen des Werkstücks 20 an der jeweiligen
Falzposition. Die Ausrichtung der Korrekturrichtung RK wird damit in
Abhängigkeit
zur Prozeßrichtung
gebildet und ist nicht mehr werkzeugorientiert, wie aus den Lagedaten
Z und Y in 3 entnehmbar ist. Für jedes
Inkrement des Falzweges wird die Korrekturrichtung RK neu berechnet.
Sie ergibt sich aus dem Vektorkreuzprodukt der Achsrichtung Z und
der Trajektorientangente Y im jeweiligen Inkrement des Falzweges.
Auf diese Weise wird eine kontinuierlich wirksame Prozeßkraft für das Erreichen
eines optimalen Falzvorganges unabhängig von der Werkzeuganstellung des
Falzwerkzeugs 10 in Relation zum Werkstück 20 gewährleistet.
Aus einer Rückwärtstransformation der
Daten des Kraftreglers und der Bahnplanungsdaten (s. 4)
werden die karthesischen Steuerdaten in achsbezogene Steuerdaten
für die
Antriebsregler des Handhabungssystemes überführt. Am Falzwerkzeug selber
werden über
die zwei DMS-Vollbrücken 16, 17 die
Verformungen an der Achse 14 ermittelt und über einen
Meßverstärker in
eine Istkraft umgewandelt, die der Robotersteuerung zugeführt, um den
zuvor beschriebenen Korrekturprozeß durchzuführen.
-
In
einer Robotersteuerung 30 ist ein Userberechnungsprogramm 31 vorgesehen,
welches Bahnplanung 32 und Kraftvorgabe 33 in
das System einspeist. Eine Sollkraft 35 wird an einen Vergleicher 50 übermittelt,
der die Sollkraft 35 mit einer Istkraft 49 vergleicht
und die Differenz in einen Kraftregler 37 weiterleitet.
Des weiteren wird eine Sollbahn 34 an eine Bahnkorrektur 36 übermittelt,
die korrigierte Bahnkoordinaten 38 weiterleitet. Über die
korrigierten Bahnkoordinaten 38 werden in einer Rückwärtstransformation 40 Sollwinkel 39 zur
Steuerung des Roboters ermittelt und an einen Vergleicher 51 weitergeleitet.
Im Vergleicher 51 werden die Sollwinkel 39 mit
den von einem Drehheber 44 ermittelten Istwinkeln 52 verglichen
und als korrigierte Winkel 53 an einen Achslageregler 42 weitergeleitet. Über den Achslageregler 42 werden
Roboterachsantriebe 43 gesteuert, die ein Falzwerkzeug 45 in
vorgeschriebene Position auf dem Werkstück anordnen. Als Ergebnis wird
dann eine Falzkraft 54 auf das Werkstück erzeugt, die sich direkt
aus der Systemsteifigkeit 46 und der Position des Falzwerkzeuges
ergibt. Durch zwei Wheaton'sche
DMS Vollbrücken 47 wird
die Verformung des Falzwerkzeuges, hervorgerufen durch die Falzkraft 54,
erfaßt
und an einen Meßverstärker weitergegeben.
Aus der Verformung wird dann die Istkraft 49, die mit der
Falzkraft 54 identisch ist, ermittelt. Kraftregler 37 und
Vergleicher 50, 51 können dabei auch außerhalb
der Robotersteuerung 30 angeordnet sein und diese nur mit
den entsprechenden Ergebnissen versorgen.
-
- 10
- Falzwerkzeug
- 11
- Grundkörper
- 12
- Anschlußflansch
- 13
- Falzrolle
- 14
- Achse
- 15
- Achsanschluß
- 16
- Dehnmeßstreifen
(DMS)
- 17
- Erster
Sensor (Wheaton'sche
Vollbrücke)
- 18
- Zweiter
Sensor (Wheaton'sche
Vollbrücke)
- 20
- Werkstück
- 21
- Falzbereich
- 22
- Bördelkante
- 30
- Robotersteuerung
- 31
- Userprogramm
- 32
- Bahnplanung
- 33
- Kraftvorgabe
- 34
- Sollbahn
- 35
- Sollkraft
- 36
- Bahnkorrektur
- 37
- Kraftregler
- 38
- korrigierte
Bahnkoordinaten
- 39
- Sollwinkel
- 40
- Rücktransformation
- 41
- Achsantriebswinkel
- 42
- Achslageregler
- 43
- Roboterachsantrieb
- 44
- Drehregler
- 45
- Falzwerkzeug
- 46
- Systemsteifigkeit
- 47
- 2
DMS Vollbrücken
- 48
- Meßverstärker
- 49
- Istkraft
- 50
- Vergleicher
- 51
- Vergleicher
- 52
- Istwinkel
- 53
- korrigierter
Winkel
- 54
- Falzkraft
- FN
- Normalkraft
- FS
- resultierende
Gesamtkraft (Istkraft)
- FV
- Vorschubskraft
- RK
- Korrekturrichtung
- Y
- Lagekoordinate,
Dreiektorientangente
- Z
- Lagekoordinate,
Werkzeugachsrichtung