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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Karosseriebaugruppe
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anlage zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 6.
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Karosserien
werden aus einer Vielzahl von Teilen im Rohbau zusammengesetzt.
Die Teile selbst werden in der Karosserietechnik gefertigt. Rohbau und
Karosserietechnik sind in der Regel örtlich voneinander getrennt
in verschiedenen Werkbereichen angeordnet.
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Die
Karosserietechnik ist im Wesentlichen durch Umform- und Trennverfahren
gekennzeichnet. In der Karosserietechnik befinden sich mehrstufige Umformanlagen
mit Taktzeiten im Bereich von circa 5–6 Sekunden, an deren Ende
die Teile eine gewünschte
Form mit geringen Formabweichungen aufweisen. Bei schrittweisem
Verändern
der Form bis zur Endform besteht ein genau definierter Ordnungszustand,
der bei der Entnahme der Formteile aus der Umformanlage aufgehoben
oder gemindert wird. Großteile
werden zur Überführung in
den Rohbau z.B. in Gestellen zwischengelagert. Kleinteile werden in
Form von Schütt-
oder Stapelgut zwischengelagert. Typische Losgrößen in der Karosserietechnik liegen
im Bereich von 3000–5000
Einheiten. Zum Lagern und Transportieren der Einzelteile ist ein
hoher Logistikaufwand erforderlich.
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Im
Rohbau werden die Teile von Hand einem Behälter oder einem Gestell entnommen,
anschließend
z.B. in Transportbänder
eingelegt, die sie einer Handhabungsvorrichtung zuführen, danach
dieser entnommen und zum Weiterverarbeiten in einer Fügevorrichtung
in einen definierten Ordnungszustand überführt. Kommen die Teile bereits
in einem geordneten Zustand im Rohbau an, können die Teile ohne Zuhilfenahme
einer Bedienperson maschinell der Fügevorrichtung zugeführt werden.
Im Rohbau befinden sich voneinander entkoppelte Roboterzellen, in denen
aus den Formteilen schrittweise Zusammenbauten entstehen. Typische
Fügeverfahren
sind Widerstandspunktschweißen
bzw. Schmelzschweißen. Es
ist möglich,
in einer Zelle die Teile lediglich zusammenzuheften und in einer
weiteren Zelle auszuschweißen.
Die Fügegenauigkeit
ist durch eine Vielzahl von Toleranzen in den Handhabungsvorrichtungen
und Spannvorrichtungen beschränkt.
Typische Taktzeiten liegen im Rohbau im Bereich größer als
40 Sekunden.
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Die
Trennung von Karosserietechnik und Rohbau ist insgesamt weniger
effizient und erfordert im Rohbau einen hohen Platzbedarf. Um beim
Einsatz von Laserschweißverfahren
die Fügegenauigkeit,
insbesondere die Spaltweite zwischen Blechen, im Rohbau einzuhalten,
müssen
die Formteile in der Karosserietechnik mit sehr engen Toleranzen
gefertigt werden und eine aufwendige Spanntechnik eingesetzt werden,
da praktisch jeder Fügepunkt
durch ein Spannelement fixiert werden muss. Bei verzinkten Blechen
muss im Rohbau eine zusätzliche
Station vorgesehen werden, in der die Formteile für ein Entgasen
beim Aufschmelzen der Zinkschicht vorbereitet werden. In dieser
Station werden z.B. an einem Fügeteil
durch Prägen
oder Aufschmelzen noppenartige Erhebungen erzeugt.
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Im
Rohbau können
Teile durch Laserschweißen
gefügt
werden. Beim Laserschweißen
finden Laserköpfe
mit Strahlablenkanordnungen Verwendung, die z.B. an einem Roboterarm
in einem großen
Abstand relativ zu den zu verschweißenden Teilen geführt werden.
Aus der
DE 102 41
593 A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung beschichteter
Bleche bekannt, bei dem vor dem Verschweißen an einem Blech noppenartige
Erhebungen erzeugt werden. Beim Fügen besteht zwischen den Blechen
ein Abstand, der ein Entweichen von Gasen gestattet, die beim Verdampfen
der Beschichtung entstehen. Die gleiche Wirkung zeigt ein Verfahren
nach der
DE 102 04
474 A1 , bei dem eine Spannvorrichtung für zu verschweißende Bleche
in einem Überlappungsbereich mit
einstellbaren Abstandshaltern ausgerüstet ist.
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Wie
aus der
DE 196 30
521 A1 hervorgeht, können
beim Laserschweißen
in einer Fertigungslinie Nebenzeiten vermindert werden, indem mit
mehreren Laserstrahlführeinrichtungen
ein Vorgang des Auswerfens eines geschweißten Werkstückes und die Aufnahme eines
neuen Werkstückes
in einer jeweiligen Werkstückhalterung
vor Beginn eines neuen Arbeitszyklus abgeschlossen ist. Dadurch
wird erreicht, dass kontinuierlich Werkstücke geschweißt werden.
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Die
DE 103 02 458 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Maschine zur Massivumformung. Um mit geringem
Aufwand Werkstücke
mit komplizierter Geometrie herstellen zu können, ist eine Umformmaschine
mit wenigstens einer Umformstufe zur Massivumformung und mit einer
Schweißeinheit
ausgestattet. Die Ausführung
eines Schweißvorganges
und der Umformvorgänge
in einer einzigen gemeinsamen Maschine führt zu einem kompakten Maschinenaufbau
und zu einer verbesserten Fertigungseffizienz. Bei dem Verfahren
wird ein Schweißnahtbereich,
wie die übrigen
Werkstückbereiche
der Teilrohlinge, einer Massiv umformung unterzogen. Dabei werden
das Material im Schweißbereich
und das übrige
Material zum Fließen
gebracht. Eventuell beim Schweißen entstehender
Werkstückverzug
kann durch Nachkalibrierung eliminiert werden. Zur Schweißeinheit
gehört
eine als Drehtisch ausgebildete Aufnahmeeinrichtung für einen
Zwischenformrohling und eine Zuführeinrichtung
für ein
Werkstück,
welches mit dem Zwischenformrohling verbunden werden soll. Die Aufnahme
des Zwischenformrohlings ist ungenau. Eine Nachkalibrierung ist
nur im Rahmen der beim Umformen beherrschbaren Toleranzen möglich. Die Lösung zum
Massivumformen von Kleinteilen auf einer einzelnen Umformmaschine
lässt sich
nicht bei großflächigen Werkstücken anwenden,
wie dies im Karosseriebau üblich
ist.
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Gemäß der
EP 438 615 A1 werden
mindestens zwei ebene Bleche durch Laserschweißen verbunden. Hierzu wird
eine Schweißanlage
verwendet, bei der die zu verschweißenden Bleche auf Paletten ausgerichtet
und gefördert
werden. Die Bleche werden auf den Paletten gegen Anschlagleisten
geschoben, mit Spannvorrichtungen fixiert und danach stumpf verschweißt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Karosseriebaugruppe
und eine Anlage zur Durchführung
des Verfahrens zu entwickeln, die den Logistikaufwand verringern
und die Fügequalität verbessern.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale nach
Anspruch 1 aufweist. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
Anlage ergibt sich durch die Merkmale nach Anspruch 6. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
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Neben
der Lösung
der gestellten Aufgabe wird durch die Erfindung der Rohbau durch
Reduzierung von Anlagenbereichen verschlankt und über die Gewerke
hinweg ergibt sich eine verbesserte Fertigungseffizienz.
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Gemäß dem Verfahren
zur Herstellung einer Karosseriebaugruppe wird ein durch Umformen
vorgefertigtes Basisteil direkt von einer Umformstation oder aus
einem mit der Anlage verbundenen Puffer zu einer verbundenen Fügestation
gefördert
und in einen Formsitz eingelegt. Danach wird ein weiteres Teil mit
dem Basisteil gefügt,
wobei das Basisteil und das weitere Teil zueinander ausgerichtet
werden. Zum Schluss werden die gefügten Teile durch Krafteinwirkung
in eine Sollform gebracht und verbunden.
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Wesentlich
ist, ein großflächiges Basisteil
als Trägerteil
für weitere
Karosserieteile zu nutzen. Die weiteren Karosserieteile werden in
einer Anlage, in der Umformvorgänge
und Fügevorgänge ablaufen, auf
dem Trägerteil
fixiert. Dadurch werden nachgelagerte Logistikflüsse vermieden: Auf ein Basisteil
integrierte Teile müssen
im weiteren Fertigungsablauf nicht separat gehandhabt werden.
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Eine
dazu brauchbare Anlage umfasst eine Fertigungsstraße, bei
der mindestens eine Umformstation mit einer Fügestation verbunden ist, und
eine Steuervorrichtung zur Förderung
von Teilen und zur Durchführung
von Umform- und Fügevorgängen. Die Fügestation
ist zur Aufnahme eines umgeformten Basisteils ausgebildet, wobei
der Fügestation
eine Vorrichtung zum Zuführen
mindestens eines weiteren Teiles zugeordnet ist und die Vorrichtung
programmtechnisch mit der Steuervorrichtung verknüpft ist.
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Die
Erfindung ermöglicht
durch einfachen Wechsel der Werkzeuge und Spanntechnik innerhalb der
Anlage sowie durch schnellen Austausch der Einlegestationen eine
flexible Herstellung unterschiedlicher Karosserie-Zusammenbauten,
insbesondere die Herstellung von Seitenwänden, Motorhauben, Heckdeckeln
und dergleichen, für
Kraftfahrzeuge verschiedener Baureihen. Damit ergibt sich eine vereinfachte
Gestaltung der Arbeitsteilung zwischen Karosserietechnik und Rohbau,
sowie eine verbesserte gewerkeübergreifende
Fertigungseffizienz. Anlagen mit kombinierten Umform- und Fügestationen
benötigen
geringere Aufstellflächen
als konventionelle Rohbauanlagen. Durch Losgrößenfertigung verschiedener
Typen und Bauteilspektren können
verschiedene Rohbaubereiche substituiert werden.
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Beim
Fügen in
großen
Arbeitsbereichen sind vorteilhaft Laserschweißvorrichtungen anwendbar, mit
denen die in der Karosserietechnik üblichen kurzen Prozesszeiten
beherrschbar sind und eine hohe geometrische und räumliche
Flexibilität
machbar ist. Für
die Pressteile bestehen an den Flanschen keine erhöhten Toleranzforderungen,
um das Laserschweißen
mit der notwendigen Genauigkeit ausführen zu können. Die Laserquellen werden
zu einem hohen Grade ausgelastet.
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Durch
die Herstellung von Karosseriebaugruppen bereits in der Karosserietechnik
wird die Fertigung im Rohbau verschlankt und weniger komplex. Durch
die Entkopplung vom konventionellen Rohbau sind für die Fertigung
von Zusammenbauten insgesamt kürzere
Taktzeiten und somit wirtschaftlichere Losgrößenfertigung möglich. Die
Fertigung der Zusammenbauten in der Karosserietechnik ist aufgrund
kürzerer
Regelkreise und integrierbarer Qualitätsregelung einfach zu beherrschen,
so dass eine Verbesserung der Qualität erreicht wird. Die Zusammenbauten
besitzen eine hohe Steifigkeit, was einen folgenden Transport vereinfacht.
Die Integration von Laserschweißvorrichtungen
und -verfahren bietet darüber
hinaus die Möglichkeit,
zusätzliche
Schneidoperationen, z.B. auch nach dem Ausschweißen, durchzuführen.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden,
es zeigen:
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1:
ein Schema einer Anlage zur Herstellung von Karosserie-Zusammenbauten,
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2:
einen Querschnitt durch eine Spann- und Umformvorrichtung,
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3:
ein Detail eines Spann- und Umformsegmentes mit Durchbrüchen für Laserstrahlen,
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4:
ein Schema eines Spann- und Umformwerkzeuges,
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5:
eine Anwendung eines Spannsegmentes mit Spannbacken, und
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6:
ein Spann- und Umformwerkzeug mit Freiräumen zur Laserstrahlführung.
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1 zeigt
eine Anlage zur Herstellung von Karosserieteilen 1 in Draufsicht.
Die Anlage ist als Fertigungsstraße mit vier verketten Umformstationen 2–5 ausgebildet.
Der Umformstation 2 ist eine Anordnung zum Zuführen und
Ausrichten einer Blechplatine vorgeordnet. Zwischen den Umformstationen 2–5 und
nach der Umformstation 5 sind Anordnungen zum Fördern angeordnet.
In der Fertigungsstraße befindet
sich weiterhin eine erste Schweißstation 6 und eine
zweite Schweißstation 7 mit
je zwei Laserschweißvorrichtungen 8, 9 bzw. 10, 11,
denen Laserquellen 12–15 zugeordnet
sind. Die Umformstationen 2–5 und die Schweißstationen 6, 7 liegen
in Hauptfertigungsrichtung 16 nebeneinander. Die Laserschweißvorrichtungen 8–11 sind
quer zur Hauptfertigungsrichtung 16 verschiebbar angeordnet,
was durch die Pfeile 17 schematisch angegeben ist. Die Laserschweißvorrichtungen 8–11 enthalten
in mehreren Achsen positionierbare Laserschweißköpfe mit scannender Laseroptik
zum Ablenken und Fokussieren der Laserstrahlen. Vor und nach der
Schweißstation 6 sind
Pufferzonen für
Teile jeweils in einem Zwischenzustand vorgesehen. Seitlich der
Schweißstation 6 sind
Einlegestationen 18, 19 für Halbfertigteile 20 angeordnet.
Die Einlegestationen 18, 19 sind als schnell bewegliche
Plattformen ausgebildet, auf denen Zuführbänder 21, 22 und
Handhabungsgeräte 23, 24 angeordnet
sind. Die Plattformen erlauben es, die Einlegestationen 18, 19 räumlich zu
verschieben und mittels unterschiedlicher Bestückungen an Zuführtechnik 21, 22 und
Handhabungsgeräten 23, 24 das
jeweilige Bauteilspektrum abzubilden. Die Handhabungsgeräte 23, 24 arbeiten
mit Zufuhrvorrichtungen 25, 26 für die Halbfertigteile 20 zusammen.
In der Schweißstation 6 befinden
sich Spann- und Umformvorrichtungen 27, 28 für ein in
den Umformstationen 2–5 vorgefertigtes
Halbfertigteil und zwei seitlich zugeführte Halbfertigteile 20.
Der Schweißstation 7 folgen
zwei weitere Pufferstationen. In der letzten Pufferstation am Ende
der Fertigungsstraße
befindet sich ein Handhabungsgerät 29 zur
Entnahme der fertigen Karosserieteile 1. Zwischen den Pufferstationen und
den Schweißstationen 6, 7 sind
weitere Anordnungen zum Fördern
vorgesehen.
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Die
gesamte Anlage wird von einer zentralen Steuerung 30 gesteuert.
Die 1 enthält
gestrichelte Linien 31, die schematisch Verbindungen zwischen
der Steuereinrichtung 30 und den verschiedenen Elementen
der Anlage darstellen.
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Aus
der Blechplatine entsteht durch mehrstufiges Umformen in den Umformstationen 2–5 ein Halbfertigteil,
welches in der Pufferstation vor der Schweißstation 6 bereitgehalten
wird. Das Halbfertigteil wird in die Schweißstation 6 eingelegt
und fixiert. Seitlich aus den Einlegestationen 18, 19 werden
mittels der Handhabungsgeräte 23, 24 und
der Zufuhrvorrichtungen 25, 26 weitere Halbfertigteile 20 in
die Schweiß station 6 gebracht.
In die Plattformen 21, 22 werden Halbfertigteile 20 eingelegt.
Durch hin- und hergehende Hubbewegungen werden die Halbfertigteile 20 in
definierter Lage unter die Spann- und Umformvorrichtungen 27, 28 gefahren.
Mit den Spann- und Umformvorrichtungen 27, 28 werden
die Halbfertigteile 20 auf das bereits eingelegte Halbfertigteil aufgesetzt
und durch Krafteinwirkung so weit verformt, bis eine Sollgeometrie
bzw. Sollposition erreicht ist. Das Verformen in die Sollposition
kann messtechnisch überwacht
werden. In diesem Sollzustand werden die gefügten Halbfertigteile mittels
der Laserschweißvorrichtungen 8, 9 zusammengeheftet. Anschließend erfolgt
ein Ausschweißen
der Nähte
in der Schweißstation 7 mit
den Laserschweißvorrichtungen 10, 11.
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Die
Steuerungen der Handhabungsgeräte 23, 24 (und
weiterer Einrichtungen) auf den schnell beweglichen Plattformen 21, 22 sind
programmtechnisch mit der Steuerung 30 für die Anlage
verknüpft. Dadurch
sind die Handhabungsvorgänge
der Halbfertigteile 20 im Bereich der Plattformen 21, 22 und die
Fertigungsschritte und Transportvorgänge in Hauptfertigungsrichtung 16 miteinander
synchronisiert.
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Einen
Querschnitt durch eine Spann- und Umformvorrichtung 27, 28 der
Laserschweißvorrichtung 6 ist
in 2 gezeigt. Eine Matrize 32 mit der Form
eines in den Umformstationen 2–5 vorgeformten Halbfertigteils
wirkt mit einem Spannrahmen 33 zusammen. Ein großflächiges Halbfertigteil 34 wird so
in die Matrize 32 eingelegt, dass dessen Verbindungsflansche 35, 36 am
Rand der Matrize 32 in einer vorwiegend horizontalen Ebene
liegen. Der Spannrahmen 33 hält ein Halbfertigteil 37,
welches aus einer Einlegestation 18, 19 stammt.
Mit dem Spannrahmen 33 wird das Halbfertigteil 37 so
auf das Halbfertigteil 34 aufgesetzt, dass die Verbindungsflansche 35, 36 bzw. 38, 39 aneinander
anliegen. Vom Spannrahmen 33 ausgehend wirken auf das Halbfertigteil 37 Kräfte 40,
die das Halbfertigteil 37 etwas verformen und die Flansche 38, 35,
bzw. 39, 36 aneinanderpressen. Die Verformung
geht soweit, dass das Halbfertigteil 37 eine Sollform einnimmt. Der
Spannrahmen 33 besitzt Durchlässe 41 und Abschrägungen 42 für Laserstrahlen 43, 44.
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3 zeigt
dies mehr im Detail. Entlang eines Randes eines Spannsegmentes 45 sind
gleichmäßig verteilt
kreisförmige
Durchlässe 41 vorgesehen,
die es ermöglichen,
mit einem Laserstrahl 44 Heftpunkte am Verbindungsflansch 38 bzw. 35 zu setzen.
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Wenn
in der nachstehenden Beschreibung bereits eingeführte Bezugszeichen verwendet
werden, handelt es sich um Elemente mit äquivalenter Funktion.
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4–6 zeigen
die Anwendung eines modularen Spannrahmens 46 mit einer
Reihe von Spannsegmenten 47 in einer Schweißstation 6 bzw. 7.
Der Spannrahmen 46 ist biegesteif mit rechtwinklig zueinander
angeordneten Streben 48 aufgebaut. Die Spannsegmente 47 sind
am Spannrahmen 46 befestigt und liegen entlang den Verbindungsflanschen 38, 35 bzw. 39, 36.
Wie aus den 5, 6 hervorgeht,
sind an den Spannsegmenten 47 über Federn 49 elastisch
eine Vielzahl von Spannbacken 50 befestigt. Wenn der Spannrahmen 46 z.B.
seitlich durch unterhalb der Flanschebene liegende Aktuatoren nach
unten gezogen wird, dann werden die Federn 49 entsprechend
der Topografie der Verbindungsflansche 35, 36; 38, 39 zusammengedrückt, so
dass die Spannbacken 50 eine Kraftwirkung auf das oben liegende
Halbfertigteil 37 und auf die Verbindungsflansche 35, 36; 38, 39 ausüben. Zwischen
den Spannbacken 50 bestehen Freiräume zum Ausbilden eine Fügestelle.
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- 1
- Karosserieteil
- 2–5
- Umformstation
- 6,
7
- Schweißstation
- 8–11
- Laserschweißvorrichtung
- 12–15
- Laserquelle
- 16
- Hauptfertigungsrichtung
- 17
- Pfeil
- 18,
19
- Einlegestation
- 20
- Halbfertigteil
- 21,
22
- Plattform
- 23,
24
- Handhabungsgerät
- 25,
26
- Zufuhrvorrichtung
- 27,
28
- Spann-
und Umformvorrichtung
- 29
- Handhabungsgerät
- 30
- Steuerung
- 31
- Linie
- 32
- Matrize
- 33
- Spannrahmen
- 34
- Halbfertigteil
- 35,
36
- Verbindungsflansch
- 37
- Halbfertigteil
- 38,
39
- Verbindungsflansch
- 40
- Kraft
- 41
- Durchlass
- 42
- Abschrägung
- 43,
44
- Laserstrahl
- 45
- Spannsegment
- 46
- Spannrahmen
- 47
- Spannsegment
- 48
- Strebe
- 49
- Feder
- 50
- Spannbacke