DE102007045705B4

DE102007045705B4 - Verfahren zur Durchführung eines Fügeprozesses in einer Fügevorrichtung

Info

Publication number: DE102007045705B4
Application number: DE102007045705.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Piskun
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: DE102007045705A1

Abstract

Verfahren zur Durchführung eines Fügeprozesses in Füge- und Spannvorrichtungen mit Spann- und/oder Fügewerkzeugen, bei dem zu fügende Einzelteile (20, 22) in einem Fügevorgang durch Verformung mittels verstellbarer Spann- und Fügestellen der Spann- und/oder Fügewerkzeuge zu einer Baugruppe (80) gefügt werden mit Hilfe einer Simulation, gekennzeichnet durch:- Ermittlung einer Ist-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22);- in einem numerischen Simulations-Modell Vorgabe einer Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22), einer Soll-Geometrie der gefügten Baugruppe (80) und von ausgewählten Merkmalen der Baugruppe (80), die nach dem Fügen und Entspannen durch Rücksprünge von Spannpositionen (VrOi) jeweils Rücksprungpositionen (Vri) einnehmen können;- Bestimmung einer Formabweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22); und- Simulation des Fügevorgangs bei dem zu fügende Einzelteile (20, 22) durch Verformung an den verstellbaren Spann- und Fügestellen der Spann- und/oder Fügewerkzeuge zu einer Baugruppe (80) gefügt werden, unter Berücksichtigunga) der Formabweichung,b) der in die Einzelteile (20, 22) zur Verformung in die Fügepositionen eingeleiteten Energie zur Ermittlung der Rücksprungpositionen (Vri) der ausgewählten Merkmale nach erfolgtem Fügen;- in Abhängigkeit von vorgegebenen Rücksprungpositionen (Vri) Ermittlung von zu korrigierenden Spannpositionen der Spannstellen und zu korrigierenden Fügepositionen der Fügestellen;- für vorgegebene Rücksprünge physisches Positionieren der Einzelteile (20, 22) an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Spannpositionen;- physisches Spannen der Einzelteile (20, 22) mittels der Spannwerkzeuge;- physisches Fügen der Einzelteile (20, 22) mittels der Fügewerkzeuge an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Fügepositionen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Fügeprozesses in einer Fügevorrichtung sowie eine Fügevorrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Maßliche Abweichungen der Einzelteile (im Folgenden werden die Begriffe „Einzelteil“ und „Bauteil“ synonym verwendet) sind eines der zentralen Probleme im Karosseriebau. Bei der Herstellung sind enge Toleranzen bei der Spezifikation der Bauteile erforderlich. Die alleinige Anforderung der engeren Passungen reicht jedoch nicht, um die real auftretenden Blechbauteil-Maßabweichungen aus dem Presswerk zu reduzieren. So wird seit längerem versucht, beim Fügeprozess im Karosseriebau Einfluss auf die Betriebsmittel zu nehmen, um als Folge die in den Baugruppen auftretenden Maßabweichungen zu reduzieren.
Ursache der heute in der Industrie üblichen Korrekturen sind größtenteils die durch Chargenwechsel hervorgerufenen Abweichungen der Einzelteile, wobei die maßlichen Abweichungen nach Chargenwechsel deutlich höher sind als maßliche Schwankungen innerhalb einer Charge. Diese Maßabweichungen der Einzelteile führen zu Maßabweichungen in der gefügten Baugruppe. Somit konzentriert man sich im Karosseriebau darauf, die Betriebsmittel auf eine neue Charge zu „trimmen“, mit dem Ziel, die Bauteile durch Stellmaßnahmen an den Betriebsmitteln in die gewünschte Lage zu zwingen und somit das gefügte Produkt im Rahmen der vorgegebenen Baugruppentoleranzen zu halten. Das „Trimmen“ erfolgt dabei durch das Verstellen der Positionier- und Spanngeometrie, um die Spannposition zu finden, die die Auswirkungen der Einzelteilmaßabweichungen im ZSB minimiert.
Bei der hohen Zahl an Karosseriebau-Betriebsmitteln zum Fügen der aus dem Presswerk kommenden Bauteile ist die Ursachenforschung für mangelhafte Baugruppenmaße zur Problemabstellung eine äußerst komplexe Angelegenheit. Dies kann an einem typischen Beispiel erläutert werden: Die Baugruppe einer Heckleuchtenaufnahme in einem Fahrzeugprojekt besteht aus 3 Blechen, die vor dem Fügen miteinander mittels 5 Spannern gespannt werden. An 4 Punkten ist in der Baugruppe die Maßhaltigkeit zu optimieren. Allein wenn jeder Spanner fünffach verstellbar ausgeführt wird, würde es pro Baugruppe 5⁵, d.h. 3125 in Frage kommende Betriebsmittelkombinationen geben. Die Auswahl der für diese Punkte optimalen Korrektur-Stellmaßnahme durch einen Operator an der Linie ist eine Aufgabe, die mit viel Prozesswissen, aber auch vor allem mit viel „Trial and Error“ verbunden ist und damit zeitintensiv und kostentreibend ist.
Ein Berechnungsansatz in der Dissertation von Shenhou Liu „Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assembly“ an der University of Michigan aus dem Jahr 1995 zeigt eine Methode zur statistischen Rücksprungprognose nachgiebiger Baugruppen nach dem Fügevorgang. Die Methode ist vor allem für den Einsatz in der Konstruktionsphase ausgelegt. Der Ansatz berücksichtigt numerisch die Bauteilsteifigkeiten bei den zu fügenden elastischen Baugruppen, wobei von einer konstanten Steifigkeit der Einzelteile und Baugruppen ausgegangen wird.
Bekannt ist auch eine selbstlernende Vorrichtungssteuerung zur Beeinflussung der Baugruppengeometrie. Für den Produktionseinsatz ausgelegt liefert die auf Fuzzy Logik basierende Methode nach einer längeren Anlernphase das Steuerungssignal, an welcher Stelle und um welchen Betrag die Fügevorrichtung zu verstellen ist („Drauz box“ Ansatz von ThyssenKrupp Drauz Nothelfer).
Zum Stand der Technik wird ferner auf die Patentschriften DE 103 57 413 A1 , DE 10 2005 060 557 A1 , DE 10 2005 060 558 A1 , DE 10 2006 029 154 A1 und DE 602 04 122 T2 hingewiesen.
Die bekannten Methoden sind in einem Serien-Fertigungsprozess schwierig einzusetzen, bei dem häufige Chargenwechsel stattfinden müssen. Eine Routine zur eigenständigen Korrektur entsprechend der Prognose des Rücksprungs fehlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fügeverfahren und eine Füge- und Spannvorrichtung bereitzustellen, das/die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und das/die insbesondere für das Fügen von Fahrzeugkarosserien geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Durchführung eines Fügeprozesses in Füge- und Spannvorrichtungen mit Spann- und/oder Fügewerkzeugen, bei dem zu fügende Einzelteile in einem Fügevorgang durch Verformung mittels verstellbarer Spann- und Fügestellen der Spann- und/oder Fügewerkzeuge mit Hilfe einer Simulation zu einer Baugruppe gefügt werden, zeichnet sich aus durch

- Ermittlung einer Ist-Geometrie der zu fügenden Einzelteile;
- in einem numerischen Simulations-Modell Vorgabe einer Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile, einer Soll-Geometrie der gefügten Baugruppe und ausgewählter Merkmale der Baugruppe, die nach dem Fügen und Entspannen durch Rücksprünge von Spannpositionen VrOi jeweils Rücksprungpositionen Vri einnehmen können;
- Bestimmung einer Formabweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile; und
- Simulation des Fügevorgangs bei dem zu fügende Einzelteile durch Verformung mittels verstellbarer Spann- und Fügestelle der Spann- und/oder Fügewerkzeuge zu einer Baugruppe gefügt werden, unter Berücksichtigung
1. a) der Formabweichung,
2. b) der in die Einzelteile zur Verformung in die Fügepositionen eingeleiteten Energie, nämlich die Arbeit W_E, zur Ermittlung der Rücksprungpositionen Vri der ausgewählten Merkmale nach erfolgtem Fügen;
- in Abhängigkeit von vorgegebenen Rücksprungpositionen Vri Ermittlung von zu korrigierenden Spannpositionen der Spannstellen und zu korrigierenden Fügepositionen der Fügestellen;
- für vorgegebene Rücksprünge physisches Positionieren der Einzelteile an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Spannpositionen;
- physisches Spannen der Einzelteile mittels der Spannwerkzeuge;
- physisches Fügen der Einzelteile mittels der Fügewerkzeuge an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Fügepositionen.

Als ausgewählter Merkmale der Baugruppe werden interessierende Bereiche der Baugruppe bezeichnet, vorzugsweise Anschlussbereiche für weitere Bauteile oder Baugruppen wie Flansche, Träger deren Lage eine möglichst geringe Abweichung von der Soll-Geometrie erfordert.
Vorteilhaft kann durch eine bevorzugte verfahrensgemäße Berechnungsroutine aus den vorher erfassten geometrischen Abweichungen der Einzelteile ein Hinweis generiert werden, an welchen Stellen und um welche Beträge die Spannwerkzeuge und Aufnahmepunkte der Betriebsmittel, z.B. Spanner, Schweißzangen und dergleichen, zu verstellen sind, um die negativen Auswirkungen der Einzelteilabweichungen auf die gefügte Baugruppe (im folgenden auch Zusammenbau, ZSB, genannt) zu minimieren. Es können separate Spannwerkzeuge und separate Fügewerkzeuge vorgesehen sein, ebenso können Werkzeuge eingesetzt werden, die sowohl zum Spannen wie auch zur Fügen dienen, etwa Schweißzangen.
Positiv bewirkt die dynamische Berücksichtigung der wechselnden Steifigkeit in Bauteilen und Baugruppen eine verbesserte Simulation, da die Annahme einer konstanten Steifigkeit von Bauteilen nicht universell gültig ist.
Das bevorzugte Verfahren bietet gegenüber dem Fuzzy Logik-Einsatz eine verständlichere und nachvollziehbarere Darstellung. Darüber hinaus braucht eine derartige Berechnung auf numerischer Basis keine Anlernphase, was einen kurzfristigen Einsatz in der Produktion ermöglicht.
Bevorzugt ist eine Anwendung im Fahrzeugbau. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine frühzeitige und effiziente Auslegung von Bezugssystemen, Spannstellen und Fügestellen. Es sind nur wenige, zielgerichtete Stellmaßnahmen notwendig. Ein Umstellungsaufwand für Betriebsmittel, wie Spannwerkzeuge, Fügewerkzeuge, infolge neuer zu fügender Chargen kann vermieden oder verringert werden. Ein schneller Produktionsanlauf ist möglich, wobei der Nacharbeitsaufwand verringert werden kann.
Das Verfahren ist auch vorteilhaft als Anlernwerkzeug für auf Fuzzy-Logik oder auf Neuronalen Netzen basierende Werkzeuge einsetzbar. Selbst bei Einzelteilen, die in gewissem Rahmen Formabweichungen aufweisen, kann ein „gefügtes Bauteil“ bzw. eine Baugruppe erreicht werden, das/die innerhalb der Fertigungs-Toleranzgrenzen liegt, indem eine Gegensteuerung bei der Positionierung und beim Spannen der Einzelteile errechnet und deren Auswirkungen im Fügeverfahren inline modelliert werden. Die Menge des Ausschusses kann damit vorteilhaft verringert werden.
Bevorzugte Eingangsparameter, um einen solchen Korrekturhinweis zu produzieren, sind neben den Bauteilgeometrien, Materialeigenschaften der Bauteile, Fügearten sowie Messdaten insbesondere Daten zur Ist-Geometrie der Einzelteile.
In Simulationen, begleitet durch empirische Versuche, konnte festgestellt werden, dass nicht nur die punktuelle Abweichung an ausgewählten Punkten, sondern auch die Flächenneigung der Einzelteile bzw. der gefügten Baugruppe wichtig ist, da erst darüber die abweichende Form durch die Simulation verlässlich abgebildet werden kann. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass es günstig ist die Einzelteile nur unverspannt zu messen, da bei zur Messung aufgenommenen Bauteilen Maßabweichungen oft durch die zusätzlichen Spanner „gerade gebügelt“ und nicht erkennbar sind.
Die Berechnung der notwendigen Korrekturmaßnahme stellt einen Optimierungsansatz für ein Mehrgrößensystem dar. Über mehrere veränderbare Parameter, z.B. Position der Spannwerkzeuge und restlicher Aufnahmegeometrie, ist ein Optimum an mehreren Stellen einer gefügten Baugruppe zu finden, z.B. eine Lage eines ersten ZSB-Messpunkts in einer ersten Richtung Z, eine Lage eines zweiten ZSB-Messpunkts in einer zweiten Richtung Y usw. Vorteilhaft kann berücksichtigt werden, dass sich die Bauteil-Steifigkeit je nach aktueller Geometrieabweichung verändern kann, so dass eine lokal veränderte Steifigkeit der Einzelteile und/oder der gefügten Baugruppe bei der Simulation berücksichtigt wird. Hintergrund ist, dass festgestellt wurde, dass bei einigen Geometrien von Bauteilen selbst im Bereich der Bauteiltoleranzen eine kleine Veränderung der Geometrie eine nicht vernachlässigbare Auswirkung auf die Bauteilsteifigkeit erzeugt und somit zweckmäßigerweise von der Berechnungsroutine zu berücksichtigen ist. Zwar steigt die Komplexität der verwendeten Bauteilsteifigkeitsmatrizen, jedoch wird die Qualität der Simulationsergebnisse deutlich erhöht.
Eine erfindungsgemäße Korrekturberechnung ergibt eine numerische Prognose des Rücksprungs nach dem Fügen und Entspannen, begleitet von einer Optimierungsroutine zur Findung der Korrekturlage, d.h. einer korrigierten Spannposition, für die Aufnahme- und Spanngeometrie der Spann- und/oder Fügewerkzeuge.
Vorteilhaft kann ausgehend von der vermessenen Geometrie der zu fügenden Einzelteile der Fügevorgang für den Zusammenbau mittels der Finite Elemente Methode nachgebildet werden und anschließend simuliert werden. Bei diesem Ansatz ist zweckmäßigerweise darauf zu achten, dass die Steifigkeiten der Baugruppe sowie der Einzelteile veränderbar, d.h. lageabhängig dargestellt werden.
Das Ergebnis stellt die Größe der Rücksprünge an den interessierenden Stellen dar. Der letzte Schritt ist dann eine Optimumfindung für die Zielfunktion in Abhängigkeit von den zu veränderbaren Parameter, d.h. ein Verstellweg zumindest der Spannwerkzeuge. Sobald die rechnerische Optimierung abgeschlossen und der Verstellwert für die Spanngeometrie gefunden worden ist, wird das Signal generiert, wo und zu welchem Betrag die Korrektur physisch vorzunehmen ist. Als möglichen Ansatz für die Optimierungsroutine kann die Summe der kleinsten Quadrate der mathematisch beschriebenen Zielfunktionen dienen.
Der Betrag zur Korrektur der Spannposition kann dann aus der Bedingung zur Minimierung einer Abweichung der Rücksprungslage gegenüber der Nominallage abgeleitet werden.
Die simulierte Rücksprungposition kann für jeden Fügebereich der Einzelteile als Funktion einer oder mehreren gewählten Spannpositionen bestimmt werden. Dabei kann bevorzugt für alle gewählten Spannpositionen jedes Fügebereichs eine korrigierte Spannposition bestimmt werden, für den die Funktion ein vorgegebenes Optimum erreicht.
Zweckmäßigerweise wird als Reaktion auf fertigungsbedingte abweichender Geometrie des Bauteils eine dynamische Steifigkeitsmatrix je Einzelteil erzeugt werden, welche dynamisch jeweils die wechselnde Steifigkeit berücksichtigen kann mit dem Effekt einer hohen Genauigkeit.
Bei einem simulierten Verspannen der Einzelteile in der Fügevorrichtung kann eine hierzu notwendige Energie berechnet werden; bei einem simulierten Lösen des oder der Spannwerkzeuge und/oder Fügewerkzeuge kann die geleistete Arbeit als Energie an der Spannposition angewendet werden, bis der Rücksprung in eine Rücksprungposition abgeschlossen ist.
Eine bevorzugte Fügevorrichtung weist eine Recheneinheit auf, die zur Durchführung wenigstens eines Merkmals des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Vorteilhaft kann bereits in der Phase der Serienkonstruktion eine optimale Anordnung und Anzahl der Aufnahme- und Spannelemente mittels Optimierungsroutine bestimmt werden. Bei einem Einsatz in der Produktionsphase kann das Verfahren, gekoppelt an eine Vorrichtung, das Servicepersonal entlasten, indem es die Korrekturberechnung und anschließend die Korrektur selbstständig und online durchführt.
Im Produktionsanlauf kann erfindungsgemäß die Qualität der Baugruppen deutlich gesteigert werden, indem automatisch die Größe der Aufnahme- und Spannpunkte-Korrekturen erkannt und durch gezielte Eingriffe die Baugruppen-Maßabweichungen reduziert werden können. Vorteilhafte Aspekte des Daten-Inputs, aber auch günstige Anforderungen an die Berechnungsroutine, wie die Berücksichtigung einer variablen Steifigkeit der Baugruppe wurden ebenfalls aufgezeigt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen in schematischer Darstellung:

1 ein Flussdiagramm mit einer bevorzugten Berechnungsroutine eines bevorzugten Verfahrens;
2 ein Einzelteilpaar vor einem Spann- und Fügevorgang;
3 eine Erläuterung verschiedener Parameter des Verfahrens anhand eines Einzelteils;
4a,4b Erläuterung verschiedener Parameter des Verfahrens mit einer Schweißzange als Spannwerkzeug während des Fügens (a) und nach dem Fügen mit einem Rücksprung des Fügebereichs in eine neue Position (b);
5a, b einen Fügevorgang in einer Spannposition (a) und eine gefügte Baugruppe (b);
5c ein gefügtes Bauteil mit zwei ausgewählten Merkmalen; und
6 ein Schaubild eines funktionalen Zusammenhangs zwischen Position und lageabhängiger Steifigkeit eines Bauteils.

Gleiche Elemente werden in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Spann- und/oder Fügewerkzeuge sind zusammenfassend teilweise als Betriebsmittel bezeichnet. Ferner kann z.B. eine Schweißzange sowohl ein Spann- als auch ein Fügewerkzeug darstellen. Die Spannwerkzeuge weisen verstellbare Spannstellen auf, die Spannpositionen einnehmen. Die Fügewerkzeuge weisen verstellbare Fügestellen auf, die Fügepositionen einnehmen.
1 zeigt zur Erläuterung der Erfindung für einen vereinfachten Fall ein Flussdiagramm 100 mit einer bevorzugten Berechnungsroutine. In Schritt 102 werden Einzelteile einer späteren Baugruppe in eine Füge- und Spannvorrichtung eingelegt. Eine Ist-Geometrie der Einzelteilformen wird in Schritt 104, 104b ermittelt. Ferner werden n zu optimierende ZSB-Merkmale (features), wie Bereiche an denen Anschlussstellen für andere Bauteile liegen, definiert (104a), zur Vereinfachung hier Fügebereiche. Im allgemeinen sind diese Merkmale nicht notwendigerweise Fügebereiche. Bei mehreren Merkmalen bezeichnet Vbi alle Betriebsmittellagen.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Ist-Geometrie in unverspanntem Zustand der Einzelteile. In Schritt 106 wird ein Soll-Einzelteilnetz (Soll-Geometrie) an die Ist-Geometrie des Bauteils bzw. der Bauteile angepasst und eine Bauteilvernetzung erzeugt. Bevorzugt umfasst die Bauteilvernetzung x Finite Elemente (106a) und mit vorzugsweise einer dynamischen Steifigkeitsmatrix (106b), um eine lageabhängige Steifigkeit der Einzelteile bzw. des Bauteils zu berücksichtigen.
In Schritt 108 werden in einer numerischen Simulation Einzelteile verspannt, wobei die Geometrie der Spann- und/oder Fügewerkzeuge, z.B. Spanner und Schweißzangengeometrie vorliegt (108a). Entsprechend der Vereinfachung bezeichnet Vbi Betriebsmittellagen der Merkmale, d.h. die Position eines Fügebereichs beim Fügen und bildet für die Einzelteile jeweils deren Spannposition. In der Simulation wird die zum Verspannen aller Einzelteile notwendige Arbeit W_E berechnet.
In Schritt 110 werden in der Simulation die Einzelteile gefügt und in Schritt 112 alle Spannwerkzeuge gelöst. Die Baugruppe springt in Schritt 114 zurück. In der Simulation wird die Arbeit W_E an den Bauteil-Spannpositionen (ZSB-Spannpositionen) solange eingeleitet, bis der Rücksprung abgeschlossen ist (114a). Die neue Lage (Rücksprungposition Vri) des Merkmals ergibt sich als Differenz zwischen der Betriebsmittellage Vbi und dem ZSB-Rücksprung (114b).
Die resultierende Lage des Bauteils bzw. der Bauteilgruppe (Rücksprungposition Vri) in jedem Fügebereich nach dem Rücksprung wird als Funktion der gewählten Betriebsmittellage Vri(Vbi), etwa des Spannwerkzeugs/der Schweißzange ermittelt (114c). Bei mehreren ausgewählten Merkmalen ist es Optimierungsaufgabe für alle Betriebsmittellagen Vbi der ausgewählten Merkmale ein Optimum Vboi zu bestimmen (114d).
Schließlich erfolgt in Schritt 116 nun ein physisches Verspannen der Einzelteile in den mittels der Simulation bestimmten optimierten Spannpositionen Vboi, wobei die Gesamtheit aller errechneten Stellgrößen Vboi vorliegt (116a). In Schritt 118 werden die Einzelteile gefügt und in Schritt 120 alle Spannwerkzeuge gelöst. In Schritt 123 erfolgt der kontrollierte Rücksprung des gefügten Bauteils. Die Optimierung ist in Schritt 124 beendet.
Im allgemeinen Fall können die ausgewählten Merkmale einer Baugruppe nach dem Fügen und Entspannen durch Rücksprünge von Spannpositionen (VrOi), die nicht Betriebsmittellagen sind, Rücksprungpositionen (Vri) einnehmen. Im allgemeinen Fall ist daher der Rücksprung bzw. die resultierende Lage als Vri(Vr0i) zu ermitteln und die Optimierungsaufgabe für alle VrOi zu lösen.
Zur Veranschaulichung in einem einfachen Fall zeigt 2 ein Einzelteilpaar vor einem Spann- und Fügevorgang. Als Fügeart kann z. B. Schweißen, Schrauben, Nieten eingesetzt werden.
Ein erstes Einzelteil 20 und ein zweites Einzelteil 22 sollen mit einem Spannwerkzeug gespannt und einem Fügewerkzeug, insgesamt mit 50 bezeichnet, mit ihren Fügeoberflächen 30 miteinander gefügt werden. In den Ausführungsbeispielen wird beispielhaft mit einer Schweißzange 50 mit zwei Schweißelektroden 52, 54 gespannt und geschweißt.
Das ausgewählte Merkmal ist hier ein Fügebereich. Der Fügebereich an den freien Enden der Einzelteile 20, 22 befindet sich beim Fügen in einer Betriebsmittellage zwischen den Schweißelektroden 52, 54. Die Einzelteile 20, 22 sind an ihren den freien Enden entgegengesetzten Enden an Fixierbereichen 24, 26 festgelegt. Diese Fixierbereiche sind im allgemeinen Auflagebereiche der Spannvorrichtung.
3 dient zur Erläuterung verschiedener Parameter des Verfahrens anhand eines Einzelteils 20. Das Einzel- bzw. Bauteil 20 wird in die Fügevorrichtung eingesetzt und vorzugsweise im ungespannten Zustand vermessen. An seiner Fügeoberfläche 30 werden Messpunkte 30a, 30b, 30c, 30d, 30e vermessen, um deren Querabweichung Ve1, Ve2, Ve3, Ve4, Ve5 von einer Nennlage Ne sowie die im jeweiligen Messpunkt 30a, 30b, 30c, 30d, 30e vorhandene Neigung fe1, fe2, fe3, fe4, fe5 zu messen, wobei z.B. der Messpunkt 30e einen Abstand Ve5 von der Nennlage Ne und eine Neigung fe5 und der Messpunkt 30b einen Abstand Ve2 und eine Neigung fe2 aufweist. Damit kann die Ist-Geometrie der Einzelteile 20, 22 erfasst werden. Da der Messpunkt 30e vom Fixierbereich 24 des Bauteils 20 am weitesten entfernt ist, weist dieser beispielhaft den größten Abstand Ve5 und die größte Neigung fe5 auf. Vb beschreibt den Abstand der Betriebsmittellage von der Nennlage Ne; sind mehrere Fügebereiche und mehrere Betriebsmittel (Spanner und/oder Fügewerkzeuge) am Bauteil vorgesehen, wird wie erwähnt ein Index i zugefügt, so dass Vbi alle Betriebsmittellagen bezeichnet. Als Nennlage Ne wird hier der Schnittpunkt der Fügeoberfläche 30 mit dem Fixierbereich 24 am Messpunkt 30a bezeichnet.
Günstig ist, wenn die Teilmessdaten in einem Feinraster, erfasst werden, das so fein ist, dass eine Abweichung in der Ist-Geometrie in die Simulation unverfälscht aufgenommen werden kann, so dass für einen nominell geraden Balken mindestens drei Punkte zu vermessen sind. Besonders günstig ist dabei eine Flächenerfassung der Einzelteile 20, 22. Die gezeigten Messpunkte 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f können z.B. Knoten eines Messrasters oder -netzes darstellen, das in Längs- und Querrichtung über die Fügeoberfläche 30 ausgebreitet wird. Die Messpunkte 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f sind mit ebenen Flächen verbunden, welche näherungsweise die Fügeoberfläche 30 darstellen (s. 4a, 4b). Die Messpunkte 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f dienen zur Abstandsbestimmung von einer definierten Nennlage Ne oder einer definierten Nominalebene. Weiterhin sind die aktuellen Messdaten der Betriebsmittel gegenüber einem Sollwert zu erfassen.
Die Soll-Geometrie der Einzelteile 20, 22 und der gefügten Baugruppe d.h. im ZSB, ist Eingangsparameter sowie die Bauteile- bzw. Einzelteile-Materialeigenschaften der Simulation.
Das bevorzugte Verfahren sieht vor, dass in der Simulation eine Optimum-Bedingung erreicht wird. Je nach aktuellen Gegebenheiten kann eine Optimum-Bedingung lauten, dass z.B. zwei ausgewählte Merkmale der Baugruppe eine minimale Abweichung zu einer Nominalposition aufweisen. Ist die Optimum-Bedingung erfüllt, werden Spann- und/oder Fügewerkzeuge in die jeweilige korrigierte physische Position gebracht und die Einzelteile gefügt.
4a zeigt eine Prinzipdarstellung mit einem Werkzeug 50 in Form einer Schweißzange beim Fügevorgang und als ausgewählten Merkmal einen Fügebereich in einer Betriebsmittellage Vb, wobei die Schweißzange zum Spannen und zum Fügen von zu fügenden Einzelteilen 20, 22 einer Baugruppe dient. Die Bezugszeichen 30a - 30h bezeichnen zugleich Knoten für eine finite Elemente Rechnung. Die finiten Elemente sind jeweils zwischen den Knoten angeordnet.
4b zeigt die Baugruppe im entspannten Zustand, die nach dem Fügen mit einem Rücksprung R in eine neue Lage (Rücksprungposition Vr) zurückgesprungen ist. Die Einzelteile 20, 22 sind beim Fügen zwischen den Elektroden 52, 54 der Schweißzange gespannt; der gemeinsame Messpunkt 30d,e bildet den Fügebereich 60. Ein Abstand Vbi bezeichnet die Betriebsmittellage des Fügebereichs 60 bzw. des Werkzeugs 50.
Beim Spannen in der Simulation kann das Werkzeug 50 verschoben und verdreht werden, was durch gekrümmte Pfeile am Werkzeug 50 angedeutet ist.
Es ist im vorliegenden einfachen Beispiel nur eine Schweißzange als Spann- und Fügewerkzeug 50 vorhanden, daher ist in diesem Beispiel Vbi=Vb und Vri=Vr.
Beim Spannen der Einzelteile 20, 22 in die Position Vb wird eine Arbeit W_E verrichtet. Die neue Lage (Rücksprungposition Vr) ergibt sich als Differenz zwischen der Betriebsmittellage Vb und dem ZSB-Rücksprung R.
Die Energie bzw. Arbeit W_E beim Spannen ist bekannt: $W_{E} = \int_{V b}^{V r} F (v) d v$
wobei F (v) die von der Querabweichung abhängige Kraft bezeichnet. Die Energie bzw. Arbeit W_E steht beim Rücksprung R der Baugruppe zur Verfügung. In der Simulation kann die Energie solange in die ZSB-Spannposition Vb eingeleitet werden, bis der ZSB-Rücksprung abgeschlossen ist. Da die Energie bzw. Arbeit W_E bekannt ist, lässt sich die neue Knotenlage errechnen. Dies wird für jede entsprechende Knotenlage durchgeführt.
Die neue Lage (Rücksprungposition Vri) kann als Funktion der Betriebsmittellage Vbi dargestellt werden mit Vri=f(Vbi).
Vorzugsweise wird als Optimum im ZSB eine minimale Abweichung der Lagen (Rücksprungpositionen Vri) von einer Nominalposition definiert und das Optimum somit bei Vb=Vbo gefunden. Nunmehr kann das Spannwerkzeug 50 auf die physische Position Vbo eingestellt werden. Dies ist in den 5a und 5b dargestellt, wobei zur Erläuterung der einzelnen Komponenten zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen auf die vorstehenden Zeichnungsbeschreibungen verwiesen wird. Einzelteile und Werkzeuge sind in der Position Vbo gestrichelt dargestellt.
Durch die in der Simulation gefundene optimale Betriebsmittellage Vbo können die Einzelteile 20, 22 in der entsprechenden physischen Lage gefügt werden. Nach dem Entspannen der aus den Einzelteilen 20, 22 gefügten Baugruppe kann diese definiert in eine Lage (Rücksprungposition Vr) zurückspringen.
Für den Fall von mehr als einem ausgewählten Merkmal verallgemeinert sich das dargestellte Vorgehen entsprechend. Beispielsweise ist bei zwei Blechen Blech 1 und Blech 2, zwei ausgewählten Merkmalen 1, 2 mit Querlagen Φ₁ = f1 (Vb1, Vb2) und Φ₂ = f2 (Vb1, Vb2) und zwei Spannstellen mit den Spannpositionen Vb1 und Vb2, wie in 5c veranschaulicht, eine Optimumbedingung $0 = \frac{\partial}{\partial V b_{1}} ƒ_{1}^{2} (V b_{1}, V b_{2}) + \frac{\partial}{\partial V b_{2}} ƒ_{2}^{2} (V b_{1}, V b_{2}),$
die einem Minimum der Abweichung der Lage der Merkmale von einer Nonimalposition entsprechen.
Besonders vorteilhaft ist es, bei der Simulation neben der Arbeit W_E auch die Steifigkeit der Baugruppe 80 bzw. der Einzelteile 20, 22 zu berücksichtigen, die empfindlich vom Ort an der Baugruppe 80 bzw. Einzelteil 20, 22 abhängig ist. In 6 ist ein solcher funktionaler Zusammenhang skizziert. Hier bezeichnet tt eine auf die Länge I des Einzelteils normierte Abweichung y_m/I des Einzelteils von einer Nominallage. Die Größe ZT(tt) gibt die von tt abhängige Steifigkeit an: die Kraft in N, die erforderlich ist, um eine Verschiebung um 1mm durchzuführen. Für einen einseitig fixierten Stab zeigt ZT(tt) eine geringe Änderung über einen typischen Bereich von tt zwischen 0 und 0,006. Für einen zweiseitig fixierten Stab ergibt sich dagegen eine nicht geringe nichtlineare Änderung.
Bevorzugt kann zum Anpassen des numerischen Soll-Geometrie-Netzes eine dynamische Steifigkeitsmatrix je Einzelteil erzeugt werden, welche dynamisch die wechselnde Steifigkeit in Einzelteilen und Baugruppen berücksichtigen kann mit dem Effekt einer hohen Genauigkeit der Simulation.
Bezugszeichenliste

10: Fügevorrichtung
20: Einzelteil bzw. Bauteil
22: Einzelteil bzw. Bauteil
24: Fixierbereich
26: Fixierbereich
30: Fügeoberfläche
30a-30h: Messpunkte
50: Spannwerkzeug, Fügewerkzeug
52: Elektrode
54: Elektrode
60: Fügebereich
80: Baugruppe
100: Flussdiagramm
102: Verfahrensschritt
104: Verfahrensschritt
104a, 104b: Verfahrensschritt
106: Verfahrensschritt
106a, 106b: Verfahrensschritt
108: Verfahrensschritt
108a, 108b: Verfahrensschritt
110: Verfahrensschritt
112: Verfahrensschritt
112a: Verfahrensschritt
114: Verfahrensschritt
114a-114d: Verfahrensschritt
116: Verfahrensschritt
116a: Verfahrensschritt
118: Verfahrensschritt
120: Verfahrensschritt
123: Verfahrensschritt
124: Verfahrensschritt
Vb, Vbi: Betriebsmittellage
Vbo, Vboi: korrigierte Spannposition
Vr, Vri: Rücksprungposition
VrOi: Spannposition
R: Rücksprung
Ne: Nennlage
N: Nominalebene
WE: Arbeit
fe: Neigung
Ve: Abstand

Claims

Verfahren zur Durchführung eines Fügeprozesses in Füge- und Spannvorrichtungen mit Spann- und/oder Fügewerkzeugen, bei dem zu fügende Einzelteile (20, 22) in einem Fügevorgang durch Verformung mittels verstellbarer Spann- und Fügestellen der Spann- und/oder Fügewerkzeuge zu einer Baugruppe (80) gefügt werden mit Hilfe einer Simulation, gekennzeichnet durch: - Ermittlung einer Ist-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22); - in einem numerischen Simulations-Modell Vorgabe einer Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22), einer Soll-Geometrie der gefügten Baugruppe (80) und von ausgewählten Merkmalen der Baugruppe (80), die nach dem Fügen und Entspannen durch Rücksprünge von Spannpositionen (VrOi) jeweils Rücksprungpositionen (Vri) einnehmen können; - Bestimmung einer Formabweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22); und - Simulation des Fügevorgangs bei dem zu fügende Einzelteile (20, 22) durch Verformung an den verstellbaren Spann- und Fügestellen der Spann- und/oder Fügewerkzeuge zu einer Baugruppe (80) gefügt werden, unter Berücksichtigung a) der Formabweichung, b) der in die Einzelteile (20, 22) zur Verformung in die Fügepositionen eingeleiteten Energie zur Ermittlung der Rücksprungpositionen (Vri) der ausgewählten Merkmale nach erfolgtem Fügen; - in Abhängigkeit von vorgegebenen Rücksprungpositionen (Vri) Ermittlung von zu korrigierenden Spannpositionen der Spannstellen und zu korrigierenden Fügepositionen der Fügestellen; - für vorgegebene Rücksprünge physisches Positionieren der Einzelteile (20, 22) an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Spannpositionen; - physisches Spannen der Einzelteile (20, 22) mittels der Spannwerkzeuge; - physisches Fügen der Einzelteile (20, 22) mittels der Fügewerkzeuge an entsprechend der Simulation korrigierten physischen Fügepositionen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation eine Optimierung der Rücksprungpositionen (Vri) umfasst, bei der eine Korrekturgrösse für die Spannpositionen der Spannstellen und Fügepositionen der Fügepositionen aus der Bedingung des Minimums einer Abweichung der Rücksprungpositionen (Vri) der ausgewählten Merkmale von einer Nominalposition der ausgewählten Merkmale abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Berücksichtigen von lokal veränderlichen Steifigkeiten der zu fügenden Einzelteile (20, 22) der Baugruppe (80) in der Simulation des Fügevorgangs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügevorgang mittels einer Finite Elemente Methode nachgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Findung des Optimums mittels der Summe der kleinsten Quadrate einer Zielfunktion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Simulation die Rücksprungpositionen (Vri) mittels der Energie als Funktion der Spannpositionen (VrOi) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügebereich (60) als ausgewähltes Merkmal verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung eines numerischen Soll-Geometrie-Netzes eine dynamische Steifigkeitsmatrix je Einzelteil (20, 22) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Simulation zum Verspannen der Einzelteile (20, 22) in Spannpositionen eine zum Verspannen aller Einzelteile (20, 22) notwendige Arbeit (W_E) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem simulierten Lösen des oder der Spann- und/oder Fügewerkzeuge (50) die geleistete Arbeit (W_E) als Energie an der Spannposition angewendet wird, bis der Rücksprung in eine Rücksprungposition (Vr) abgeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Ist-Geometrie der zu fügenden Einzelteile (20, 22) in der Füge- und/oder Spannvorrichtung (10) in unverspanntem Zustand erfolgt.
Füge- und Spannvorrichtung mit einer Recheneinheit, die zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgelegt ist.