DE102013000387B4 - Joining device with C-shaped frame and yielding die for pre-punch-free joining of components by means of kraftimpulsbeaufschlagtem joining element, and die holder and handling device therefor - Google Patents

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Abstract

Fügevorrichtung (100) zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen (210, 220) mittels Fügeelement (300), das in einer axialen Fügerichtung (L) mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile (210, 220) eingetrieben wird, mit einem C-förmigen Rahmen (110) der zwei sich gegenüberliegende Rahmenschenkel (112, 114) aufweist, zwischen denen die zu fügenden Bauteile (210, 220) positioniert werden, und mit einem Setzwerkzeug (130) und einer Matrize (140), die sich gegenüberliegend an den Rahmenschenkeln (112, 114) angeordnet sind, wobei die Matrize (140) gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) in der Fügerichtung (D) des Fügeelements (300) nachgiebig gelagert und somit gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) bedingt entkoppelt ist, so dass der beim Eintreiben des Fügeelements (300) von der Matrize (140) aufgenommene Restfügeimpuls nur teilweise und/oder nur mit zeitlichem Versatz auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (140) mit einem Matrizenhalter (150) am matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) angeordnet ist, wobei die Matrize (140) zum Matrizenhalter (150) relativbeweglich ist und/oder der Matrizenhalter (150) zum matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) relativbeweglich ist, und dass an der Matrize (140) und/oder am Matrizenhalter (150) zur Erhöhung der Bewegungsträgheit wenigstens eine als separater Massekörper (159) ausgebildete Zusatzmasse angeordnet ist, welcher austauschbar ausgebildet ist, um dadurch eine individuelle Anpassung an den Fügevorgang zu ermöglichen.Joining device (100) for pre-hole-free joining of at least two components (210, 220) by means of a joining element (300), which is driven in an axial joining direction (L) with a burst-like joining pulse in the components to be joined (210, 220), with a C. - shaped frame (110) of the two opposing frame legs (112, 114), between which the components to be joined (210, 220) are positioned, and with a setting tool (130) and a die (140) facing each other the frame legs (112, 114) are arranged, wherein the die (140) relative to the die-side frame leg (112) in the joining direction (D) of the joining element (300) resiliently and thus decoupled conditionally relative to the die-side frame leg (112), so in that the residual joining pulse picked up by the matrix (140) when driving in the joining element (300) only partially and / or only with a temporal offset on the die-side frame leg (112) is carrying, characterized in that the die (140) is arranged with a die holder (150) on the die-side frame leg (112), wherein the die (140) to the die holder (150) is relatively movable and / or the die holder (150) to the die side Frame leg (112) is relatively movable, and that at least one as a separate mass body (159) formed additional mass is arranged on the die (140) and / or the die holder (150) to increase the inertia at least, which is designed to be interchangeable, thereby an individual adaptation to allow the joining process.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen mittels Fügeelement das (an einer Fügestelle) in einer axialen Fügerichtung mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile eingetrieben wird, mit einem C-förmigen Rahmen der zwei sich gegenüberliegende Rahmenschenkel aufweist, zwischen denen die zu fügenden Bauteile während des Fügevorgangs positioniert werden, und mit einem Setzwerkzeug und einer Matrize, die sich gegenüberliegend an den Rahmenschenkeln des Rahmens angeordnet sind.The invention relates to a joining device for the pre-hole-free joining of at least two components by means of joining element which is driven (at a joint) in an axial joining direction with a jerky joining pulse in the components to be joined, with a C-shaped frame of the two opposing frame legs, between wherein the components to be joined are positioned during the joining operation, and with a setting tool and a die, which are arranged opposite to the frame legs of the frame.

Die Erfindung betrifft ferner einen Matrizenhalter zur Verwendung an einer solchen Fügevorrichtung und eine Handhabungsvorrichtung, wie insbesondere einen Mehrachs-Fertigungsroboter, mit einer solchen Fügevorrichtung.The invention further relates to a die holder for use on such a joining device and a handling device, in particular a multi-axis manufacturing robot, with such a joining device.

Eine Fügevorrichtung der eingangs genannten Art dient dem mechanischen Verbinden von Bauteilen mit Hilfe wenigstens eines Fügeelements bzw. Fügehilfsteils bei zweiseitiger Fügestellenzugänglichkeit. Das Fügen der Bauteile erfolgt an einer vorgesehenen Fügestelle ohne Vorlochen, wozu die Bauteile sich überlappend zwischen den Rahmenschenkeln des C-förmigen Rahmens positioniert werden und anschließend das Fügeelement mit dem Setzwerkzeug gegen die Matrize in die zu fügenden Bauteile eingetrieben und hierdurch eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Fügeverbindung erzeugt wird. Hierbei werden die auftretenden Fügekräfte, zuweilen im zwei- bis dreistelligen kN-Bereich, vom C-förmigen Rahmen aufgenommen. Die zu fügenden Bauteile können an mehreren Fügestellen nacheinander mit derselben Fügevorrichtung gefügt werden. Die Verfahrbewegungen können mit einem Fertigungsroboter oder dergleichen bewerkstelligt werden, an dem die Fügevorrichtung angebunden ist.A joining device of the type mentioned above is used for the mechanical connection of components with the help of at least one joining element or joining auxiliary part with two-sided Fügestellenzugänglichkeit. The joining of the components takes place at a provided joint without pre-punching, to which the components are positioned overlapping between the frame legs of the C-shaped frame and then driven the joining element with the setting tool against the die in the components to be joined and thereby a positive and / or non-positive joint connection is generated. In this case, the joining forces occurring, sometimes in the two- to three-digit kN range, are absorbed by the C-shaped frame. The components to be joined can be joined at several joints one after the other with the same joining device. The movements can be accomplished with a manufacturing robot or the like, to which the joining device is connected.

Ist eines der zu fügenden Bauteile aus einem höherfesten Werkstoff gebildet sind hohe Fügekräfte erforderlich, die vom Setzwerkzeug gegen die Matrize aufgebracht werden müssen. Auch andere Randbedingungen können zu hohen Fügekräften führen. Um hohe Fügekräfte aufzunehmen, muss der C-förmige Rahmen steif ausgeführt sein, wodurch dieser entweder schwer und massig und/oder sperrig und unhandlich (aufgrund von störenden Versteifungskonturen bzw. Störkonturen) ist. Ferner muss auch die Krafterzeugungseinrichtung des Setzwerkzeugs für eine solche hohe Fügekraft ausgelegt sein, was ebenfalls eine schwere Bauweise bedingt. Abhilfe bieten hier Fügevorrichtungen bei denen das Fügeelement mit einem vom Setzgerät bzw. Setzwerkzeug erzeugten Kraftimpuls (im Folgenden als Fügeimpuls bezeichnet) an der Fügestelle mit einer hohen Geschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eindringt, wobei die Fügeverbindung innerhalb weniger Millisekunden herbeigeführt wird.Is one of the components to be joined formed from a high-strength material high joining forces are required, which must be applied by the setting tool against the die. Other boundary conditions can lead to high joining forces. To accommodate high joining forces, the C-shaped frame must be rigid, making it either heavy and bulky and / or bulky and unwieldy (due to disturbing stiffening contours or interference contours). Furthermore, the force-generating device of the setting tool must be designed for such a high joining force, which also requires a heavy construction. A remedy here are joining devices in which the joining element with a force pulse generated by the setting tool or setting tool (referred to as joining pulse hereinafter) penetrates at the joint at a high speed into the components to be joined, wherein the joint connection is brought about within a few milliseconds.

Zum Stand der Technik wird auf die Patentschriften DE 10 2005 054 242 A1 und DE 10 2005 038 973 A1 derselben Anmelderin verwiesen. Nächstliegender Stand der Technik ist die DE 197 29 368 A1 , die eine Vorrichtung und ein Verfahren zum mechanischen Fügen von aufeinanderliegenden Blechen beschreibt. Um die Fügewerkzeuge leichter handhabbar zu machen, werden die Reaktionskräfte des Fügevorgangs verringert, indem ein Fügewerkzeug in eine Frequenz erregt wird, die über der Eigenfrequenz des gegenüberliegenden Fügewerkzeugs liegt, wobei die Lagerung zumindest eines Fügewerkzeugs schwingungsisoliert ist.The prior art is based on the patents DE 10 2005 054 242 A1 and DE 10 2005 038 973 A1 the same applicant. The closest prior art is the DE 197 29 368 A1 US-A-5 / 514,855, which describes an apparatus and method for mechanically joining superposed sheets. To make the joining tools easier to handle, the reaction forces of the joining process are reduced by a joining tool is excited in a frequency that is above the natural frequency of the opposite joining tool, the storage of at least one joining tool is vibration isolated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Fügevorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.The invention has for its object to provide a joining device of the type mentioned, which does not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only to a reduced extent.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit den nebengeordneten Ansprüchen erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf andere mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung in Zusammenhang stehende Erfindungsgegenstände, wie nachfolgend noch näher erläutert. Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.This object is achieved by a joining device according to the invention with the features of claim 1. With the independent claims, the solution of the problem extends to other with the joining device according to the invention related inventions, as explained in more detail below. Further developments and embodiments are analogous to all subjects of the invention both from the dependent claims and from the following explanations.

Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel in der Fügerichtung des Fügeelements nachgiebig gelagert bzw. gehaltert und somit gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel bedingt entkoppelt ist, so dass ein beim Eintreiben des Fügeelements in die Bauteile von der Matrize aufgenommene Restfügeimpuls nur teilweise und/oder nur mit zeitlichem Versatz auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel übertragen bzw. in den Rahmenschenkel eingeleitet wird.The joining device according to the invention is characterized in that the die with respect to the die-side frame legs in the joining direction of the joining member is flexibly mounted and retained and thus decoupled conditionally relative to the die-side frame leg, so that a received during driving of the joining element in the components of the die Restfügeimpuls only transferred partially and / or only with a time offset on the matrix side frame leg or introduced into the frame legs.

Indem bei der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung die Matrize gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel nachgiebig gelagert und somit zum matrizenseitigen Rahmenschenkel bedingt entkoppelt ist, kann der von der Matrize während des Fügevorgangs aufgenommene Restfügeimpuls nicht direkt in den matrizenseitigen Rahmenschenkel eingeleitetet werden. Vielmehr wird eine Abschwächung oder Dämpfung des aufgenommenen Restfügeimpulses und/oder vor allem auch eine zeitliche Verzögerung bei der Weitergabe des aufgenommenen Restfügeimpulses in den matrizenseitigen Rahmenschenkel erreicht. Eine Abschwächung führt dazu, dass die Auswirkungen auf das Aufweiten und/oder Aufschwingen des Rahmens minimiert werden. Eine zeitliche Verzögerung führt insbesondere dazu, dass der aufgenommene Restfügeimpuls erst am Ende oder nach dem Fügevorgang (womit hier insbesondere der eigentliche Setzvorgang beim Einbringen des Fügeelements in die Bauteile gemeint ist) in den matrizenseitigen Rahmenschenkel weitergeleitet und insbesondere in abgeschwächter Form weitergeleitet wird, so dass Aufweiten und/oder Aufschwingen des Rahmens erst zu einem hinsichtlich des Füge- bzw. Setzvorgangs unkritischen späten Zeitpunkt erfolgt.By in the joining device according to the invention, the die is resiliently mounted relative to the die-side frame leg and thus decoupled conditionally to the frame-side frame limb, the residual joining moment taken up by the die during the joining operation can not be introduced directly into the die-side frame leg. Rather, a weakening or damping of the recorded residual joining pulse and / or, above all, a time delay in the transfer of the recorded residual joining pulse into the matrix side Frame leg reached. A weakening will minimize the effects on the widening and / or swinging of the frame. A time delay leads in particular to the fact that the recorded residual joining pulse is forwarded to the matrix-side frame limb only at the end or after the joining process (which here in particular means the actual setting process when the joining element is introduced into the components) and is forwarded in particular in a weakened form, so that Widening and / or swinging of the frame only takes place at a non-critical with respect to the joining or setting process late time.

Um die mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile und insbesondere das zuvor beschriebene Aufweiten und/oder Aufschwingen des Rahmens zu vermeiden oder zumindest zu verringern wird erfindungsgemäß eine nachgiebige Anordnung (bzw. Halterung oder auch Befestigung) der Matrize am matrizenseitigen Rahmenschenkel beansprucht.In order to avoid or at least reduce the disadvantages associated with the prior art, and in particular the expansion and / or oscillation of the frame described above, according to the invention a yielding arrangement (or mounting or attachment) of the matrix on the die-side frame leg is claimed.

Unter einer nachgiebigen Anordnung (bzw. Halterung oder auch Befestigung) der Matrize wird verstanden, dass diese in Fügerichtung und auch entgegen der Fügerichtung gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel relativbeweglich und in axialer Fügerichtung längsbeweglich gelagert ist, wobei die Relativbeweglichkeit bzw. Längsbeweglichkeit begrenzt ist, was bspw. durch Anschläge, Federwege oder dergleichen bewerkstelligt ist. Durch die Relativbeweglichkeit bzw. Längsbeweglichkeit ist eine bedingte, d. h. in Grenzen vorgegebene, Entkopplung der Matrize gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel herbeigeführt.Under a resilient arrangement (or mounting or attachment) of the die is understood that this is mounted longitudinally movable in the joining direction and against the joining direction relative to the die-side frame leg and longitudinally movable in the axial joining direction, the relative mobility or longitudinal movement is limited, which, for example ., Is accomplished by stops, spring travel or the like. Due to the relative mobility or longitudinal mobility is a conditional, d. H. limited, decoupling of the die relative to the die-side frame leg brought about.

Die Erfindung gemäß Anspruch 1 sieht weiterhin vor, dass die Matrize der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung mittels eines Matrizenhalters am matrizenseitigen Rahmenschenkel angeordnet ist, wobei die Matrize zum Matrizenhalter relativbeweglich ist und/oder der Matrizenhalter zum matrizenseitigen Rahmenschenkel relativbeweglich ist. Letzteres ermöglicht eine einstückige Ausbildung von Matrize und Matrizenhalter.The invention according to claim 1 further provides that the die of the joining device according to the invention is arranged by means of a die holder on the die-side frame legs, wherein the die is relatively movable to the die holder and / or the die holder is relatively movable to the die-side frame leg. The latter allows a one-piece design of die and die holder.

Ferner sieht die Erfindung vor, dass an der Matrize und/oder am Matrizenhalter wenigstens eine als separater Massekörper ausgebildete Zusatzmasse angeordnet ist, um die Bewegungsträgheit zu erhöhen, wobei die Zusatzmasse austauschbar ausgebildet ist.Furthermore, the invention provides that at least one additional mass designed as a separate mass body is arranged on the matrix and / or on the die holder, in order to increase the inertia of movement, wherein the additional mass is designed to be exchangeable.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Fügevorrichtung für die Anbindung an einen Mehrachs-Fertigungsroboter vorgesehen ist und ein entsprechendes Anschlusselement bzw. einen Flanschabschnitt oder dergleichen aufweist.It is preferably provided that the joining device according to the invention is provided for the connection to a multi-axis manufacturing robot and has a corresponding connection element or a flange portion or the like.

Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung kann mit verschiedenen Fügeelementarten betrieben werden, wobei das Setzwerkzeug und die Matrize jeweils dementsprechend ausgestaltet sind. Bei einem Fügeelement handelt es sich insbesondere um einen Niet, insbesondere einen Vollstanzniet oder Hohlstanzniet, ein Widerstandsschweißelement, ein nagelförmiges Fügeelement oder dergleichen.The joining device according to the invention can be operated with different joining element types, wherein the setting tool and the die are respectively designed accordingly. A joining element is in particular a rivet, in particular a solid rivet or hollow punch rivet, a resistance welding element, a nail-shaped joining element or the like.

Bei den zu fügenden Bauteilen handelt es sich bspw. um (metallische) Blechbauteile oder blechähnliche Bauteile aus Kunststoff und Kunststoffverbundmaterial (bspw. CFK), metallische und nicht-metallische Profilteile, Metallgussteile, Kunststoffgussteile und dergleichen, in beliebiger Kombination (Mischbau). Insbesondere handelt es sich um Karosseriebauteile für eine Fahrzeugkarosserie. Die Erfindung ermöglicht eine großserientaugliche Mischbaufügetechnik mit kurzen Taktzeiten. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bauteile zusätzlich miteinander verklebt werden. An einer Fügestelle können zwei oder mehr Bauteile mit einem Fügeelement gefügt werden. Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung kann auch zum mechanischen Anbinden eines Fügeelements an einem einzelnen Bauteil verwendet werden, bspw. zum Einstanzen einer Stanzmutter, eines Stanzbolzens oder dergleichen. Die erfindungsgemäße Fügevorrichtung ist auch für reine Schneid- oder Stanzprozesse verwendbar.In the components to be joined are, for example, to (metallic) sheet metal components or sheet metal-like components made of plastic and plastic composite material (eg. CFK), metallic and non-metallic profile parts, metal castings, plastic castings and the like, in any combination (mixed construction). In particular, it is body parts for a vehicle body. The invention enables a mass production suitable mixing construction technique with short cycle times. It is preferably provided that the components are additionally glued together. At a joint, two or more components can be joined with one joining element. The joining device according to the invention can also be used for the mechanical binding of a joining element to a single component, for example for punching a punching nut, a punched bolt or the like. The joining device according to the invention can also be used for pure cutting or punching processes.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens eines der zu fügenden Bauteile aus einem höherfesten Werkstoff und insbesondere aus einem höherfesten Stahlblechmaterial, wie bspw. einem pressgehärteten Stahlblech, gebildet ist. Unter einem höherfesten Werkstoff wird vorrangig ein Werkstoff verstanden, der eine Zugfestigkeit von mindestens 800 MPa und insbesondere von mindestens 1000 MPa aufweist. Ein pressgehärtetes Stahlblechmaterial kann eine Zugfestigkeit von bis zu 1500 MPa und mehr aufweisen.It is preferably provided that at least one of the components to be joined is formed from a high-strength material and in particular from a high-strength steel sheet material, such as, for example, a press-hardened steel sheet. A higher-strength material is primarily understood as meaning a material which has a tensile strength of at least 800 MPa and in particular of at least 1000 MPa. A press-hardened steel sheet material may have a tensile strength of up to 1500 MPa and more.

Zum Fügen bzw. Verbinden der Bauteile wird das Fügeelement durch das Setzwerkzeug mit einem stoßartigen Fügeimpuls beaufschlagt und in einer ausschließlich axialen Fügebewegung an der Fügestelle mit hoher Auftreffgeschwindigkeit in die zu fügenden Bauteile eingetrieben. Bevorzugt liegt die Auftreffgeschwindigkeit des Fügeelements im Bereich von 7 m/s [Meter pro Sekunde] bis 100 m/s. Auf diese Weise können insbesondere auch Bauteile aus höherfesten Werkstoffen ohne Vorlochen miteinander gefügt werden. Die zu fügenden Bauteile können, je nach Verfahrensvariante, an der Fügestelle von dem Fügeelement durchdrungen oder nur teilweise durchdrungen werden.For joining or joining the components, the joining element is acted upon by the setting tool with a jerky joining pulse and driven in an exclusively axial joining movement at the joint with high impact velocity in the components to be joined. Preferably, the impact velocity of the joining element is in the range of 7 m / s [meters per second] to 100 m / s. In this way, in particular components made of higher-strength materials without pre-punching can be joined together. Depending on the process variant, the components to be joined can be penetrated at the joint by the joining element or only partially penetrated.

Der mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ausführbare Fügevorgang ist einstufig. Ein Nageln (bspw. ein Stanznageln oder dergleichen) mit mehreren aufeinanderfolgenden Stößen (mittels Hammer- oder Schlagmechanismus oder dergleichen) ist nicht vorgesehen, sondern eine schlagartige oder auch schussartige Arbeitsweise, bevorzugt nach dem Kolbenschubprinzip. Der von dem Setzwerkzeug bzw. Setzgerät erzeugte stoßartige Fügeimpuls, welcher insbesondere mit einen Fügestempel oder -kolben auf das Fügeelement übertragen wird, wird durch das Auftreffen des Fügeelements und durch die stattfindende Verformung der Bauteile und des Fügeelements abgeschwächt. Der Restfügeimpuls wird von der Matrize (auch als Gegenhalter bezeichnet) aufgenommen und über den matrizenseitigen Rahmenschenkel in den C-förmigen Rahmen abgeleitet. Dies führt zu dynamischen Belastungen des Rahmens, was vor allem ein Aufbiegen bzw. Aufweiten und/oder Aufschwingen bzw. Nachschwingen des Rahmens, insbesondere an den freien Enden der Rahmenschenkel, mit erheblichen nachteiligen Einflüssen auf den Fügevorgang zur Folge haben würde.The executable with the joining device according to the invention joining process is one stage. A nailing (for example, a punching nails or the like) with several successive bumps (by means of hammer or impact mechanism or the like) is not provided, but a sudden or also shot-like operation, preferably according to the piston thrust principle. The jerky joining pulse generated by the setting tool or setting tool, which is transmitted to the joining element in particular with a joining punch or piston, is attenuated by the impact of the joining element and by the deformation of the components and the joining element taking place. The residual joining pulse is taken up by the die (also referred to as an anvil) and discharged into the C-shaped frame via the die-side frame limb. This leads to dynamic loads on the frame, which would in particular result in bending or widening and / or swinging or ringing of the frame, in particular at the free ends of the frame legs, with considerable disadvantageous influences on the joining process.

D. h. die Erfindung setzt nicht an der Gestaltung des Rahmens an, sondern geht einen anderen Weg. Damit kann auf rahmenseitige Versteifungsmaßnahmen (wie bspw. eine massive und schwere Ausführung oder eine aufwändige und sperrige Fachwerkkonstruktion) weitgehend verzichtet werden, so dass der C-förmige Rahmen der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung auch bei großer Ausladung (nutzbare Länge der Rahmenschenkel beträgt bspw. 600 mm und mehr) ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise aufweisen kann und zu einem geringen Anlagengewicht (umfassend Fertigungsroboter, Fügevorrichtung und gegebenenfalls Zusatzkomponenten) beiträgt. Insbesondere kann ein so genannter Leichtbau-C-Rahmen verwendet werden, der bspw. eine besonders leichte Fachwerkkonstruktion bzw. -struktur und/oder Rahmenteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) aufweist. Ferner können bedingt auch „weiche” C-Rahmen bzw. C-Bügel eingesetzt werden.Ie. the invention does not start with the design of the frame but takes a different approach. Thus, on the frame side stiffening measures (such as, for example, a massive and heavy design or a complex and bulky truss structure) are largely dispensed with, so that the C-shaped frame of the joining device according to the invention even with large reach (usable length of the frame legs is, for example. 600 mm and more) may have a low weight and a compact design and contributes to a low system weight (including manufacturing robot, joining device and optionally additional components). In particular, it is possible to use a so-called lightweight C-frame which, for example, has a particularly lightweight truss structure or structure and / or frame parts made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Furthermore, it is also possible to use "soft" C-frames or C-frames.

Insbesondere ist vorgesehen, dass wenigstens eine zwischen Matrize und Matrizenhalter und/oder zwischen Matrizenhalter und matrizenseitigen Rahmenschenkel wirksame Federeinrichtung vorgesehen ist, die den von der Matrize aufgenommenen Restfügeimpuls annehmen bzw. aufnehmen und zeitversetzt wieder abgeben kann.In particular, it is provided that at least one effective spring device is provided between the die and die holder and / or between the die holder and the die-side frame legs, which can accept or record the residual joining pulse received by the die and release it again with a time delay.

In bevorzugter Weise ist ergänzend zur Federeinrichtung auch wenigstens eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die zwischen der Matrize und dem Matrizenhalter und/oder zwischen dem Matrizenhalter und dem matrizenseitigen Rahmenschenkel auftretende Schwingungen dämpfen kann.In a preferred manner, at least one damping device is provided in addition to the spring device, which can dampen vibrations occurring between the die and the die holder and / or between the die holder and the die-side frame leg.

Die Federeinrichtung wandelt Bewegungsenergie in Federenergie um und umgekehrt. Bei der Federeinrichtung kann es sich bspw. um eine Spiralfeder, Tellerfeder oder dergleichen handeln. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Federeinrichtung eine Elastomerfeder ist oder zumindest eine solche Elastomerfeder umfasst. Eine Elastomerfeder vereint in sich federnde und dämpfende Eigenschaften, so dass eine eventuell vorzusehende separate Dämpfungseinrichtung nicht erforderlich ist. Eine Federeinrichtung kann mehrere Federelemente gleicher oder unterschiedlicher Art umfassen.The spring device converts kinetic energy into spring energy and vice versa. The spring device may be, for example, a coil spring, disk spring or the like. It is preferably provided that the spring device is an elastomeric spring or at least comprises such an elastomeric spring. An elastomer spring combines resilient and damping properties, so that a possibly provided separate damping device is not required. A spring device may comprise a plurality of spring elements of the same or different types.

Durch Abstimmung kann die (wenigstens eine) Federeinrichtung mit der Masse der Matrize, des Matrizenhalters und/oder wenigstens eines Massekörpers mit Zusatzmasse wenigstens ein Feder-Masse-System und insbesondere ein gedämpftes Feder-Masse-System, sofern auch (wenigstens) eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, bilden. Ein solches Feder-Masse-System kann aufgrund der gegebenen physikalischen Gesetzmäßigkeiten den zeitlichen Reaktionsverlauf nach der Aufnahme des Restfügeimpulses durch die Matrize insbesondere im Hinblick auf den Fügevorgang positiv beeinflussen. Ferner können die auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel übertragenen Reaktionskräfte erheblich reduziert werden, wodurch das Aufweiten bzw. Auffedern zwischen den Rahmenschenkeln vermindert wird.By tuning, the (at least one) spring means with the mass of the die, the die holder and / or at least one mass body with additional mass at least one spring-mass system and in particular a damped spring-mass system, if provided (at least) a damping device is, form. On the basis of the given physical laws, such a spring-mass system can have a positive influence on the temporal course of the reaction after the acceptance of the residual joining pulse by the matrix, in particular with regard to the joining process. Furthermore, the reaction forces transmitted to the die-side frame leg can be considerably reduced, whereby the expansion or rebound between the frame legs is reduced.

Je nach Größe, Bauart, Anordnung und Kombination von Federeinrichtung, Zusatzmasse und Dämpfungselement können unterschiedliche Effekte in unterschiedlichen Ausmaßen erzielt und eine individuelle Anpassung an den Fügevorgang erreicht werden. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die (wenigstens eine) Federeinrichtung, die (wenigstens eine) Dämpfungseinrichtung und/oder die (wenigstens eine) Zusatzmasse austauschbar und/oder, falls möglich, einstellbar ausgebildet sind, um die damit erzielten Effekte anpassen und insbesondere auch exakt einstellen zu können.Depending on the size, design, arrangement and combination of spring device, additional mass and damping element different effects can be achieved in different proportions and an individual adaptation to the joining process can be achieved. It is particularly preferably provided that the (at least one) spring device, the (at least one) damping device and / or the (at least one) additional mass are interchangeable and / or, if possible, adjustable in order to adjust the effects achieved and in particular also exactly to be able to adjust.

An der Matrize und/oder am Matrizenhalter kann wenigstens ein zeitlich auflösender Messsensor angeordnet sein, wobei es sich insbesondere um einen Kraftmesssensor und/oder einen Beschleunigungssensor (Beschleunigungsaufnehmer) handelt.At least one temporally resolving measuring sensor can be arranged on the matrix and / or on the die holder, which is in particular a force measuring sensor and / or an acceleration sensor (acceleration sensor).

Ein solcher Messsensor ermöglicht ein Verfahren zur automatisierten Prozessüberwachung eines mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung durchgeführten Fügevorgangs, wobei die von dem Messsensor generierten Messsignale zur Feststellung einer fehlerfreien Fügeverbindung (bzw. i. O.-Verbindung) automatisch ausgewertet werden. Das automatische Auswerten kann mit einem Computer erfolgen, wobei ein aufgenommener Kraft-Zeit-Verlauf oder Schwingungsverlauf im Gesamten oder abschnittsweise mit Sollvorgaben für eine fehlerfreie Fügeverbindung verglichen wird. Ein solches Verfahren ist Gegenstand eines ersten nebengeordneten Anspruchs.Such a measuring sensor enables a method for automated process monitoring of a joining operation carried out with the joining device according to the invention, wherein the measuring signals generated by the measuring sensor are automatically evaluated to determine a fault-free joint connection (or i.O. The automatic evaluation can be done with a computer, wherein a recorded force-time curve or waveform is compared in whole or in sections with target specifications for a faultless joint connection. Such The method is the subject of a first independent claim.

Gegenstand eines zweiten nebengeordneten Anspruchs ist ein Matrizenhalter zur Verwendung an einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung. Bevorzugt ist vorgesehen, dass dieser Matrizenhalter eine Federeinrichtung, eine Dämpfungseinrichtung und/oder einer Zusatzmasse gemäß den obenstehenden und/oder nachfolgenden Erläuterungen aufweist.Subject of a second independent claim is a die holder for use on a joining device according to the invention. It is preferably provided that this die holder has a spring device, a damping device and / or an additional mass according to the above and / or following explanations.

Gegenstand eines dritten nebengeordneten Anspruchs ist eine Handhabungsvorrichtung, wobei es sich insbesondere um einen Mehrachs-Fertigungsroboter handelt, an der bzw. an dem eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung angebunden ist, um diese mit der Vorrichtung bzw. dem Fertigungsroboter im Raum bewegen zu können. Da die erfindungsgemäße Fügevorrichtung leicht und handlich ist, werden schnelle Bewegungen und hohe Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ermöglicht. Ferner kann die Handhabungsvorrichtung bzw. der Fertigungsroboter mit verhältnismäßig klein dimensionierten Antriebsaggregaten (hinsichtlich Baugröße und Leistung bzw. Energieaufnahme) ausgestattet sein. Auch der erforderliche Platz- bzw. Raumbedarf fällt verhältnismäßig gering aus.Subject of a third independent claim is a handling device, which is in particular a multi-axis manufacturing robot to which or to which a joining device according to the invention is connected in order to move them with the device or the manufacturing robot in the room. Since the joining device according to the invention is light and handy, fast movements and high accelerations or delays are made possible. Furthermore, the handling device or the manufacturing robot can be equipped with relatively small-sized drive units (in terms of size and power or energy consumption). The required space or space requirement is relatively low.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Die hierbei mit Bezug auf die Figuren verwendeten Richtungsangaben sind nur beispielhaft und können von realen Gegebenheiten abweichen. Die in den schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. Ferner sind die Merkmale der gezeigten und/oder erläuterten Ausführungsmöglichkeiten im Rahmen der Erfindung kombinierbar.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following exemplary description with reference to the figures. The directions used here with reference to the figures are only exemplary and may differ from real world conditions. The features shown in the schematic and not to scale figures and / or explained below, regardless of specific combinations of features, general features of the invention. Furthermore, the features of the illustrated and / or illustrated embodiments are combinable within the scope of the invention.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. 1 shows a joining device according to the invention in a perspective view.

2 zeigt eine Matrizenhalterung an der Fügevorrichtung gemäß 1 in einer Seitenansicht. 2 shows a die holder on the joining device according to 1 in a side view.

3 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit einer Matrizenhalterung an der Fügevorrichtung gemäß 1 in einer Seitenansicht. 3 shows another possible embodiment of a die holder on the joining device according to 1 in a side view.

4 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung mit Fachwerkrahmen in einer Seitenansicht. 4 shows another embodiment of a joining device according to the invention with truss frame in a side view.

5 zeigt in mehreren Diagrammen mögliche Kraft-Zeit-Verläufe für eine Reaktionskraft an den Matrizenhalterungen gemäß 2 und 3. 5 shows in several diagrams possible force-time curves for a reaction force on the die holders according to 2 and 3 ,

1 zeigt eine erfindungsgemäße Fügevorrichtung 100, die einen C-förmigen Rahmen 110 mit zwei sich gegenüberliegenden Rahmenschenkeln 112 und 114 aufweist. Mit 120 ist ein Flanschabschnitt zur Anbindung der Fügevorrichtung 100 an einen nicht gezeigten Fertigungsroboter bezeichnet. Ein solcher Flanschabschnitt kann sich ebenso an einem der Rahmenschenkel 112 und/oder 114 befinden. Am oberen Rahmenschenkel 114 ist ein Setzwerkzeug bzw. Setzgerät 130 angeordnet. Am gegenüberliegenden unteren Rahmenschenkel 112 ist eine mit dem Setzwerkzeug 130 korrespondierende Matrize 140 angeordnet. Die Fügeachse ist mit L bezeichnet. 1 shows a joining device according to the invention 100 that has a C-shaped frame 110 with two opposite frame legs 112 and 114 having. With 120 is a flange section for connecting the joining device 100 referred to a manufacturing robot, not shown. Such a flange portion may also be on one of the frame legs 112 and or 114 are located. At the upper frame leg 114 is a setting tool or setting tool 130 arranged. At the opposite lower frame leg 112 is one with the setting tool 130 corresponding die 140 arranged. The joining axis is marked L.

Die Fügevorrichtung 100 dient dem mechanischen Fügen von zwei (oder mehr) sich überlappenden Bauteilen 210 und 220 mittels Fügeelement 300. Hierzu werden die zu fügenden Bauteile 210 und 220 zwischen den Rahmenschenkeln 112 und 114 angeordnet und an der Fügestelle mit dem Mundstück 131 des Setzwerkzeugs 130 gegen die Matrize 140 fixiert, was eine zweiseitige Fügestellenzugänglichkeit voraussetzt. Bei der Verwendung von Klebstoffen wird dieser dabei verpresst. Gegebenenfalls kann ein separater Niederhalter zum Fixieren der Bauteile 210 und 220 an der Fügestelle vorgesehen sein. Anschließend wird im Setzwerkzeug 130 das Fügeelement 300 in der Fügerichtung D durch das Mundstück 131 hindurch beschleunigt und dringt mit hoher Geschwindigkeit und einem hiermit einhergehenden hohen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile 210 und 220 ein, wobei innerhalb weniger Millisekunden, gegebenenfalls auch in weniger als einer Millisekunde, eine formschlüssige Fügeverbindung herbeigeführt wird. Durch Verfahren der Fügevorrichtung 100 können auf gleiche Weise an anderen Fügestellen weitere Fügeverbindungen zwischen den Bauteilen 210 und 220 erzeugt werden.The joining device 100 is used for the mechanical joining of two (or more) overlapping components 210 and 220 by means of joining element 300 , For this purpose, the components to be joined 210 and 220 between the frame legs 112 and 114 arranged and at the joint with the mouthpiece 131 of the setting tool 130 against the matrix 140 fixed, which requires a two-sided Fügestellenzänglichkeitkeit. When using adhesives this is pressed. Optionally, a separate hold-down for fixing the components 210 and 220 be provided at the joint. Subsequently, in the setting tool 130 the joining element 300 in the joining direction D through the mouthpiece 131 accelerates through and penetrates at high speed and a concomitant high joining pulse in the components to be joined 210 and 220 a, wherein within a few milliseconds, possibly also in less than a millisecond, a positive joining connection is brought about. By moving the joining device 100 can in the same way at other joints further joints between the components 210 and 220 be generated.

Ein während des Fügevorgangs und insbesondere während des Setzvorgangs von der Matrize 140 aufgenommener Restfügeimpuls würde ohne weitere Maßnahmen direkt in den matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 abgeleitet werden, was zu einem mit S bezeichneten Aufbiegen bzw. Aufweiten und/oder Aufschwingen des Rahmens 110 zwischen den Rahmenschenkeln 112 und 114 führen würde. Dies hätte unter anderem einen Fluchtungsfehler (Winkelversatz und Lateralversatz, bezogen auf die gemeinsame Fügeachse L) zwischen dem Setzwerkzeug 130 und der Matrize 140 zur Folge, was wiederum nachteiligen Einfluss auf die hergestellte Fügeverbindung hätte.An during the joining process and in particular during the setting process of the die 140 recorded residual joining pulse would without further measures directly in the matrix-side frame legs 112 be derived, resulting in a designated S bending or widening and / or swinging of the frame 110 between the frame legs 112 and 114 would lead. This would, inter alia, a misalignment (angular offset and lateral offset, based on the joint joining axis L) between the setting tool 130 and the matrix 140 As a result, which in turn would adversely affect the manufactured joint connection.

Um dies zu vermeiden sieht die Erfindung vor, dass die Matrize 140 gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 in der Fügerichtung D des Fügeelements 300 nachgiebig gelagert und somit gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 bedingt entkoppelt ist, so dass der beim Eintreiben des Fügeelements 300 von der Matrize 140 aufgenommene Restfügeimpuls nur teilweise und/oder nur mit zeitlichem Versatz auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 übertragen wird.To avoid this, the invention provides that the die 140 opposite the die-side frame leg 112 in the joining direction D of the joining element 300 yielding and thus opposite the matrix side frame legs 112 Conditionally decoupled, so that when driving the joining element 300 from the matrix 140 recorded Restfügeimpuls only partially and / or only with a time offset on the matrix-side frame legs 112 is transmitted.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung der Matrize 140 am matrizenseitigen Rahmenschenkel 112. Die Matrize 140 ist mit einem Matrizenhalter 150 mittelbar am matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 befestigt. Der Matrizenhalter 150 weist einen sich axial erstreckenden Grundkörper 151 auf (axiale Erstreckung entspricht der Fügeachse L; siehe 1), an dem eine Matrizenaufnahme 152 für die Matrize 140 ausgebildet ist. Alternativ können der Grundkörper 151 und die Matrize 140 einstückig ausgebildet sein. Der Grundkörper 151 erstreckt sich durch eine im matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 ausgebildete Bohrung. 2 shows an inventive arrangement of the die 140 on the matrix-side frame leg 112 , The matrix 140 is with a die holder 150 indirectly on the matrix-side frame leg 112 attached. The die holder 150 has an axially extending body 151 on (axial extent corresponds to the joint axis L, see 1 ), on which a matrix recording 152 for the matrix 140 is trained. Alternatively, the main body 151 and the matrix 140 be formed integrally. The main body 151 extends through a die-side frame legs 112 trained hole.

Mit einer Exzenterbuchsenanordnung kann die Ausrichtung der Matrize 140 zur Fögeachse L eingestellt und nachgestellt werden. Zu dieser Exzenterbuchsenanordnung gehört eine Exzenterbuchse 157, die mit einem radial vorspringenden Bund auf der Oberseite bzw. Innenseite des matrizenseitigen Rahmenschenkels 112 aufliegt, sich durch die Bohrung im matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 hindurch erstreckt und an der Unterseite bzw. Außenseite des matrizenseitigen Rahmenschenkels 112 mit der Befestigungsmutter 153 gesichert ist. Der Grundkörper 151 kann sich in axialer Richtung L relativ zu der hülsenartig ausgebildeten Exzenterbuchse 157 bewegen.With an eccentric bush arrangement, the alignment of the die 140 be adjusted to Fögeachse L and readjusted. To this eccentric bushing arrangement includes an eccentric bushing 157 , which with a radially projecting collar on the top or inside of the die-side frame leg 112 rests, through the hole in the die-side frame leg 112 extends through and at the bottom or outside of the die-side frame leg 112 with the fastening nut 153 is secured. The main body 151 can be in the axial direction L relative to the sleeve-like eccentric bushing 157 move.

Zwischen der Matrizenaufnahme 152, die schenkelseitig mit einer radial vorspringenden Schulter ausgebildet ist, und dem Rahmenschenkel 112 sind eine erste und eine zweite Elastomerfeder 154a und 154b angeordnet. Die Elastomerfedern 154a und 154b weisen jeweils einen zwischen Metallscheiben angeordneten Elastomerkörper auf. Zwischen den Elastomerfedern 154a und 154b befindet sich ein Kraftmesssensor 155. Mit 156 ist das Anschlusskabel des Kraftmesssensors 155 bezeichnet. Der Matrizenhalter 150 kann eine nicht dargestellte Stanzbutzenabführung aufweisen.Between the matrix holder 152 , which is formed on the leg side with a radially projecting shoulder, and the frame legs 112 are a first and a second elastomeric spring 154a and 154b arranged. The elastomer springs 154a and 154b each have an elastomeric body disposed between metal discs. Between the elastomer springs 154a and 154b there is a force measuring sensor 155 , With 156 is the connecting cable of the force measuring sensor 155 designated. The die holder 150 may have a punched neck removal, not shown.

Die erste und die zweite Elastomerfeder 154a und 154b sind auf Seite der Matrize 140 angeordnet. Ferner weist die Matrizenaufnahme 150 eine dritte Elastomerfeder 154c auf, die bezüglich des Rahmenschenkels 112 an der von der Matrize 140 abgewandten Seite angeordnet ist. Die dritte Elastomerfeder 154c ist über die Exzenterbuchse 157 zur Mutter 153 axial beabstandet. Durch Drehen der Mutter 158 können die Vorspannungen der Elastomerfedern 154a, 154b und 154c und somit deren Feder- und Dämpfungseigenschaften verändert und eingestellt werden. Konstruktive Details sind nicht dargestellt.The first and second elastomer springs 154a and 154b are on the side of the die 140 arranged. Furthermore, the die holder 150 a third elastomeric spring 154c on, concerning the frame leg 112 at the of the matrix 140 opposite side is arranged. The third elastomer spring 154c is over the eccentric bush 157 to the mother 153 axially spaced. By turning the nut 158 can be the preload of the elastomer springs 154a . 154b and 154c and thus their spring and damping properties are changed and adjusted. Constructive details are not shown.

Die Matrize 140 ist gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 in der Fügerichtung D des Fügeelements 300 nachgiebig gelagert. D. h., der Matrizenhalter 150 bzw. dessen Grundkörper 151 ist zusammen mit der Matrize 140 zum matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 entlang der Fügeachse L relativbeweglich. Aufgrund der axialen Relativbeweglichkeit zwischen dem Matrizenhalter 150 und dem matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 sind diese Komponenten nicht starr miteinander verbunden.The matrix 140 is opposite the matrix side frame leg 112 in the joining direction D of the joining element 300 yielding stored. That is, the die holder 150 or its basic body 151 is together with the matrix 140 to the Matrizenseitigen frame legs 112 along the joining axis L relatively movable. Due to the axial relative mobility between the die holder 150 and the die-side frame leg 112 these components are not rigidly connected.

Der während eines Fügevorgangs bzw. Setzvorgangs (d. h. beim Setzen des Fügeelements 300) von der Matrize 140 aufgenommene Restfügeimpuls führt dazu, dass sich die Matrize 140 zusammen mit dem Grundkörper 151 in der Fügerichtung D (nach unten bzw. nach außen) bewegt. Hierbei werden die Elastomerfedern 154a und 154b gespannt und (nach oben bzw. nach innen wirkende) Rückstellkräfte erzeugt. Dies führt schließlich zu einer der Fügerichtung D entgegengesetzten Rückstellbewegung des Grundkörpers 151 (nach oben bzw. nach innen), wobei es zu einem Überschwingen kommen kann. Hierbei wird die dritte Elastomerfeder 154c gespannt und eine (nach unten bzw. nach außen wirkende) Rückstellkraft erzeugt. Der von der Matrize 140 aufgenommene Restfügeimpuls kann somit eine Schwingung des Matrizehalters 150 (zusammen mit der Matrize 140) relativ zum matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 bewirken, wobei diese Schwingung durch die Dämpfungswirkungen der Elastomerfedern 154a, 154b und 154c gedämpft wird. Dies führt dazu, dass der beim Eintreiben des Fügeelements 300 von der Matrize 140 aufgenommene Restfügeimpuls nur teilweise und/oder nur mit zeitlichem Versatz auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 übertragen wird. Dadurch kann das Aufweiten und/oder Aufschwingen S des Rahmens 110 minimiert und/oder in ein bezüglich dem Fügevorgang bzw. Setzvorgang unkritisches Zeitfenster verlagert werden.The during a joining process or setting process (ie when setting the joining element 300 ) from the matrix 140 absorbed residual impulse causes the matrix 140 together with the main body 151 moved in the joining direction D (downwards or outwards). Here are the elastomer springs 154a and 154b stretched and (upward or inward acting) restoring forces generated. This eventually leads to a return movement of the base body which is opposite to the joining direction D. 151 (upwards or inwards), which can lead to overshoot. Here is the third elastomeric spring 154c strained and generates a (downward or outward acting) restoring force. The of the matrix 140 recorded Restfügeimpuls can thus a vibration of the die holder 150 (along with the matrix 140 ) relative to the die-side frame legs 112 cause this vibration by the damping effects of the elastomer springs 154a . 154b and 154c is dampened. This results in that when driving the joining element 300 from the matrix 140 recorded Restfügeimpuls only partially and / or only with a time offset on the matrix-side frame legs 112 is transmitted. As a result, the widening and / or swinging S of the frame 110 be minimized and / or moved to a time frame uncritical with respect to the joining process or setting process.

3 zeigt eine andere Ausführungsmöglichkeit eines Matrizenhalters 150. Gleiche Komponenten und Elemente sind mit den selben Bezugszeichen wie in 2 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsmöglichkeit sind auf Seite der Matrize 140 ein Kraftmesssensor 155 und eine erste Elastomerfeder 154a angeordnet. An der von der Matrize 140 abgewandten Seite sind eine zweite Elastomerfeder 154b, ein Massekörper 159 und eine dritte Elastomerfeder 154c angeordnet. Mit 157 ist eine Exzenterbuchse bezeichnet, wie im Zusammenhang mit der in 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit erläutert. 3 shows another embodiment of a die holder 150 , Like components and elements are denoted by the same reference numerals as in FIG 2 designated. In this embodiment possibility are on the side of the die 140 a force measuring sensor 155 and a first elastomeric spring 154a arranged. At the of the matrix 140 opposite side are a second elastomeric spring 154b , a mass body 159 and a third elastomeric spring 154c arranged. With 157 is called an eccentric bush, as related to in 2 illustrated embodiment possibility explained.

Der über die beiden benachbarten Elastomerfedern 154b und 154c abgestützte Massekörper 159 ist zum Grundkörper 151 in axialer Richtung L relativbeweglich. Der Massekörper 159 stellt eine träge Zusatzmasse bereit, die quasi dem von der Matrize 140 aufgenommenen Restfügeimpuls entgegenwirkt, wobei die Elastomerfedern 154b/154c und der Massekörper 159 aufeinander abgestimmt sind und ein Feder-Masse-System bilden. Die Zusatzmasse kann bspw. im Bereich von mehreren Hundert Gramm bis zu mehreren Kilogramm liegen. Im Übrigen gelten analog die Erläuterungen zu der in 2 gezeigten Ausführungsmöglichkeit.The over the two adjacent elastomer springs 154b and 154c supported mass bodies 159 is to the body 151 in the axial direction L movable relative. The mass body 159 provides an inert additional mass, which is almost the same as that of the matrix 140 counteracts absorbed Restfügeimpuls, wherein the elastomeric springs 154b / 154c and the mass body 159 are coordinated and form a spring-mass system. The additional mass may, for example, be in the range of several hundred grams to several kilograms. Incidentally, the explanations regarding in 2 shown execution option.

Bei der in 3 gezeigten Ausführungsmöglichkeit wird der von der Matrize 140 aufgenommene Restfügeimpuls ebenfalls nicht direkt in den matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 eingeleitet, sondern wird (mit oder gegebenenfalls auch unter Weglassung der mittleren Elastomerfeder 154b) zunächst auf die Zusatzmasse des Massekörpers 159 verlagert und wird von dort zeitversetzt wieder zurückverlagert (Newtonsche Wippe) und abgeschwächt bzw. abgedämpft in den matrizenseitigen Rahmenschenkel 112 eingeleitet, was bezüglich des Fügevorgangs bzw. Setzvorgangs zu einem unkritischen späten Zeitpunkt erfolgt. Mit anderen Worten formuliert heißt dies, dass die Zusatzmasse des Massekörpers 159 durch den von der Matrize 140 aufgenommenen Restfügeimpuls in der Fügerichtung D beschleunigt wird, wobei deren Trägheit dem aufgenommenen Restfügeimpuls entgegenwirkt. Dadurch kann das Aufweiten und/oder Aufschwingen S des Rahmens 110 erheblich reduziert werden. Dies hat Einfluss auf den zeitlichen Kraftverlauf einer am Matrizenhalter 150 gemessenen Reaktionskraft (siehe 5), wodurch der Fügevorgang und insbesondere der Setzvorgang positiv beeinflusst werden.At the in 3 embodiment shown is that of the die 140 recorded Restfügeimpuls also not directly in the matrix-side frame legs 112 but is introduced (with or possibly also omitting the middle elastomeric spring 154b ) first on the additional mass of the mass body 159 shifted and is shifted back from there again (Newtonian rocker) and attenuated or damped in the matrix side frame leg 112 initiated what takes place with respect to the joining process or setting process at an uncritical late time. In other words, this means that the additional mass of the mass body 159 through the mold 140 recorded residual joining pulse in the joining direction D is accelerated, with their inertia counteracts the recorded residual joining pulse. As a result, the widening and / or swinging S of the frame 110 be significantly reduced. This has an influence on the temporal force curve of a die holder 150 measured reaction force (see 5 ), whereby the joining process and in particular the setting process are positively influenced.

Sowohl in der Ausführungsmöglichkeit gemäß 2 als auch in der Ausführungsmöglichkeit gemäß 3 können Spiralfedern, Tellerfedern oder dergleichen anstelle von Elastomerfedern vorgesehen sein. Eine Dämpfung kann mit separaten Dämpfungseinrichtungen bzw. Dämpfungselementen bewerkstelligt werden.Both in the embodiment according to 2 as well as in the embodiment according to 3 Spiral springs, disc springs or the like may be provided instead of elastomeric springs. A damping can be accomplished with separate damping devices or damping elements.

5 zeigt mehrere mit den Kraftmesssensoren 155 aufgenommene Kraft-Zeit-Verläufe (Kraft-Zeit-Diagramme) für gleiche mit der Fügevorrichtung 100 durchgeführte Fügevorgänge. Die gemessene Reaktionskraft ist jeweils in Kilonewton [kN] (Ordinatenachse) über der Zeit in Millisekunden [ms] (Abszissenachse) abgetragen. 5 shows several with the force measuring sensors 155 Recorded force-time curves (force-time diagrams) for the same with the joining device 100 performed joining operations. The measured reaction force is plotted in kilonewtons [kN] (ordinate axis) over time in milliseconds [ms] (abscissa axis).

5a zeigt den Kraftverlauf F(t) der gemessenen Reaktionskraft an einen Matrizenhalter 150 ohne Federeinrichtungen, Dämpfungseinrichtungen und Zusatzmassen. Der zerklüftete Kraftverlauf F(t) weist mehrere zum Teil ähnlich hohe Spitzen auf. 5b zeigt den Kraftverlauf für einen Matrizenhalter gemäß 3 der lediglich mit einer Zusatzmasse und ohne Feder- und Dämpfungseinrichtungen ausgestattet ist. Gegenüber dem in 5a gezeigten Kraftverlauf weist dieser Kraftverlauf weniger Spitzen, dafür jedoch höhere Spitzenwerte auf. Insgesamt zeigt sich jedoch eine Harmonisierung des Kraftverlaufs, was unter anderem für die Anlagenbelastung vorteilig ist. 5c zeigt analog zu 5b den Kraftverlauf bei einer höheren Zusatzmasse am Matrizenhalter (ohne Feder- und Dämpfungseinrichtungen). 5d zeigt analog zu 5b den Kraftverlauf bei zusätzlich verbauten Elastomerfedern. 5e zeigt analog zu 5c den Kraftverlauf bei zusätzlich verbauten Elastomerfedern. 5f zeigt den Kraftverlauf bei einem Matrizenhalter gemäß 2, der keine Zusatzmassen aufweist. 5a shows the force curve F (t) of the measured reaction force to a die holder 150 without spring devices, damping devices and additional masses. The fissured force curve F (t) has several similar partly high peaks. 5b shows the force curve for a die holder according to 3 which is equipped only with an additional mass and without spring and damping devices. Opposite the in 5a shown force curve, this force curve has fewer peaks, but higher peak values. Overall, however, shows a harmonization of the force curve, which is advantageous, inter alia, for the system load. 5c shows analogously to 5b the force curve with a higher additional mass on the die holder (without spring and damping devices). 5d shows analogously to 5b the force curve with additionally installed elastomer springs. 5e shows analogously to 5c the force curve with additionally installed elastomer springs. 5f shows the force curve in a die holder according to 2 which has no additional masses.

Die in den 5d, 5f und 5e gezeigten Kraftverläufe F(t) weisen nur noch zwei ausgeprägte Spitzen bzw. Maxima auf. Die zeitlich erste und höhere Spitze (Stanzpeak) repräsentiert das Auftreffen des Fügeelements 300 auf das obere Bauteil 210. Die zweite Spitze repräsentiert das Anschlagen des Fügeelementkopfs 310 am oberen Bauteil 210 zum Ende des Setzvorgangs. Der durch die Elastomerfedern 154 und gegebenenfalls Zusatzmassen 159 geglättete Kraftverlauf bzw. Signalverlauf kann hervorragend für eine automatisierte Echtzeit-Prozessüberwachung zur Feststellung einer fehlerfreien Fügeverbindung herangezogen werden.The in the 5d . 5f and 5e shown force curves F (t) have only two distinct peaks or maxima. The temporally first and higher peak (punching peak) represents the impact of the joining element 300 on the upper component 210 , The second tip represents the abutment of the joining element head 310 on the upper component 210 at the end of the setting process. The through the elastomer springs 154 and optionally additional masses 159 Smoothed force curve or signal curve can be used excellently for an automated real-time process monitoring to determine a faultless joint connection.

Die Erfindung ermöglicht es, die Fügevorrichtung 100 mit einem verhältnismäßig leichten Rahmen 110 auszustatten. Der C-förmige Rahmen 110 muss im Mindesten so konzipiert sein, dass dieser die beim Aufsetzen des Mundstücks 131 zum Fixieren der Bauteile 210 und 220 gegen die Matrize 140 wirkenden statischen Kräfte, die bspw. im Bereich bis 9 kN liegen können, weitgehend verformungsfrei aufnehmen kann. Durch die Erfindung können die bei einem Fügevorgang bzw. Setzvorgang auftretenden dynamischen Kräfte gehandhabt werden, ohne dass hierfür der C-förmige Rahmen 110 übermäßig versteift und dadurch schwer und sperrig bzw. unhandlich ausgeführt werden muss. Ferner kann der C-förmige Rahmen zumindest teilweise aus Leichtbauwerkstoffen, wie bspw. Aluminium oder faserverstärkten Kunststoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK), gebildet sein. Auch Gusslegierungen, die zuweilen sehr gute schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen, können verwendet werden. Somit kann der C-förmige Rahmen zumindest teilweise auch aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumgusslegierung gebildet sein.The invention makes it possible, the joining device 100 with a relatively light frame 110 equip. The C-shaped frame 110 must be designed at least so that this when putting the mouthpiece 131 for fixing the components 210 and 220 against the matrix 140 acting static forces, which may, for example. In the range up to 9 kN can absorb largely deformation-free. By means of the invention, the dynamic forces occurring during a joining operation or setting process can be handled without the C-shaped frame for this purpose 110 stiffened excessively and thus heavy and bulky or unwieldy must be performed. Furthermore, the C-shaped frame can be at least partially made of lightweight materials, such as, for example, aluminum or fiber-reinforced plastic, in particular carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Cast alloys, which sometimes have very good vibration damping properties, can be used. Thus, the C-shaped frame may be at least partially formed of an aluminum and / or magnesium casting alloy.

4 zeigt einen C-förmigen Rahmen 110 mit einer Fachwerkstruktur der sich für die Erfindung besonders gut eignet. Der Fachwerkrahmen 110 ist sehr leicht und, da dieser nur verhältnismäßig geringe dynamische Kräfte aufnehmen muss, auch ausreichend steif. Bei dem Fachwerkrahmen 110 sind die Rahmenschenkel 112 und 114 jeweils aus zwei Streben gebildet. Das Setzwerkzeug 130 ist mit einem Linearstellantrieb bzw. einer Zustelleinheit 135 am oberen Rahmenschenkel 114 befestigt. Mit dem Stellantrieb 135 kann das Setzwerkzeug 130 in axialer Richtung L bewegt werden, um das rohrartige Mundstück 131 auf die zwischen den Rahmenschenkeln 112 und 114 befindlichen und zu fügenden Bauteile aufzusetzen und eine Fixierung dieser Bauteile für den nachfolgenden Fügevorgang herbeizuführen. 4 shows a C-shaped frame 110 with a truss structure which is particularly well suited for the invention. The framework framework 110 is very light and, since it has to absorb only relatively small dynamic forces, also sufficiently stiff. In the framework framework 110 are the frame legs 112 and 114 each formed from two struts. The setting tool 130 is with a linear actuator or a feed unit 135 on the upper frame leg 114 attached. With the actuator 135 can the setting tool 130 be moved in the axial direction L to the tubular mouthpiece 131 on the between the frame legs 112 and 114 set up and to be assembled components and bring about a fixation of these components for the subsequent joining process.

Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung ist deren geringes Gewicht, was zu einem geringen Anlagengewicht beiträgt. Weiterhin wird eine gute und vor allem auch flinke Handhabung, insbesondere an einem Fertigungsroboter, ermöglicht. Zudem wird aufgrund nicht vorhandener oder nur geringer Störkonturen auch eine gute Zugänglichkeit zu den Fügestellen, insbesondere an und in Fahrzeugkarosserien, ermöglicht. Weitere Vorteile sind eine geringe Geräuschentwicklung (gedämpftes Schlaggeräusch) während des Fügevorgangs und insbesondere während des Setzvorgangs (in Bezug auf konventionelle Impulsfügevorrichtungen), eine Unabhängigkeit gegenüber den Werkstoffen der zu fügenden Bauteile und die erzielbaren extrem kurzen Prozesszeiten, was zu kurzen Taktzeiten führt. Diese Faktoren begünstigen den bevorzugten Einsatz im Großserienmaßstab.An advantage of a joining device according to the invention is its low weight, which contributes to a low system weight. Furthermore, a good and above all nimble handling, especially on a manufacturing robot, allows. In addition, due to non-existent or only small interference contours, good accessibility to the joints, in particular on and in vehicle bodies, is made possible. Further advantages are low noise development (attenuated impact noise) during the joining process and in particular during the setting process (with respect to conventional pulse joining devices), independence from the materials of the components to be joined and the achievable extremely short process times, which leads to short cycle times. These factors favor the preferred use in large-scale production.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Fügevorrichtungjoining device
110110
Rahmenframe
112112
Rahmenschenkel (matrizenseitig)Frame legs (on the die side)
114114
Rahmenschenkelframe leg
120120
Flanschflange
130130
Setzwerkzeugsetting tool
131131
Mundstückmouthpiece
135135
Stellantrieb (Zustelleinheit)Actuator (infeed unit)
140140
Matrize (Gegenhalter)Die (counterholder)
150150
Matrizenhalterdie holder
151151
Grundkörperbody
152152
Matrizenaufnahmedie holder
153153
Muttermother
154154
Federeinrichtung (Elastomerfeder)Spring device (elastomer spring)
155155
Messsensor (Kraftmesssensor)Measuring sensor (force measuring sensor)
156156
Anschlusskabelconnection cable
157157
Exzenterbuchseeccentric
158158
Muttermother
159159
Massekörpermass body
210210
oberes Bauteilupper component
220220
unteres Bauteillower component
300300
Fügeelementjoining element
DD
Fügerichtungjoining direction
F(t)F (t)
Kraftverlaufforce curve
LL
Fügeachsejoining axis
SS
Aufweitung/AufschwingungExpansion / Aufschwingung

Claims (10)

Fügevorrichtung (100) zum vorlochfreien Fügen von wenigstens zwei Bauteilen (210, 220) mittels Fügeelement (300), das in einer axialen Fügerichtung (L) mit einem stoßartigen Fügeimpuls in die zu fügenden Bauteile (210, 220) eingetrieben wird, mit einem C-förmigen Rahmen (110) der zwei sich gegenüberliegende Rahmenschenkel (112, 114) aufweist, zwischen denen die zu fügenden Bauteile (210, 220) positioniert werden, und mit einem Setzwerkzeug (130) und einer Matrize (140), die sich gegenüberliegend an den Rahmenschenkeln (112, 114) angeordnet sind, wobei die Matrize (140) gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) in der Fügerichtung (D) des Fügeelements (300) nachgiebig gelagert und somit gegenüber dem matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) bedingt entkoppelt ist, so dass der beim Eintreiben des Fügeelements (300) von der Matrize (140) aufgenommene Restfügeimpuls nur teilweise und/oder nur mit zeitlichem Versatz auf den matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (140) mit einem Matrizenhalter (150) am matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) angeordnet ist, wobei die Matrize (140) zum Matrizenhalter (150) relativbeweglich ist und/oder der Matrizenhalter (150) zum matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) relativbeweglich ist, und dass an der Matrize (140) und/oder am Matrizenhalter (150) zur Erhöhung der Bewegungsträgheit wenigstens eine als separater Massekörper (159) ausgebildete Zusatzmasse angeordnet ist, welcher austauschbar ausgebildet ist, um dadurch eine individuelle Anpassung an den Fügevorgang zu ermöglichen.Joining device ( 100 ) for the pre-hole-free joining of at least two components ( 210 . 220 ) by means of joining element ( 300 ), which in an axial joining direction (L) with a jerky joining pulse in the components to be joined ( 210 . 220 ), with a C-shaped frame ( 110 ) of the two opposing frame legs ( 112 . 114 ), between which the components to be joined ( 210 . 220 ) and with a setting tool ( 130 ) and a die ( 140 ), which are located opposite each other on the frame legs ( 112 . 114 ) are arranged, wherein the die ( 140 ) relative to the die-side frame leg ( 112 ) in the joining direction (D) of the joining element ( 300 ) and thus with respect to the die-side frame leg ( 112 ) is decoupled conditionally, so that when driving the joining element ( 300 ) from the die ( 140 ) recorded residual joining pulse only partially and / or only with a time offset on the die side frame leg ( 112 ), characterized in that the die ( 140 ) with a die holder ( 150 ) on the die-side frame leg ( 112 ) is arranged, wherein the die ( 140 ) to the die holder ( 150 ) is relatively movable and / or the die holder ( 150 ) to the matrix-side frame leg ( 112 ) is relatively movable, and that on the die ( 140 ) and / or on the die holder ( 150 ) to increase the inertia at least one as a separate mass body ( 159 ) formed additional mass is arranged, which is designed to be interchangeable, thereby allowing an individual adaptation to the joining process. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zwischen Matrize (140) und Matrizenhalter (150) und/oder zwischen Matrizenhalter (150) und matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) wirksame Federeinrichtung (154) vorgesehen ist, welche den von der Matrize (140) aufgenommenen Restfügeimpuls annimmt und zeitversetzt wieder abgibt.Joining device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that at least one between die ( 140 ) and die holder ( 150 ) and / or between die holders ( 150 ) and die-side frame legs ( 112 ) effective spring device ( 154 ) provided by the die ( 140 ) takes on residual past impulse and releases it again with a time delay. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend zur Federeinrichtung (154) auch wenigstens eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen ist, welche zwischen der Matrize (140) und dem Matrizenhalter (150) und/oder zwischen dem Matrizenhalter (150) und dem matrizenseitigen Rahmenschenkel (112) auftretende Schwingungen dämpft.Joining device ( 100 ) according to claim 2, characterized in that in addition to the spring device ( 154 ) also at least one damping device is provided, which between the die ( 140 ) and the die holder ( 150 ) and / or between the die holder ( 150 ) and the die-side frame leg ( 112 ) dampens occurring vibrations. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (159), die Federeinrichtung (154) und die Dämpfungseinrichtung ein abgestimmtes, gedämpftes Feder-Masse-System bilden, wobei die Federeinrichtung (154) und/oder die Dämpfungseinrichtung austauschbar und/oder einstellbar ausgebildet sind, um auch hierüber eine individuelle Anpassung an den Fügevorgang zu ermöglichen.Joining device ( 100 ) according to claims 2 and 3, characterized in that the mass body ( 159 ), the spring device ( 154 ) and the damping device form a tuned, damped spring-mass system, wherein the spring device ( 154 ) and / or the damping device are exchangeable and / or adjustable designed to allow this also an individual adaptation to the joining process. Fügevorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der C-förmige Rahmen (110) ein Leichtbau-C-Rahmen ist.Joining device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the C-shaped frame ( 110 ) is a lightweight C-frame. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der C-förmige Rahmen (110) ein Leichtbau-C-Rahmen mit einer Fachwerkstruktur ist.Joining device ( 100 ) according to claim 5, characterized in that the C-shaped frame ( 110 ) is a lightweight C-frame with a framework structure. Fügevorrichtung (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Matrize (140) und/oder am Matrizenhalter (150) wenigstens ein zeitlich auflösender Messsensor (155) angeordnet ist.Joining device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that on the die ( 140 ) and / or on the die holder ( 150 ) at least one time-resolved measuring sensor ( 155 ) is arranged. Fügevorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messsensor (155) um einen Kraftmesssensor und/oder einen Beschleunigungssensor handelt.Joining device ( 100 ) according to claim 7, characterized in that it is in the measuring sensor ( 155 ) is a force measuring sensor and / or an acceleration sensor. Matrizenhalter (150) zur Verwendung an einer Fügevorrichtung (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Federeinrichtung (154), eine Dämpfungseinrichtung und eine Zusatzmasse (159) gemäß den Merkmalen in den Ansprüchen 1, 2 oder 3.Die holder ( 150 ) for use on a joining device ( 100 ) according to one of the preceding claims 1 to 8, comprising a spring device ( 154 ), a damping device and an additional mass ( 159 ) according to the features in claims 1, 2 or 3. Handhabungsvorrichtung und insbesondere Mehrachs-Fertigungsroboter mit einer angebundenen Fügevorrichtung (100) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8.Handling device and in particular multi-axis manufacturing robot with a connected joining device ( 100 ) according to one of the preceding claims 1 to 8.
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