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Die Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Aus der
DE 10 2010 006 403 A1 ist bereits eine Fügevorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements bekannt. Zu diesem Zweck umfasst die Fügevorrichtung zumindest ein translatorisch bewegbares Treiberelement, mittels welchem eine Fügekraft zum Eintreiben des Fügeelements in die Bauteile über ein sich beim Verbinden der Bauteile ausbildenden Kraftpfad auf das Fügeelement übertragbar ist. Weiterhin umfasst die Fügevorrichtung ein Sensorelement zum Erfassen wenigstens einer eine Fügequalität charakterisierenden Messgröße. Bei der
DE 10 2010 006 403 A1 ist dieses Sensorelement als Kraftsensor ausgebildet und befindet sich in einem weiteren Kraftpfad, der sich beim Verbinden der Bauteile ausbildet, wobei dieser weitere Kraftpfad keine Kräfte auf das Fügeelement überträgt. Nachteilig ist dabei, dass so nicht die Fügekraft selber gemessen werden kann, sondern lediglich Rückschlüsse auf die Fügekraft über eine Hilfsgröße, nämlich die im weiteren Kraftpfad wirkende weitere Kraft gezogen werden können. Diese Messgröße kann deswegen die Fügequalität nur sehr ungenau charakterisieren.
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Die
DE 10 2006 002 237 B4 betrifft eine ähnliche Fügevorrichtung. Hier ist das Sensorelement an einer Halteeinrichtung angeordnet, welche die zu verbindenden Bauteile hält. Für eine kostengünstige Serienfertigung von Bauteilverbindungen ist die Anordnung des Sensorelements ungeeignet. Auch dieses Sensorelement ist als Kraftsensor ausgebildet. Nachteilig ist außerdem erneut, dass nicht unmittelbar die Fügekraft, welche auf das Fügeelement wirkt, gemessen wird, sondern die auf die zu verbindenden Bauteile wirkende Kraft. Insbesondere werden hier schwingungsförmige Kraftverläufe erfasst und Rückschlüsse auf die Fügequalität durch den Schwingungsverlauf gezogen. Auch damit ist nur eine sehr ungenaue Charakterisierung der Fügequalität möglich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements zu schaffen, bei welchen die Fügequalität besonders genau charakterisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Fügevorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements zu schaffen, mittels welcher die Fügequalität besonders genau charakterisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Sensorelement in dem Kraftpfad angeordnet ist, über welchen die Fügekraft zum Eintreiben des Fügeelements in die Bauteile übertragen wird. Dadurch ist beispielsweise die Fügekraft als die Messgröße direkt messbar. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine die Fügequalität charakterisierende Beschleunigung und/oder einen die Fügequalität charakterisierenden Körperschall als die Messgröße mittels des Sensorelements direkt zu erfassen. Der Kraftpfad beginnt beispielsweise in einer Antriebseinheit, verläuft über das Treiberelement, geht durch das Fügeelement hindurch und mündet in den zwei zu verbindenden Bauteilen. Insbesondere kann dabei der Kraftpfad einer Achse folgen, auf welcher das Treiberelement translatorisch bewegbar ist. Somit ist es nicht mehr nötig, über eine Art von Hilfsgröße auf die tatsächlich wirkende Fügekraft zurückrechnen zu müssen. Vielmehr kann die die Fügequalität charakterisierende Messgröße unmittelbar selbst erfasst werden. Das Fügeelement kann beispielsweise als Bolzenelement und/oder Nagelelement ausgebildet sein. Die Fügevorrichtung kann für Fügeprozesse mit oder ohne Fügehilfselement genutzt werden. Die Fügevorrichtung kann für Fügeverfahren mit einseitiger und/oder zweiseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle ausgebildet sein.
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Damit ist eine besonders gute Überwachung der Fügequalität möglich. Dies ist besonders vorteilhaft bei Fügeprozessen mit besonders geringer Fügegeschwindigkeit beziehungsweise Eintreibgeschwindigkeit des Fügeelements, wobei die Eintreibgeschwindigkeit beispielsweise weniger als fünf Meter pro Sekunde beträgt. Dadurch kann eine Geräuschentwicklung beim Verbinden der zwei Bauteile besonders gering gehalten werden. Für die Nutzung besonders geringer Fügegeschwindigkeiten ist es von Vorteil, eine besonders gute Überwachung der Fügequalität sicherzustellen. So kann auch sichergestellt werden, dass eine ausreichend feste Verbindung hergestellt wurde. Dies ist durch die erfindungsgemäße Fügevorrichtung möglich. Jedoch eignet sich die Fügevorrichtung selbstverständlich auch für hohe Eintreib- beziehungsweise Fügegeschwindigkeiten, beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 40 Metern pro Sekunde.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Fügeelement eine Längsachse, insbesondere Längsmittelachse, aufweist, welche eine senkrecht zur Längsachse verlaufende Fläche des Sensorelements schneidet. Dadurch kann besonders gut sichergestellt werden, dass das Sensorelement tatsächlich in dem Kraftpfad angeordnet ist. Insbesondere, wenn das Treiberelement rotationssymmetrisch ist, ist eine solche Anordnung besonders einfach möglich. Es ist dann damit zu rechnen, dass der Kraftpfad auf einer Mittelachse des Treiberelements liegt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Treiberelement eine Treiberstange aufweist, in welcher das Sensorelement integriert ist. Üblicherweise weisen Fügevorrichtungen bereits ein Treiberelement mit Treiberstange auf, sodass bereits bestehende Konstruktionen von Fügevorrichtungen nur noch geringfügig verändert werden müssen. Außerdem kann das Sensorelement durch Integration in die Treiberstange besonders gut vor Umwelteinflüssen geschützt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Treiberelement eine Treiberstange aufweist, an deren beim Eintreiben des Fügeelements diesem zugewandten Ende das Sensorelement angeordnet ist. Somit ist das Sensorelement beim Fügevorgang zwischen der Treiberstange und dem Fügeelement angeordnet. Dadurch kann insbesondere die unmittelbar auf das Fügeelement wirkende Kraft gemessen werden. Kraftanteile, welche noch an dem Treiberelement beispielsweise durch Reibung verloren gehen und damit nicht mehr zum Eintreiben des Fügeelements zur Verfügung stehen, werden so nicht durch das Sensorelement erfasst. Deswegen charakterisiert die Messgröße die Fügequalität so besonders genau. Außerdem ist eine besonders einfache Zugänglichkeit und dadurch besonders einfache Wartung des Sensorelements sichergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement auch an dem beim Eintreiben des Fügeelements diesem abgewandten Ende der Treiberstange angeordnet sein. Dann ist das Sensorelement besonders gut vor Umwelteinflüssen geschützt, insbesondere durch Beschädigung von unregelmäßig geformten Fügeelementen und/oder durch Unregelmäßigkeiten bei dem Fügevorgang erzeugten Krafteinwirkungen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement als Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, ausgebildet ist. Die durch einen Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, erfassbare Messgröße charakterisiert die Fügequalität in besonders guter und besonders genauer Art und Weise.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement als Piezoelement ausgebildet ist. Piezoelemente sind besonders klein, widerstandsfähig und kostengünstig. Insbesondere kann ein Piezoelement besonders gut den hohen, bei einem Fügevorgang entstehenden Kräften standhalten. So kann das Sensorelement auch die gesamte Fügekraft zwischen Treiberelement und Fügeelement übertragen.
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Alternativ kann das Sensorelement als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein. Ein Dehnungsmessstreifen ist besonders genau, kostengünstig und zudem besonders einfach zu positionieren.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement als Beschleunigungssensor ausgebildet ist. Mittels des Beschleunigungssensors kann nicht nur die Kraft als die die Fügequalität charakterisierende Messgröße erfasst werden, sondern alternativ oder zusätzlich auch die translatorische Bewegung des Treiberelements. Hiermit sind besonders genaue Aussagen über die Fügequalität möglich. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement auch den Körperschall erfassen. Auch dies ist eine weitere, die Fügequalität charakterisierende Messgröße, sodass eine besonders genaue Aussage über die Fügequalität möglich ist.
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Um ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Fügeelements zu schaffen, mittels welchem eine die Fügequalität charakterisierende Messgröße besonders genau erfasst werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messgröße mittels des in dem Kraftpfad angeordneten Sensorelements erfasst wird. Dadurch ist eine besonders gute Prozessüberwachung möglich. Weiterhin kann die Fügevorrichtung auch besonders gut in Abhängigkeit von der Messgröße gesteuert werden. Insbesondere ist es so möglich, die Fügevorrichtung besonders genau in Abhängigkeit der Fügekraft zu steuern. Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fügevorrichtung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten dabei in ebensolcher Weise für das Verfahren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Fügevorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Seitenansicht der Fügevorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Schnittansicht der Fügevorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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4 eine schematische Perspektivansicht eines Roboters zum Benutzen der Fügevorrichtung gemäß 3; und
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5 eine schematische Detailansicht des Roboters gemäß 4.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Fügevorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile 12, 14 mittels eines Fügeelements 16. Die beiden Bauteile 12, 14 sind dabei als metallische Bleche ausgebildet und miteinander in Anlage gebracht. Das geschnitten dargestellte Fügeelement 16 ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel als nagelförmiges und metallisches Bolzenelement ausgebildet. Die Fügevorrichtung 10 umfasst weiterhin ein zumindest translatorisch bewegbares Treiberelement 18, welches ebenfalls geschnitten dargestellt ist und eine Treiberstange umfasst. Mittels dieses Treiberelements 18 ist eine Fügekraft zum Eintreiben des Fügeelements 16 in die Bauteile 12, 14 über einen sich beim Verbinden der Bauteile 12, 14 ausbildenden Kraftpfad auf das Fügeelement 16 übertragbar. Das Treiberelement 18 ist im in 1 gezeigten Fall als Treiberkolbenelement ausgebildet. Die Fügekraft ist veranschaulicht durch einen Pfeil 20 und wird durch die Antriebseinheit 22 erzeugt. Der Kraftpfad ist durch einen Pfeil 24 veranschaulicht. Beim Herstellen der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 wird das Fügeelement 16 durch die Fügekraft durch die beiden Bauteile 12, 14 hindurchgetrieben und bildet so eine formschlüssige Verbindung. Eine solche Verbindung wird auch als Nietverbindung bezeichnet.
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Ein Verfahren, in dessen Rahmen das Fügeelement 16 in die Bauteile 12, 14 eingetrieben wird, ist beispielsweise ein Bolzensetzverfahren, welches auch als Bolzensetzen bezeichnet wird. Bei der Fügevorrichtung 10 handelt es sich somit beispielsweise um eine Bolzensetzgerät.
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Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass die Fügevorrichtung 10 wenigstens ein Sensorelement 26 zum Erfassen wenigstens einer eine Fügequalität charakterisierenden Messgröße umfasst. Die Fügequalität kann dabei beispielsweise beschreiben, wie gut die beiden Bauteile 12, 14 miteinander verbunden worden sind und/oder welche Haltbarkeit bei der Verbindung zu erwarten ist. Es können beispielsweise auch Aussagen darüber getroffen werden, mit welchen Kräften diese Verbindung belastbar ist. Das Sensorelement 26 ist dabei in dem durch den Pfeil 24 veranschaulichten Kraftpfad angeordnet. Dadurch kann beispielsweise die auf das Fügeelement 16 wirkende Fügekraft als die Messgröße direkt gemessen werden, ohne erst eine Hilfsgröße erfassen zu müssen, um mittels dieser Hilfsgröße auf die Fügekraft zurückzurechnen. Die Messgröße charakterisiert so die Fügequalität besonders genau, das heißt, es ist eine besonders genaue Aussage über die Fügequalität möglich.
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Das Sensorelement 26 kann beispielsweise als Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, als Beschleunigungssensor und/oder als Sensor zur Messung von Körperschall ausgebildet sein. Insbesondere ist es so möglich, mehrere Messgrößen zur Charakterisierung der Fügequalität zu erfassen. Bei einer Vielzahl von mehreren Messgrößen und gegebenenfalls deren Kombination miteinander lässt sich die Fügequalität nochmals genauer charakterisieren als bei der Verwendung lediglich einer Messgröße. Insgesamt ist so eine sehr gute Prozessüberwachung möglich. Außerdem ist die Fügevorrichtung 10 problemlos in einer Serienfertigung und/oder hochgradig automatisierten Fertigung einsetzbar. Die Fügevorrichtung 10 und das Fügeverfahren kann beim Fügen mit einseitiger und/oder zweiseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle eingesetzt werden.
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Messungen an anderen Positionen als im durch den Pfeil 24 veranschaulichten Kraftpfad können insbesondere zu Kraftverlusten führen, sodass eine geringere Kraft auf das Fügeelement 16 beim Herstellen der Verbindung wirkt. Außerdem ist so nur eine sehr ungenaue Aussage über die Fügequalität möglich. Beispielsweise eine Anordnung eines Sensorelements 26 in einem Puffer der Fügevorrichtung 10 ermöglicht nur eine sehr indirekte Aussage über die Fügequalität, gleichzeitig können dadurch bis zu 20 Prozent der Fügekraft in Bezug auf den Fügeprozess verlorengehen.
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Die Fügevorrichtung 10 kann für Fügeverfahren genutzt werden, bei welchen eine Eintriebsgeschwindigkeit des Fügeelements 16 in die Bauteile 12, 14 20 bis 40 Meter pro Sekunde beträgt. Besonders vorteilhaft ist die Fügevorrichtung 10, wenn langsame Eintriebsgeschwindigkeiten von beispielsweise weniger als 5 Meter pro Sekunde genutzt werden. Eine solche Eintriebsgeschwindigkeit ermöglicht ein besonders geräuscharmes Herstellen der Verbindung der zwei Bauteile 12, 14 und schont dabei zusätzlich sowohl die Fügevorrichtung 10 als auch die Bauteile 12, 14. Allerdings erfordert ein solcher Fügeprozess mit langsamen Eintriebsgeschwindigkeiten eine besonders genaue Überwachung der Fügequalität. Dies ist durch die erfindungsgemäße Fügevorrichtung 10 besonders gut und kostengünstig möglich.
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Außerdem ist in 1 dargestellt, dass das Fügeelement 16 eine Längsachse L, insbesondere eine Längsmittelachse, aufweist, welche eine senkrecht zur Längsachse L verlaufende Fläche 28 des Sensorelements 26 schneidet. So ist die Messgröße durch das Sensorelement 26 besonders einfach zu erfassen. Außerdem ist das Sensorelement 26 so besonders einfach im Kraftpfad anordnenbar. Da alle in 1 gezeigten Teile der Fügevorrichtung 10 rotationssymmetrisch sind, ist hier die Längsachse L des Fügeelements 16 identisch mit der Längsachse des Sensorelements 26. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausrichtung der Teile zueinander und macht eine Herstellung der Fügevorrichtung 10 besonders kostengünstig.
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2 zeigt in eine zweite Ausführungsform der Fügevorrichtung 10. Das Treiberelement 18 weist hier ebenfalls eine Treiberstange auf. Bei dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 26 an einem beim Eintreiben des Fügeelements 16 diesem zugewandten Ende 30 der Treiberstange angeordnet. So ist beispielsweise eine besonders genaue Kraftmessung möglich, da nur die unmittelbar auf das Fügeelement 16 beim Herstellen der Verbindung wirkende Kraft erfasst wird. Das Sensorelement 26 überträgt die Kraft selbst an das Fügeelement 16. Das heißt, das Sensorelement 26 ist zwischen Fügeelement 16 und Treiberelement 18 beim Fügevorgang angeordnet. Dadurch wird kein Kraftanteil mit erfasst, welcher durch Reibung und/oder Erzeugung von Wärme verlorengeht und nicht an das Fügeelement 16 übertragen wird.
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3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine dritte Ausführungsform der Fügevorrichtung 10. Die Fügevorrichtung 10 ist beispielsweise wie die Fügevorrichtung 19 pneumatisch angetrieben. Ein Luftdruck wirkt auf einen Treiberkopfteller 32, an welchem eine Treiberstange 34 angeordnet ist. Zusammen bilden der Treiberkopfteller 32 und die Treiberstange 34 das Treiberelement 18. Diese sind in einem pneumatischen Zylinderkolbenelement 36 translatorisch bewegbar gelagert, welche auch als Treiberkolbenführung bezeichnet werden kann. An seinem den Bauteilen 12, 14 zugewandten Ende weist das Zylinderkolbenelement 36 ein Mundstück 38 auf. Innerhalb dieses Mundstücks 38 ist die Treiberstange 34 geführt und außerdem das Fügeelement 16 vor dem dem Fügeelement 16 zugewandten Ende der Treiberstange 34 gehalten. Die Fügevorrichtung 10 kann durch in Anlage bringen des Mundstücks 38 mit dem der Fügevorrichtung 10 zugewandten Bauteil 12 für das Fügeverfahren ausgerichtet werden.
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Für das Herstellen der Verbindung der zwei Bauteile 12, 14 wird das Mundstück 38 mit dem ihm zugewandten Bauteil 12 in Anlage gebracht und das Fügeelement 16 mittels der Fügekraft um die beiden Bauteile 12, 14 eingetrieben. Das Sensorelement 26 ist bei diesem Beispiel in die Treiberstange 34 integriert. Dadurch ist es besonders gut vor Umwelteinflüssen geschützt. Dabei kann das Sensorelement 26 beispielsweise als Piezoelement ausgeführt sein, welches besonders widerstandsfähig ist. Gerade bei der Integration des Sensorelements 26 in die Treiberstange 34 bietet sich außerdem an, das Sensorelement 26 als Beschleunigungssensor auszubilden. Dann ist es nicht mehr notwendig, dass das Sensorelement 26 widerstandsfähig genug ist, um selber Kräfte übertragen zu können. Außerdem kann mittels der durch einen Beschleunigungssensor erfassten Messgröße auch die Strecke berechnet werden, um welche das Fügeelement 16 in die Bauteile 12, 14 eingetrieben worden ist.
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4 zeigt in einer Perspektivansicht einen Roboter 40, welcher an einem um mehrere Achsen bewegbaren Manipulator 42 die Fügevorrichtung 10 angebracht hat. Der Roboter 40 kann auch als Industrieroboter bezeichnet werden.
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5 zeigt in einer Perspektivansicht eine Detailansicht des Roboters 40, insbesondere seines Roboterflansches 44 und der Fügevorrichtung 10. Das Fügeelement 16 befindet sich bereits in Anlage mit dem Bauteil 12. Mittels des Treiberelements 18 wird durch translatorisches Bewegen dieses das Fügeelement 16 in die Bauteile 12, 14 eingetrieben, wobei eine Fügekraft zum Eintreiben des Fügeelements 16 in die Bauteile 12, 14 über den beim Verbinden der Bauteile 12, 14 ausgebildeten Kraftpfad von dem Treiberelement 18 auf das Fügeelement 16 übertragen wird. Dabei wird mittels wenigstens des Sensorelements 26 wenigstens eine die Fügequalität charakterisierende Messgröße erfasst, wobei die Messgröße mittels des in dem Kraftpfad angeordneten Sensorelements 26 erfasst wird. Mittels dieser Messgröße können die Fügequalität und damit der Herstellprozess der Verbindung der Bauteile 12, 14 besonders genau überwacht werden. So ist eine hochgradig automatisierte Fertigung mit integrierter Qualitätskontrolle möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010006403 A1 [0002, 0002]
- DE 102006002237 B4 [0003]
