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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum automatisierten Richten eines Gussteils.
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Im Metalldruckgussverfahren hergestellte Bauteile, im folgenden als Gussteile bezeichnet, unterliegen nach dem Entformen einem prozessbedingten Verzug. Der Verzug führt zu Maßabweichungen, die durch ein so genanntes Richten wieder korrigiert werden müssen. Hierfür sind aus dem Stand der Technik diverse Richtverfahren, -vorrichtungen und -anlagen bekannt.
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Bislang findet das manuelle Richten von Gussteilen, wobei ein zu richtendes Gussteil manuell durch Hämmern, Biegen, Tordieren und dergleichen gerichtet und dabei ständig gemessen wird, breite Anwendung. Die Zeit, der Aufwand und die Vorgehensweise werden dabei durch die Erfahrung des ausführenden Werkers bestimmt.
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In der
DE 20 2004 015 821 U1 ist eine Vorrichtung beschrieben, die ein automatisches Messen und Richten eines Bauelements ermöglicht. Das Bauelement wird in eine Aufnahme der Vorrichtung eingelegt und fixiert. Anschließend werden mittels einer Messeinrichtung die räumlichen Positionen von einzelnen Messpunkten des Bauelements ermittelt. Die derart ermittelten Messwerte werden in einer der Vorrichtung zugeordneten Auswerte- und Steuereinheit abgespeichert und mit hinterlegten Sollpositionen der Messpunkte verglichen. Eine Software ermittelt dann aus den Abweichungen zwischen Soll-Positionen und Ist-Positionen der einzelnen Messpunkte entsprechende räumliche Korrekturwerte. Auf Basis dieser Korrekturwerte erfolgt dann das Richten des Bauelements durch ein Richtwerkzeug (oder Greifer), das am Bauelement entsprechende Biege- und Drückoperationen ausführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zum Richten eines Gussteils anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren und mit einer Anlage entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise das automatisierte Richten von Gussteilen in kurzer Taktzeit und mit gleichbleibend hoher Qualität bzw. mit hoher Wiederholgenauigkeit. Ferner kann, insbesondere im Vergleich mit dem manuellen Richten, eine deutliche Reduzierung der Lärmbelästigung erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum automatisierten Richten eines Gussteils sieht vor, dass
- – ein Roboter das zu richtende Gussteil aufnimmt;
- – der Roboter das Gussteil zu einer Messstation verfährt (d. h. dorthin bewegt), in der die Geometrie des Gussteils gemessen wird;
- – die in der Messstation erfassten Messwerte einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die hieraus (bspw. durch Vergleich der Messwerte mit Sollwerten) die Maßhaltigkeit des Gussteils bestimmt bzw. einen etwaigen Verzug des Gussteils ermittelt und eine Richtstrategie erstellt;
- – der Roboter das Gussteil zur Ausführung eines Richtvorgangs zu einer Richtstation, die wenigstens ein ortsfestes Richtwerkzeug aufweist, verfährt, wo das Gussteil zur Beseitigung des Verzugs inkrementell verformt wird, wobei der Roboter entsprechend der Richtstrategie das Gussteil im Richtwerkzeug positioniert und während des inkrementellen Verformens (relativ zum ortsfesten Richtwerkzeug) weiterbewegt.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass
- – der Roboter das Gussteil nach Abschluss des Richtvorgangs in der Richtstation wieder zu der Messstation verfährt, wo dessen Geometrie erneut gemessen wird;
- – die in der Messstation erfassten Messwerte wiederum der Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die eine neue Richtstrategie erstellt, falls das Gussteil noch Verzug aufweist;
- – der Roboter das Gussteil wieder zu der Richtstation verfährt, wo entsprechend der neuen Richtstrategie ein weiterer Richtvorgang ausgeführt wird.
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Ein weiterer Richtvorgang soll nur dann durchgeführt werden, wenn das Gussteil nach dem ersten Richtvorgang noch nicht die geforderte Maßhaltigkeit bzw. noch immer einen unzulässigen Verzug aufweist. Nach dem weiteren Richtvorgang kann das Gussteil erneut zu der Messstation verfahren werden, wo die geänderte Geometrie erneut gemessen und hieraufhin die Maßhaltigkeit des Gussteils erneut bestimmt werden kann. Gegebenenfalls können sich weitere Richtvorgänge bzw. -durchläufe anschließen.
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Sobald das Gussteil eine geforderte Maßhaltigkeit bzw. nur einen geringen und zulässigen Verzug aufweist, kann das Gussteil als Gutteil deklariert und ohne Richtvorgang oder ohne weiteren Richtvorgang vom Roboter abgelegt werden. Eine Dokumentation für jedes Gussteil ist möglich und bevorzugt auch vorgesehen.
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Bei dem zu richtenden Gussteil handelt es sich vorzugsweise um ein Druckgussbauteil und insbesondere um ein Aluminium- oder Magnesium-Druckgussbauteil. Vorzugsweise ist dies ein Fahrzeug- und insbesondere ein Karosserie- oder Fahrwerkbauteil.
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Das Richten des Gussteils erfolgt erfindungsgemäß durch ein inkrementelles Verformen, womit gemeint ist, dass die Verformung zur Erlangung der geforderten Maßhaltigkeit nicht in einem einzigen Schritt (bspw. durch Formgebung in einem Gesenk oder dergleichen), sondern mittels einer Vielzahl von Verformungsschritten, wobei das Gussteil relativ zum Richtwerkzeug bewegt wird (ähnlich dem Freiformschmieden), durchgeführt wird. Es handelt sich hierbei um ein mechanisches Richten, das aufgrund fehlender Formvorgaben des Richtwerkzeugs auch als freies Richten bzw. Freiformrichten bezeichnet werden kann. Prinzipiell könnte auch ein beim Richtvorgang bewegbares Richtwerkzeug verwendet werden, wobei dies technisch wesentlich schwieriger zu bewerkstelligen ist, als der Einsatz eines beim Richtvorgang im Wesentlichen ortsfesten Richtwerkzeugs.
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Unter einer Richtstrategie wird eine im Voraus bestimmte Vorgehensweise verstanden, in der die Maßnahmen zur optimalen Erreichung eines maßhaltigen bzw. verzugsfreien Gussteils festgelegt sind. Die Richtstrategie wird typischerweise gussteilspezifisch bzw. individuell für das zu richtende Gussteil erstellt und ist somit sozusagen für das zu richtende Gussteil maßgeschneidert. Bevorzugt ist vorgesehen, dass nur bestimmte Gussteilbereiche, wobei es sich vor allem um die besonders verzugsanfälligen oder in sonstiger Weise relevanten Bereiche bzw. Stellen handelt (bspw. Fügestellen), gemessen werden und für diese Gussteilbereiche eine Richtstrategie erstellt wird. Die Richtstrategie beinhaltet insbesondere einen Ablaufplan, in dem festgelegt bzw. vorgegeben ist, in welcher Reihenfolge einzelne Gussteilbereiche, d. h. die zu richtenden Gussteilstellen, beim Richtvorgang bearbeitet werden und wie der Roboter hierzu das Gussteil im Richtwerkzeug positionieren und während des inkrementellen Verformens, d. h. zwischen den einzelnen Verformungsschritten, weiterbewegt. Mithilfe der Richtstrategie können also Bewegungsbahnen (Bewegungstrajektorien) und insbesondere auch Geschwindigkeiten für den Roboter erstellt werden. Die Robotersteuerung kann von einer Steuereinrichtung bewerkstelligt werden, die hierzu mit der Auswerteinrichtung kommuniziert. Auch das Richtwerkzeug der Richtstation kann entsprechend der Richtstrategie gesteuert werden, bspw. derart, dass während des Richtvorgangs die in den einzelnen Verformungsschritten eingebrachte Umformenergie und/oder -richtung verändert wird. Die Richtstrategie kann somit auch einen Arbeitsplan für die Richtstation bzw. das Richtwerkzeug beinhalten. Die Werkzeugsteuerung kann von einer Steuereinrichtung bewerkstelligt werden, die hierzu mit der Auswerteinrichtung kommuniziert.
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Die Richtstrategie kann in der Auswerteeinrichtung bspw. basierend auf einem Ist-Soll-Vergleich der Messwerte erstellt werden, was insbesondere mittels entsprechender Software erfolgt. Mögliche Vorgehensweisen zur Ermittlung einer Richtstrategie sind Gegenstand bevorzugter Weiterbildungen und Ausgestaltungen, wobei diese Vorgehensweisen auch kombinierbar sind. Die Erstellung und Umsetzung einer Richtstrategie erfolgt insbesondere automatisch. Bei der Auswerteeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Computereinrichtung. Die Auswerteeinrichtung und die Steuereinrichtung(en) können zu einer Auswerte- und Steuereinheit zusammengefasst sein.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Roboter das aufgenommene Gussteil nicht ablegt, sondern während des gesamten Vorgangs bzw. Prozesses (d. h. beim Messvorgang in der Messstation und beim Richtvorgang in der Richtstation) festhält und erst wieder ablegt, wenn dieses verzugsfrei, also ein Gutteil ist. Insbesondere ist auch ein Umgreifen nicht vorgesehen.
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Die Richtstrategie kann auf Grundlage einer Datenbank, in der für das Gussteil geeignete Richtmaßnahmen hinterlegt sind, erstellt werden. Hierbei können auch Ähnlichkeiten zwischen dem zu richtenden Gussteil und anderen bekannten Gussteilen berücksichtigt werden. Richtmaßnahmen sind bspw. in einem bestimmten Gussteilbereich bzw. an einer bestimmten Gussteilstelle vorzusehende Richtwege, die bspw. gussteilabhängig und/oder verzugsabhängig in der Datenbank hinterlegt sind, auf die zur Erstellung der Richtstrategie zurückgegriffen werden kann. In der Datenbank können auch Ablauf- und Arbeitspläne hinterlegt sein, auf die zur Erstellung der Richtstrategie zurückgegriffen werden kann.
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Die Richtstrategie kann auch simulationsgestützt erstellt werden. Damit ist bspw. gemeint, dass auf Grundlage des ermittelten Verzugs der Richtvorgang, z. B. durch eine Umformsimulation, simuliert wird (was mittels entsprechender Software erfolgt) und dadurch z. B. in einem bestimmten Gussteilbereich bzw. an einer bestimmten Gussteilstelle vorzusehende Richtwege virtuell ermittelt bzw. berechnet werden. Hierbei kann auch ein so genanntes Metamodell für das betreffende Gussteil (oder gegebenenfalls ein ähnliches Gussteil) und/oder eine Datenbank, in der z. B. bereits virtuell ermittelte Richtwege für bestimmte Maßabweichungen hinterlegt sind, genutzt werden.
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Die Richtstrategie kann auch dadurch erstellt werden, dass die Richtstrategien vorausgehender Richtvorgänge an anderen Gussteilen und die damit erzielten Ergebnisse bzw. Resultate herangezogen werden, um hieraus die optimale Richtstrategie für das Gussteil abzuleiten. Dies kann bspw. auf Basis eines selbstlernenden bzw. sich selbst optimierenden Systems erfolgen, welches für vorausgehend bearbeitete Gussteile die ermittelten Maßabweichungen bzw. Verzüge, die hierfür erstellten Richtstrategien und die erreichten Ergebnisse gegenüberstellt, mit dem Ziel, zukünftig optimalere Richtstrategien erstellen zu können. Als selbstlernendes System kann z. B. ein neuronales Netz dienen.
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Die erfindungsgemäße Anlage zum automatisierten Richten eines Gussteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst:
- – einen Roboter, der das zu richtende Gussteil aufnehmen kann, wozu dieser bevorzugt wenigstens eine Greifeinrichtung aufweist;
- – eine Messstation, in der die Geometrie des Gussteils gemessen werden kann, wozu diese bevorzugt wenigstens einen taktilen oder berührungslosen Messsensor aufweist;
- – eine Auswerteeinrichtung, die aus den in der Messstation erfassten Messwerten den Verzug des zu richtenden Gussteils ermitteln und eine Richtstrategie für dieses Gussteil erstellen kann, wobei es sich insbesondere um eine Computereinrichtung mit geeigneter Software handelt;
- – eine Richtstation, die wenigstens ein ortsfestes Richtwerkzeug aufweist, mit dem das Gussteil zur Beseitigung des Verzugs gemäß der von der Auswerteeinrichtung erstellten Richtstrategie inkrementell verformt werden kann, wie vorausgehend erläutert.
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Diese Anlage ist bauteilunabhängig und kann somit äußerst flexibel zum automatisierten Richten verschiedener Gussteile verwendet werden.
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Bei dem Richtwerkzeug kann es sich um ein Universalrichtwerkzeug handeln. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass zur Ausführung eines Richtvorgangs trotz zum Teil sehr unterschiedlicher Verformungsschritte nur dieses eine Richtwerkzeug benötigt wird. Die Richtstation kann aber auch mehrere, bspw. in einem Werkzeugmagazin angeordnete, Richtwerkzeuge aufweisen, die entsprechend der Richtstrategie eingesetzt werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, die Erfindung weiterbilden.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein zu richtendes Gussteil.
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2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage zum automatisierten Richten des in 1 gezeigten Gussteils.
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3 zeigt schematisch ein Universalrichtwerkzeug zur Verwendung in der in 2 gezeigten Anlage.
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1 zeigt ein Druckgussbauteil 1, wobei es sich beispielhaft um einen Federbeindom handelt. Das bspw. aus einem Aluminiummaterial gebildete Druckgussbauteil 1 hat z. B. eine Nennwandstärke von 3 mm. Das Druckgussbauteil 1 weist in den umkreisten Gussteilbereichen A und B einen Verzug auf, der vor dem Verbau in einer Kraftfahrzeugkarosserie beseitigt werden muss (von besonderer Relevanz sind bspw. die Fügeflansche). Das Richten erfolgt automatisiert mit der in 2 gezeigten Anlage 100, wie nachfolgend erläutert.
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Die Anlage 100 umfasst einen Gelenkarm-Roboter 110 (oder dergleichen) mit einer Greifeinrichtung 115, eine Messstation 120 mit mehreren optischen Messsensoren 121, 122 und 123, eine mit diesen Messsensoren verbundene Auswerteeinrichtung 130 und eine Richtstation 140 mit einem Richtwerkzeug 141. Zur Anlage 100 gehört ferner eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zur Steuerung des Roboters 110 und des Richtwerkzeug 141, die mit der Auswerteeinrichtung 130 verbunden ist. Der Roboter 110, die Messstation 120 und die Richtstation 140 können in einer umzäunten Arbeitszelle zusammengefasst sein.
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Zum automatisierten Richten des Gussteils 1 wird dieses vom Roboter 110 aufgenommen und zunächst zu der Messstation 120 verfahren (wie mit dem Bewegungspfeil m veranschaulicht), wo ohne das Gussteil 1 abzusetzen oder abzulegen zumindest in den Gussteilbereichen A und B dessen Geometrie gemessen wird, was in dem gezeigten Ausführungsbeispiel berührungslos erfolgt (bspw. könnten auch taktile Messsensoren verwendet werden). Die in der Messstation 120 erfassten Messwerte werden der Auswerteeinrichtung 130 zugeführt, die hieraus, zumindest in den Gussteilbereichen A und B, den Verzug des Gussteils 1 ermittelt und eine Richtstrategie erstellt, wie obenstehend erläutert. Ohne das Gussteil 1 abzusetzen verfährt der Roboter 110 das zu richtende Gussteil 1 zu der Richtstation 140 (wie mit dem Bewegungspfeil n veranschaulicht), wo dieses zur Beseitigung seines Verzugs inkrementell verformt wird. Entsprechend der von der Auswerteeinrichtung 130 ermittelten Richtstrategie wird das am Roboter 110 gehaltene Gussteil 1 vom Roboter 110 im Richtwerkzeug 141 positioniert (bspw. zuerst mit seinem Bereich A) und während des inkrementellen Verformens relativ zu diesem ortsfesten Richtwerkzeug 141 weiterbewegt (wie mit dem Doppelpfeil r veranschaulicht), wobei auch das Richtwerkzeug 141 gemäß der Richtstrategie gesteuert werden kann.
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Nach dem Richtvorgang in der Richtstation 140 wird das Gussteil 1 wieder zur Messstation 120 verfahren und dort erneut gemessen. Falls das Gussteil 1 die geforderte Maßhaltigkeit aufweist, wird dieses als Gutteil deklariert und abgelegt. Falls das Gussteil 1 noch Verzug aufweist, wird eine neue Richtstrategie zur Beseitigung der restlichen Maßabweichung erstellt und das Gussteil 1 wird wieder zur Richtstation 140 verfahren, wo ein weiterer Richtvorgang gemäß der neuen Richtstrategie erfolgt. Abschließend kann das Gussteil 1 nochmals gemessen werden, was auch der Qualitätskontrolle dient. Der gesamte Prozess umfasst somit wenigstens einen in der Messstation 120 durchgeführten Messvorgang und, falls das Gussteil 1 Verzug aufweist, wenigstens einen in der Richtstation 140 durchgeführten Richtvorgang.
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Bevorzugt ist auch eine vollständige Dokumentation der Messergebnisse, die auch der Qualitätssicherung dienen kann, vorgesehen. Ferner können die erstellten Richtstrategien und die damit erzielten Ergebnisse in einer Datenbank hinterlegt und/oder im Rahmen eines selbstlernenden bzw. sich selbst optimierenden Systems verarbeitet werden, um das zukünftige Erstellen von Richtstrategien zu optimieren.
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Bei dem in 2 gezeigten Richtwerkzeug 141 handelt es sich um ein einfaches Richtwerkzeug, das ein erstes Werkzeugteil bzw. Werkzeugoberteil 142 und ein zweites Werkzeugteil bzw. Werkzeugunterteil 143 aufweist, die eine Lineareinheit bilden und uni-linear bewegbar sind (wie mit den Kraftpfeilen F veranschaulicht), um an dem dazwischen positionierten und vom Roboter 110 gehaltenen Gussteil 1 inkrementelle Verformungsschritte auszuführen. Der Vorteil eines solchen Richtwerkzeugs liegt in der sehr guten Zugänglichkeit für unterschiedliche Gussteilbereiche, insbesondere auch verrippte Gussteilbereiche und Gussteilbereiche mit Geometriesprüngen. Ferner werden die erforderlichen Umformkräfte größtenteils vom Richtwerkzeug 141 aufgenommen. Der Roboter 110 muss somit das Gussteil 1 mit dem zu richtenden Bauteilbereich (A oder B) lediglich im Richtwerkzeug 141 positionieren und weiterbewegen.
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3 zeigt ein anderes Richtwerkzeug 141', das ein mehrteiliges Werkzeugoberteil aufweist. Die beiden oberen Werkzeugteile 142a und 142b sind zueinander relativbeweglich und können auch in Querrichtung (d. h. quer zu den Kraftrichtungen F) verstellt werden, wodurch eine flexible Anpassung bzw. Einstellung von Druck- bzw. Krafteinleitungspunkten möglich ist. Auch bei diesem Richtwerkzeug 141' werden die Umformkräfte größtenteils vom Werkzeug selbst aufgenommen. Das Richtwerkzeug 141' ermöglicht ferner eine Dreipunktbiegung ohne nennenswerte Belastung des haltenden Roboters 110. Das Richtwerkzeug 141' ist flexibel anpassbar und damit universell einsetz- bzw. verwendbar, weswegen dieses auch als Universalrichtwerkzeug bezeichnet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004015821 U1 [0004]
