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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds mittels Widerstandsschweißens, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
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Das Widerstandselementschweißen erlaubt das Fügen mehrerer Bauteile mittels eines Fügeelements, wie etwa eines Niets. Das Fügeelement, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, wird dabei mittels widerstandsbedingter Erwärmung erhitzt und auf diese Weise mit einem ebenfalls elektrisch leitfähigen Bauteil unter Ausbildung einer Schweißlinse verschweißt.
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Typischerweise verwendete Fügeelemente sind dabei nietartig ausgestaltete, rotationssymmetrische Körper mit einem Schaftabschnitt und einem in axialer Richtung daran anliegenden Kopfabschnitt, wobei der Kopfabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der Schaftabschnitt. Zur Durchführung des Schweißverfahrens wird das Fügeelement mit dem Schaftabschnitt entlang einer Fügerichtung durch ein erstes zu fügendes Bauteil gesteckt oder getrieben, bis der Kopfabschnitt an der Oberfläche des ersten Bauteils zum Liegen kommt.
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Dabei kann das erste Bauteil eine Durchgangsöffnung aufweisen, in welche das Fügeelement eingesteckt wird. Alternativ kann das Fügeelement unter Realisierung eines Stromflusses sowie unter Aufbringung einer Kraft in das ebenfalls durch widerstandsbedingte Erwärmung fließfähig gemachte erste Bauteil eingetrieben werden.
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Das Fügeelement ist dabei derart ausgestaltet, dass es in der beschriebenen Position mit dem entlang der Fügerichtung zuvorderst liegenden Bereich des Schaftabschnittes in Kontakt mit einem zweiten zu fügenden Bauteil kommt, welches ebenso wie das Fügeelement elektrisch leitfähig ist, und mit welchem es die beschriebene Schweißlinse ausbildet. Auf diese Weise wird das erste Bauteil zwischen dem Kopfabschnitt des Fügeelements und dem zweiten Bauteil eingeklemmt und dadurch befestigt. Das erste Bauteil kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, welches nicht notwendigerweise elektrisch leitfähig sein muss. So ist beispielsweise das Fügen eines Aluminiumblechs an ein Stahlblech möglich, was vielfach zur Gewichtsreduktion genutzt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist in der
DE 10 2015 207 517 A1 beschrieben. Das Fügeelement wird dabei unter Druckkraft und widerstandsbedingter Erwärmung des ersten Bauteils mittels eines elektrischen Stroms derart in das erste Bauteil eingebracht, dass der Schaftabschnitt das erste Bauteil durchdringt und das zweite Bauteil kontaktiert. Mittels eines elektrischen Schweißstromflusses durch das Fügeelement und das zweite Bauteil werden der Schaftabschnitt und das zweite Bauteil durch Widerstandsschweißen verschweißt. Des Weiteren wird eine Fügeeinrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens offenbart. Diese umfasst zwei gegenüberliegende und relativ zueinander bewegliche Elektroden sowie ein Mittel zum Bereitstellen elektrisch leitfähiger Fügeelemente.
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Zur Automatisierung sowie zur großtechnischen Anwendung des beschriebenen Verfahrens zum Widerstandselementschweißen ist es wünschenswert, die Fügeelemente automatisiert zuführen zu können. Die
DE 10 2015 207 518 A1 offenbart eine Fügeeinrichtung mit einem Setzkopf, an welchem ein länglicher Fügestempel sowie eine Zuführvorrichtung mit einem senkrecht zur Längserstreckung des Fügestempels ausgerichteten Führungskanal zur Zuführung eines nietartigen Fügeelements angeordnet ist. Die Fügeeinrichtung umfasst weiterhin einen dem Fügestempel gegenüber angeordneten Gegenhalter. Fügestempel und Gegenhalter sind dabei als elektrische Elektroden ausgestaltet, die zum Durchführen eines Widerstandsschweißprozesses eingerichtet sind.
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Mit der Zuführvorrichtung sind die Fügeleemente auf eine Bereitstellungsposition zuführbar, so dass eine Längsachse des Fügeelements parallel zur Längsachse des Fügestempels ausgerichtet ist. Die Fügeelemente können dabei vor einem Verkippen gesichert werden. Die Zuführvorrichtung kann einen Anschlag zur Definition der Bereitstellungsposition und eine Positionssicherung zum Verhindern einer Bewegung der Fügeelemente entgegen der Zuführrichtung aufweisen. Sie kann weiterhin zwei Klemmbacken zum Einklemmen der Fügeelemente auch im Überkopfbetrieb aufweisen.
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Weitere bekannte Vorrichtungen ermöglichen das Zuführen von Fügeelementen und das lose, schwerkraftbedingte Anordnen der Fügeelemente zur Durchführung des Widerstandsschweißprozesses auf einer Führungseinrichtung. Diese sind jedoch häufig störungsanfällig und ggf. nicht in der Lage, einen variablen automatisierbaren Prozess zu realisieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche eine einfache und kostengünstige Herstellung von Bauteilverbunden durch Widerstandsschweißen ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds mittels Widerstandsschweißens gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds gemäß Anspruch 8. Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2-7 angegeben, eine Ausgestaltung des Verfahrens ist in Unteranspruch 9 angegeben. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds mittels Widerstandsschweißens, insbesondere mittels Widerstandselementschweißens. Diese umfasst eine Schweißelektrode zur Übertragung eines elektrischen Stroms auf ein Fügeelement sowie zur Ausübung einer Fügekraft auf das Fügeelement entlang einer Fügerichtung zwecks Herstellung einer Verbindung des Fügeelements mit einem Bauteil mittels Widerstandsschweißens. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Positionierungseinrichtung zur Positionierung wenigstens eines Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung zwecks Kontaktierung und insbesondere Kraftbeaufschlagung des Fügeelements mittels der Schweißelektrode. Dabei weist die Positionierungseinrichtung eine Halteeinrichtung zur Ausübung einer insbesondere senkrecht zur Fügerichtung ausgerichteten Haltekraft auf das Fügeelement auf. Die Halteeinrichtung ist zwecks Realisierung einer Bewegung des Fügeelements beweglich angeordnet, sodass sie mit wenigstens einer Komponente ihrer Bewegungsrichtung senkrecht zur Fügerichtung bewegbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des beschriebenen Widerstandselementschweißprozesses eingerichtet. Zu diesem Zweck ist das Bauteil zur Beaufschlagung mit dem notwendigen elektrischen Potential mit einer Gegenelektrode zu verbinden, welche der beschriebenen Elektrode gegenüberliegend auf der anderen Seite des Bauteils angeordnet sein kann. In diesem Falle kann die Gegenelektrode gleichermaßen als Gegendruckelement ausgestaltet sein, sodass zwischen den beiden Elektroden bzw. mittels der beiden Elektroden die Kraftbeaufschlagung des Fügeelements realisiert werden kann. Alternativ kann die Gegenelektrode an einer beliebigen Position angeordnet und mit dem Bauteil elektrisch leitfähig verbunden sein und es kann ein separates Gegendruckelement der beschriebenen Elektrode gegenüberliegend angeordnet sein. Dabei ist die Elektrode und/oder das Gegendruckelement entlang der Fügerichtung beweglich angeordnet, damit die Fügekraft ausübbar ist. Insbesondere ist die Elektrode zur Aufbringung einer Andruckkraft auf das Fügeelement entlang der Fügerichtung eingerichtet. Der zu fügende Bereich des Bauteils fordert insbesondere in einer senkrecht zu Fügerichtung verlaufenden Ebene. Die Achse der Fügerichtung ist dabei die imaginäre Linie, entlang derer eine Relativbewegung zwischen Schweißelektrode und Bauteil durchgeführt wird.
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Die Elektrode weist einen Kontaktbereich zur Kontaktierung des Fügeelements auf. Dieser ist typischerweise an einer von der Elektrode umfassten Elektrodenkappe angeordnet, mit welcher die Kontaktierung des Fügeelements realisiert wird. Die Kontaktierung dient der Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwecks Realisierung einer widerstandsbedingten Erwärmung. Die Kraftbeaufschlagung kann zum Durchstecken bzw. zum Durchtreiben des Fügeelements durch das Bauteil realisiert werden.
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Wie beschrieben wird als Fügeelement typischerweise ein elektrisch leitfähiges, im Wesentlichen rotationssymmetrisches Element mit einem Schaftabschnitt und einem in axialer Richtung daran anschließenden Kopfabschnitt mit im Vergleich zum Schaftabschnitt vergrößertem Durchmesser genutzt. Insbesondere wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus wenigstens zwei Bauteilen mittels des Fügeelements genutzt, wobei wie beschrieben wenigstens eines der zu fügenden Bauteile elektrisch leitfähig ist.
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Die Positionierungseinrichtung, insbesondere die Halteeinrichtung, ist dazu eingerichtet, das Fügeelement in einer zum Schweißen erforderlichen Zielposition auf der Achse der Fügerichtung zu positionieren. Insbesondere wird dabei die Längsachse des Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung angeordnet, welche durch die Längserstreckung der Schweißelektrode verläuft. Die Vorrichtung, insbesondere die Schweißelektrode, ist typischerweise dazu eingerichtet, vor bzw. zu Beginn des Schweißprozesses eine entlang der Fügerichtung wirkende Andruckkraft auf das Fügeelement auszuüben und es damit in der Zielposition zu fixieren. Das Fügeelement wird somit zwischen der Schweißelektrode und einem zu fügenden Bauteil eingeklemmt. Nun kann das Ausüben der Haltekraft durch die Halteeinrichtung beendet werden und die Halteeinrichtung kann aus der Achse der Fügerichtung verfahren werden, bevor ein elektrischer Strom zur Erzielung einer widerstandsbedingten Erwärmung realisiert wird.
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Die Positionierung des Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung dient insbesondere der Positionierung des Fügeelements an der Schweißelektrode, sodass ein elektrisch leitfähiger Kontakt hergestellt wird. Zur Herstellung des Kontakts kann eine Bewegung der Schweißelektrode notwendig sein. Die Positionierungseinrichtung ist dabei zumindest dazu eingerichtet, eine senkrecht zur Fügerichtung ausgerichtete Bewegungskomponente der Halteeinrichtung zu realisieren.
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In einer Ausgestaltung ist die Positionierungseinrichtung zur bloßen Positionierung des Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung eingerichtet und zur Herstellung des Kontakts mit der Schweißelektrode muss diese entlang der Fügerichtung verfahren werden.
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Zur Durchführung des Schweißvorganges ist weiterhin ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil vonnöten. Die Herstellung dieses Kontakts erfolgt typischerweise mittels einer Relativbewegung zwischen den genannten Teilen und insbesondere mittels Heranführung der Schweißelektrode mit dem Fügeelement an das Bauteil.
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Das Ausüben der Haltekraft durch die Halteeinrichtung meint eine aktive Kraftausübung, welche insbesondere dauerhaft möglich ist. Die Haltekraft ist insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu Fügerichtung ausgerichtet und kann beispielweise durch ein seitliches Greifen des Fügeelements realisiert werden.
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Zur Positionierung des Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung ist die Halteeinrichtung insbesondere senkrecht zur Fügerichtung beweglich. Auf diese Weise kann die Halteeinrichtung das darin angeordnete Fügeelement aus einer außerhalb der Achse der Fügerichtung befindlichen Position auf diese Achse transportieren. Die Halteeinrichtung ist dabei mit dem Fügeelement relativ zur Elektrode beweglich. Die Halteeinrichtung kann beispielsweise als mit einer Federkraft beaufschlagter bzw. beaufschlagbarer Greifer ausgestaltet sein.
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Die beschriebene Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Verfügung, für das Widerstandselementschweißen genutzte Fügeelemente auf eine automatisierbare Weise mit einer hohen Genauigkeit in der für den Schweißprozesses notwendigen Zielposition zu positionieren. Die Positionierung ist prozesssicher und störungsresistent, da Zangenschrägstellungen, Lateralversatz der Elektrodenachsen sowie störende Einflüsse von Klebstoff zwischen den zu fügenden Bauteilen kompensiert werden können.
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Weiterhin sind keine speziell ausgebildeten Schweißelektroden notwendig, da vorhandene bzw. bekannte Schweißelektroden durch Anordnung der beschriebenen Positionierungseinrichtung erfindungsgemäß ausgestattet werden können. Somit können kostengünstige und verbreitete Standardbetriebsmittel weiter genutzt werden.
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Durch die Ausübung der Haltekraft ist die Realisierung des Widerstandsschweißprozesses in jeder Raumrichtung und unabhängig von der Schwerkraftrichtung möglich, beispielsweise für vertikal oder schräg ausgerichtete Bauteile.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds weist die Positionierungseinrichtung wenigstens eine erste Linearführungseinrichtung zur linearen Verschiebung der Halteeinrichtung auf die Achse der Fügerichtung bzw. von dieser herunter und/oder wenigstens eine Rotationseinrichtung zur Drehung der Halteeinrichtung in die Achse der Fügerichtung bzw. aus dieser heraus auf.
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Somit ist die bewegliche Anordnung der Halteeinrichtung zur Realisierung des Transportes des Fügeelements in die Zielposition durch eine Linearführungseinrichtung und/oder eine Rotationseinrichtung realisiert. Die Linearführungseinrichtung kann insbesondere derart angeordnet sein, dass ihre Verschiebeachse senkrecht zur Fügerichtung verläuft. Die Rotationseinrichtung kann insbesondere derart angeordnet sein, dass ihre Rotationsachse parallel zur Fügerichtung verläuft. Dies führt zu dem Vorteil, dass jeweils mit kurzen zurückzulegenden Strecken der Transport des Fügeelements auf die Achse der Fügerichtung realisierbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Positionierungseinrichtung wenigstens eine zweite Linearführungseinrichtung zur Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Halteeinrichtung und der Schweißelektrode entlang der Achse der Fügerichtung auf.
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Die zweite Linearführungseinrichtung kann dabei dem Verfahren der Halteeinrichtung in eine vom zu schweißenden Bauteil beabstandete Position dienen. Dies kann beispielweise zur Anordnung des Fügeelements an der Halteeinrichtung in einer vom zu fügenden Bauteil beabstandeten Position realisiert werden. Auf diese Weise wird die Vorrichtung in die Lage versetzt, einen Widerstandsschweißprozess an Bauteilen mit unterschiedlichsten Geometrien zu realisieren.
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Die zweite Linearführungseinrichtung kann ebenso der Herstellung eines Kontakts zwischen Elektrode und Fügeelement dienen. Das Fügeelement kann mittels der ersten Linearführungseinrichtung auf der Achse der Fügerichtung positioniert werden und anschließend mittels Verfahrens der zweiten Linearführungseinrichtung in einen elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Elektrode gebracht werden.
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Typischerweise ist die zweite Linearführungseinrichtung dabei zur Bewegung der Halteeinrichtung eingerichtet und im Falle des Vorhandenseins einer ersten Linearführungseinrichtung beispielweise nach Art einer seriellen Kinematik beweglich an dieser angeordnet. Alternativ kann sie zu Bewegung der Schweißelektrode relativ zur Halteeinrichtung eingerichtet sein. In diesem Fall ist es ebenso möglich, dass durch die zweite Linearführungseinrichtung auch die Ausübung der Fügekraft auf das Fügeelement mittels der Schweißelektrode entlang der Fügerichtung realisiert werden kann.
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Mit der beschriebenen Linearführungseinrichtung kann das Fügeelement beispielsweise entlang der Achse der Fügerichtung relativ zur Schweißelektrode bewegt werden. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil einer besonders flexiblen Nutzbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit sich, da beliebige Bauteilgeometrien gefügt werden können.
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In einer Ausführungsform ist die Schweißelektrode mitsamt der Positionierungseinrichtung entlang der Fügerichtung verfahrbar, beispielweise mittels einer dritten Linearführungseinrichtung. Auf diese Weise kann die Halteeinrichtung mit dem Fügeelement gemeinsam mit der Schweißelektrode entlang der Fügerichtung auf das Bauteil zu bewegt werden und so ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Fügeelement und dem zu schweißenden Bauteil hergestellt werden.
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Die dritte Linearführungseinrichtung dient somit zur Positionierung der Schweißelektrode in Bezug zum Bauteil bzw. am Bauteil sowie insbesondere zur Ausübung der Fügekraft auf das Fügeelement entlang der Fügerichtung. Falls vorhanden, kann die zweite Linearführungseinrichtung in diesem Fall wie beschrieben dem Verfahren der Halteeinrichtung in eine vom zu schweißenden Bauteil beabstandet Position und/oder zur Positionierung des Halteelements an der Schweißelektrode dienen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Halteeinrichtung wenigstens zwei Greifarme zum Greifen des Fügeelements auf. Wenigstens ein Greifarm ist zwecks Realisierung einer Relativbewegung der Greifarme beweglich angeordnet. Die Vorrichtung weist insbesondere eine erste Antriebseinrichtung zur Bewegung des beweglichen Greifarms auf.
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Hier ist die Halteeinrichtung als Greifer ausgestaltet. Die erste Antriebseinrichtung zur Bewegung des beweglichen Greifarms und somit zur Realisierung der Haltekraft kann dabei eine Feder oder ein pneumatischer, hydraulischer und/oder elektrischer Antrieb sein. Die erste Antriebseinrichtung kann selbstverständlich ebenso zur Bewegung beider Greifarme eingerichtet sein, falls beide beweglich sind.
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Das Greifen wird typischerweise durch Einklemmen des Fügeelements realisiert, wobei in radialer Richtung Haltekräfte auf das Fügeelement wirken, insbesondere senkrecht zur Fügerichtung. Beispielsweise können die Greifarme dabei abgerundete Bereiche aufweisen, die zur Anordnung des Kopfabschnittes und/oder des Schaftabschnittes des Fügeelements eingerichtet sind.
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Insbesondere ist die Halteeinrichtung zum Greifen des Fügeelements an seinem Schaftabschnitt eingerichtet. Dazu können die Greifarme schmaler als die Längserstreckung des Schaftabschnittes sein, sodass der Greifer nach Einklemmen des Fügeelements zwischen der Elektrode und einem zu fügenden Bauteil unter Aufbringung der Andruckkraft eine Öffnung der Greifarme und eine seitliche Bewegung von der Achse der Fügerichtung weg realisieren kann.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass durch die definierten Bewegungen der Greifarme gezielte Haltekräfte ausgeübt werden können und dass das Halten des Fügeelements automatisierbar ist und besonders sicher und reproduzierbar erfolgen kann. Alternativ zur Ausgestaltung als Greifer kann die Halteeinrichtung weiterhin beispielsweise als Vakuumsauger oder als magnetischer Halter ausgeführt werden.
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In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung zur Zuführung wenigstens eines Fügeelements, insbesondere in einer definierten Ausrichtung, zur Positionierungseinrichtung auf.
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Insbesondere dient die Zuführeinrichtung dabei der Zuführung des Fügeelements zur Halteeinrichtung. Somit kann ein Fügeelement von außen in den Prozess eingebracht werden. Die Zuführeinrichtung kann beispielsweise zum druck- bzw. unterdruckbetriebenen Transport der Fügeelemente einen Schlauch, wie etwa einen Profilschlauch, aufweisen, an welchen sie zwecks Transports der Fügeelemente zur Zuführeinrichtung angeschlossen ist. Auf diese Weise können die Fügeelemente in einer definierten Ausrichtung der Zuführeinrichtung und anschließend der Halteeinrichtung zugeführt werden, sodass sie von der Halteeinrichtung in einer definierten Position gehalten werden können. Alternativ ist auch ein Führungssystem möglich, auf welchem die Fügeelemente geführt bewegbar sind.
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Dabei kann die Zuführeinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie Fügeelemente nacheinander an einer definierten Übergabeposition zur Verfügung stellt. Zu dieser kann die Halteeinrichtung verfahren werden, um das entsprechende Fügeelement aufzunehmen. Im Falle der Ausgestaltung der Halteeinrichtung als Greifer können beispielsweise die geöffneten Greifarme der Halteeinrichtung als Anschlag dienen, an welchem die Bewegung der Fügeelemente gestoppt wird. Mittels Bewegens wenigstens eines Greifarms kann anschließend die Haltekraft ausgeübt werden. Zum Bremsen der Fügeelemente können auch andere Einrichtungen genutzt werden, wie beispielsweise ein elektromagnetisches Bremssystem. Alternativ ist auch die Ausgestaltung eines Endbereichs der Zuführeinrichtung mit einer Raststufe möglich, insbesondere im Falle eines Führungssystems, in welcher die Fügeelemente zum Liegen kommen, und aus welcher sie gegriffen werden können.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass das Fügeelement automatisiert bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist die Zuführeinrichtung zur Zuführung einer Vielzahl von Fügeelementen eingerichtet und somit können mehrere Fügeprozesse in zeitökonomischer Weise nacheinander ausgeführt werden.
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Zur Vereinzelung der Fügeelemente kann beispielsweise ein Vereinzeler angeordnet sein. Auch eine magazinierte Bereitstellung, beispielweise mit einem Zwischenlager vor der Zuführeinrichtung, ist möglich.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Halteeinrichtung fest mit der Zuführeinrichtung verbunden sein. In diesem Fall ist die Zuführeinrichtung, welche auch in dieser Ausführungsform zum Transport der Fügeelemente mit einem Schlauch verbunden sein kann, zumindest mit einer Komponente ihrer Bewegungsrichtung senkrecht zu Fügerichtung beweglich. Diese Bewegung kann insbesondere wie beschrieben mittels der ersten Linearführungseinrichtung realisiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Positionierungseinrichtung eine Übergabeeinrichtung zum Übergeben des Fügeelements an die Halteeinrichtung auf. Insbesondere ist die Übergabeeinrichtung dabei relativ zur Halteeinrichtung beweglich.
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Die Übergabeeinrichtung kann zum Entnehmen der Fügeelemente aus der Zuführeinrichtung und zum Übergeben der Fügeelemente an die Halteeinrichtung eingerichtet sein.
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Die Anordnung einer Übergabeeinrichtung bringt den Vorteil mit sich, dass die Taktzeiten optimiert werden können. Während der Positionierung des Fügeelements an der Schweißelektrode mittels der Halteeinrichtung kann bereits ein weiteres anschließend zu nutzendes Fügeelement durch die Übergabeeinrichtung aus der Zuführeinrichtung entnommen werden, was einen schnelleren und effizienteren Prozess ermöglicht.
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Die Übergabeeinrichtung kann wenigstens zwei Greifarme zum Greifen des Fügeelements aufweisen, wobei wenigstens ein Greifarm zwecks Realisierung einer Relativbewegung der Greifarme beweglich angeordnet ist. Insbesondere umfasst die die Vorrichtung eine zweite Antriebseinrichtung zur Bewegung des beweglichen Greifarms.
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Beispielsweise kann die Übergabeeinrichtung dabei analog zur Halteeinrichtung ausgestaltet sein und die dort beschriebenen Merkmale aufweisen. Sie kann ebenfalls an wenigstens eine Linearführungseinrichtung zur linearen Verschiebung in Bezug zur Zuführeinrichtung angeschlossen sein.
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Hierbei können die geöffneten Greifarme der Übergabeeinrichtung als Anschlag dienen, an welchem die Bewegung der Fügeelemente wie beschrieben gestoppt wird.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die gesamte Transportkette von Bereitstellung über Übertragung bis hin zur Positionierung des Fügeelements besonders variabel, sicher und effizient durchführbar ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds. Dieses umfasst die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds und die Bereitstellung eines elektrisch leitfähigen Bauteils sowie eines elektrisch leitfähigen Fügeelements. Es erfolgt das Halten des Fügeelements mittels der Halteeinrichtung und das Positionieren des Fügeelements mittels der Positionierungseinrichtung auf der Achse der Fügerichtung, sodass das Fügeelement die Schweißelektrode kontaktiert oder bei einer Relativbewegung zwischen Fügeelement und Schweißelektrode kontaktieren kann. Das Verfahren umfasst weiterhin die Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Fügeelement und Schweißelektrode, insbesondere mittels Realisierung einer Relativbewegung zwischen Fügeelement und Schweißelektrode. Es erfolgt die Realisierung einer Relativbewegung zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil zwecks Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Fügeelement und Bauteil. Weiterhin umfasst das Verfahren die Realisierung eines elektrischen Stromes durch das Fügeelement und das Bauteil mittels der Schweißelektrode zur Erzielung einer widerstandsbedingten Erwärmung zwecks Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Fügeelement und Bauteil.
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Insbesondere umfasst das Verfahren die Bereitstellung eines zweiten Bauteils aus einem beliebigen Material sowie dessen Positionierung zwischen dem Fügeelement und dem beschriebenen ersten Bauteil zwecks Herstellung eines Bauteilverbunds aus beiden Bauteilen. Das Fügeelement wird in diesem Fall wie beschrieben durch das zweite Bauteil hindurch geführt und mit dem ersten Bauteil verschweißt, wobei das zweite Bauteil zwischen der ausgebildeten Schweißlinse und dem Kopfabschnitt des Fügeelements form- und/oder kraftschlüssig gehalten wird. Typischerweise wird zur Realisierung des elektrischen Stroms sowie insbesondere zur Ausübung einer Fügekraft auf das Fügeelement eine der Schweißelektrode gegenüberliegende Gegenelektrode genutzt.
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Die Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontakts zwischen Fügeelement und Schweißelektrode kann dabei vom Schritt des Positionierens des Fügeelements mittels der Positionierungseinrichtung umfasst sein, beispielsweise im Falle einer senkrecht zur Fügerichtung ausgerichteten Bewegung der Halteeinrichtung mit dem Fügeelement.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Vorrichtung zur Herstellung des Bauteilverbunds eine Zuführeinrichtung zur Zuführung wenigstens eines Fügeelements in einer definierten Ausrichtung zur Positionierungseinrichtung und die Positionierungseinrichtung umfasst eine relativ zur Halteeinrichtung beweglich angeordnete Übergabeeinrichtung zum Übergeben des Fügeelements an die Halteeinrichtung. Diese weist zwei Greifarme zum Greifen des Fügeelements auf, wobei wenigstens ein Greifarm zwecks Realisierung einer Relativbewegung der Greifarme beweglich angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Fügeelement mittels der Zuführeinrichtung in einer definierten Ausrichtung zur Positionierungseinrichtung, nämlich zur Übergabeeinrichtung, zugeführt. Dabei wird es derart abgebremst, dass die geöffneten Greifarme der Übergabeeinrichtung als Anschlag dienen. Es wird wenigstens ein Greifarm bewegt, um das Fügeelement zu greifen und es, insbesondere nach einer Bewegung der Übergabeeinrichtung, an die Halteeinrichtung zu übergeben.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt nach der Positionierung des Fügeelements auf der Achse der Fügerichtung, welche insbesondere eine Bewegung der Halteeinrichtung mit dem Fügeelement mittels der zweiten Linearführungseinrichtung entlang der Achse der Fügerichtung umfasst, eine gemeinsame Bewegung der Schweißelektrode und der Halteeinrichtung mit dem Fügeelement entlang der Fügerichtung.
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Die Bewegung der Halteeinrichtung mit dem Fügeelement entlang der Achse der Fügerichtung ist dabei insbesondere eine Bewegung entgegen der Fügerichtung. Alternativ kann die Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontakts durch eine Bewegung der Schweißelektrode entlang der Fügerichtung realisiert werden.
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In einer Ausgestaltung erfolgt zunächst die Positionierung des Fügeelements gemeinsam mit der Halteeinrichtung auf der Achse der Fügerichtung mittels der ersten Linearführungseinrichtung. Anschließend erfolgt eine Relativbewegung zwischen Fügeelement und Schweißelektrode zur Herstellung des elektrisch leitfähigen Kontakts. Dies wird mittels einer Bewegung der Halteeinrichtung der zweiten Linearführungseinrichtung entgegen der Fügerichtung realisiert. Durch diese Ausgestaltung ist die Positionierung bzw. Kontaktierung unabhängig von der Länge der Elektrodenkappe realisierbar. Dies hat den Vorteil, dass die Länge bzw. Ausgestaltung der in regelmäßigen abzuschleifenden bzw. abzufräsenden Elektrodenkappen keinen Einfluss auf die Positionierung der Fügeelemente haben, da die Relativbewegung die unterschiedlichen Höhen ausgleichen kann.
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Die gemeinsame Bewegung der Schweißelektrode und der Halteeinrichtung mit dem daran angeordneten und insbesondere die Schweißelektrode kontaktierenden Fügeelement wird insbesondere mittels der dritten Linearführungseinrichtung realisiert. Sie dient der Positionierung des Fügeelements an bzw. in einem zu fügenden Bauteil. Dabei wird typischerweise keine Relativbewegung mehr zwischen Halteeinrichtung und Schweißelektrode realisiert.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass durch die definierte Positionierung des Fügeelements an der Elektrode die Gefahr einer fehlerhaften Fügeverbindung, beispielsweise durch ein Verkippen des Fügeelements aus der Achse der Fügerichtung, effizient verhindert werden kann. Somit kann auch im Fall einer fehlerhaften Positionierung des Bauteils, der Vorrichtung und/oder der Positionierungseinrichtung eine Beschädigung der Halteeinrichtung verhindert werden.
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Alternativ ist es ebenso möglich, das Fügeelement mittels der Positionierungseinrichtung am zu fügenden Bauteil zu positionieren und anschließend eine Relativbewegung zwischen der Schweißelektrode und dem am Bauteil befindlichen Fügeelement zu realisieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die dargestellte Reihenfolge der Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts sowie der Realisierung einer Relativbewegung zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil eingeschränkt, sondern zumindest in diesen Schritten kann das Verfahren auch in umgekehrter Reihe ausgeführt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Dieses weist wenigstens einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Bauteilverbund auf. Der Bauteilverbund ist insbesondere ein Bauteilverbund aus zwei Bauteilen und beispielsweise ein Verbund eines Stahlblechs, etwa aus einem hochfesten oder höchstfesten Stahl, mit einem Aluminiumblech.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds in einer ersten Position,
- 2: eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung aus 1 in einer zweiten Position,
- 3: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds,
- 4: eine perspektivische Detaildarstellung der Vorrichtung aus 3,
- 5: eine perspektivische Detaildarstellung einer weiteren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Durchführung von Schritten des Verfahrens,
- 6: eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus 5 bei der Durchführung weiterer Verfahrensschritte,
- 7: eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus den 5-6 bei der Durchführung weiterer Verfahrensschritte, sowie
- 8: eine weitere perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus den 5-7.
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1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Bauteilverbunds mittels Widerstandsschweißens. Diese umfasst eine Schweißelektrode 12 mit einer daran angeordneten Elektrodenkappe 13. Die Schweißelektrode 12 ist zur Übertragung eines elektrischen Stroms auf ein Fügeelement 17 eingerichtet.
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Das Fügeelement 17 wird von einer neben der Elektrode angeordneten Halteeinrichtung 30 gehalten. Die Halteeinrichtung 30 ist Teil der Positionierungseinrichtung 20, welche der Positionierung des Fügeelements 17 auf der Achse der Fügerichtung 22 dient. Diese Positionierung mit dem Ziel der Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts und insbesondere weiter der Kraftbeaufschlagung des Fügeelements 17 mittels der Schweißelektrode 12 erfolgt insbesondere zur Vorbereitung des Widerstandsschwei ßprozesses.
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Die Vorrichtung 10 umfasst eine dritte Linearführung 14, auf welcher ein Schlitten 15 beweglich angeordnet ist um auf diese Weise die Positionierungseinrichtung 20 sowie die Schweißelektrode 12 entlang der Fügerichtung 22 zu verfahren. So kann mittels der Schweißelektrode 12 die Fügekraft auf das Fügeelement und somit auf ein zu fügendes Bauteil (hier nicht dargestellt) ausgeübt werden. Zur Durchführung des Widerstandsschweißprozesses umfasst die Vorrichtung weiterhin eine der Schweißelektrode 12 gegenüberliegende zweite Schweißelektrode bzw. Gegenelektrode, welche hier ebenfalls nicht dargestellt ist, und welche über den Zangenkörper 11 der als C-Zange ausgeführten Schweißzange mit der Schweißelektrode 12 mechanisch verbunden ist. Diese ist im vorliegenden Beispiel mechanisch fest am Zangenkörper 11 angeordnet.
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Die Positionierungseinrichtung 20 weist eine erste Linearführungseinrichtung 34 auf, mittels welcher die Halteeinrichtung 30 auf die Achse der Fügerichtung 22 verschoben werden kann. Diese Verschiebung erfolgt senkrecht zur Achse der Fügerichtung 22. Die erste Linearführungseinrichtung 34 ist wiederum auf der beweglichen Seite einer zweiten Linearführungseinrichtung 35 angeordnet, deren Bewegungsachse parallel zur Achse der Fügerichtung 22 verläuft. Die in Bezug zur beweglichen Seite der zweiten Linearführungseinrichtung 35 feste Seite der zweiten Linearführungseinrichtung 35 ist mechanisch mit der Schweißelektrode 12 verbunden und, wie beschrieben, gemeinsam mit dieser mittels des Schlittens 15 auf der dritten Linearführung 14 bewegbar.
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In der hier dargestellten Position sind beide Linearführungseinrichtungen 34, 35 im eingefahrenen Zustand gezeigt, sodass die Halteeinrichtung 30 nicht auf der Achse der Fügerichtung 22 und in einer bezüglich der Elektrodenkappe 13 zurückgezogenen Position befindlich ist.
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Alternativ zur hier gezeigten Variante kann die Halteeinrichtung ebenso eine Rotationseinrichtung aufweisen, mittels welcher sie bzw. das von ihr gehaltene Fügeelement in die Achse der Fügerichtung bewegbar ist. Ebenso kann eine Bewegungseinrichtung genutzt werden, die gleichermaßen rotatorische und translatorische Bewegungen entlang einer gemeinsamen Achse vollziehen kann.
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2 zeigt dieselbe Vorrichtung nach Durchführung zweier Relativbewegungen der Halteeinrichtung 30 bezüglich der Schweißelektrode 12. Es ist ersichtlich, dass beide Linearführungseinrichtungen 34, 35 nun im ausgefahrenen Zustand dargestellt sind. Das Fügeelement 17 befindet sich nun in der Achse der Fügerichtung 22 und es ist bereits ein Kontakt der Elektrodenkappe 13 mit dem Fügeelement 17 hergestellt.
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Insbesondere wurde zur Erreichung der gezeigten Position die zweite Linearführungseinrichtung 35 über die gezeigte Position hinaus verfahren und im Anschluss die Halteeinrichtung 30 mit dem Fügeelement 17 mittels der ersten Linearführungseinrichtung 34 in die Achse der Fügerichtung 22 verbracht. Daraufhin erfolgte eine Bewegung der Halteeinrichtung 30 mittels der zweiten Linearführungseinrichtung 34 entgegen der Fügerichtung 22, sodass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen dem Fügeelement 17 und der Schweißelektrode 12 hergestellt wurde.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Neben den bereits zu den 1 und 2 beschriebenen Elementen umfasst diese eine Zuführeinrichtung 40 zur Zuführung von Fügeelementen. An diese ist ein Konturschlauch 41 angeschlossen, mittels welchem die Fügeelemente mittels eines Überdrucks in einer definierten Ausrichtung zur Zuführeinrichtung 40 transportiert werden können. Die Zuführeinrichtung 40 dient somit als eine Kupplung zwischen dem Konturschlauch 41 und der Übergabeeinrichtung 42 zum Transport einzelner Fügeelemente 17. Sie stellt eine gekrümmte Führung für die Fügeelement 17 zur Verfügung, in welcher diese eine Richtungsumkehr um 90° erfahren.
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Weiterhin umfasst die Positionierungseinrichtung 20 eine Übergabeeinrichtung 42 zum Übergeben des Fügeelements an die Halteeinrichtung 30. Diese ist fest an der Positionierungseinrichtung 20 angeordnet und weist somit eine fixe Position bezüglich der Zuführeinrichtung 40 auf. Die Übergabeeinrichtung 42 ist dazu eingerichtet, mittels der Zuführeinrichtung 40 zugeführte Fügeelemente 17 zu greifen und sie an die Halteeinrichtung 30 weiterzugeben.
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Auch in der hier gezeigten Ausführungsform ist die Halteeinrichtung 30 mittels der seriell angeordneten Linearführungseinrichtungen 34, 35 in Bezug zur Schweißelektrode 12 beweglich. In der Halteeinrichtung 30 ist ein Fügeelement 17 angeordnet. Die Halteeinrichtung 30 befindet sich dabei in einer Übergabeposition, in welcher sie das Fügeelement 17 aus der Übergabeeinrichtung 42 herausgreift, um es auf der Achse der Fügerichtung 22 zu positionieren. In dieser Position der Halteeinrichtung 30 befinden sich beide Linearführungseinrichtungen 44, 45 im eingefahrenen Zustand.
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Sowohl die Halteeinrichtung 30 als auch die Übergabeeinrichtung 42 weisen jeweils zwei Greifarme auf. Dies ist im Detail in 4 dargestellt. Die Übergabeeinrichtung 42 weist zwei bewegliche Greifarme 43, 44 auf, welche in geöffneter Position gezeigt sind. In der darüber angeordneten Zuführeinrichtung 40 befindet sich am Ende der beschriebenen Führung ein Fügeelement 17, welches von den geöffneten Greifarmen 43, 44 an einer weiteren Bewegung gehindert und folglich abgebremst wird. Durch eine aufeinander zu gerichtete Bewegung der Greifarme 43, 44 kommt der Kopfabschnitt des Fügeelements 17 in an den Innenseiten der Greifarme 43, 44 angeordneten gerundeten Aufnahmemulden zum Liegen und wird durch seitlich bzw. radial wirkende Kräfte eingeklemmt. Dabei ragt der Schaftabschnitt in Richtung der Halteeinrichtung 30, sodass diese ihn durch Ausübung der Haltekraft halten kann.
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5 zeigt eine alternative Ausgestaltung, in welcher die Halteeinrichtung 30, die Zuführeinrichtung sowie die Übergabeeinrichtung 42 um 45° gegenüber der Schweißelektrode gedreht sind. Diese Ausführungsform bietet gegenüber den vorherig gezeigten Ausführungsformen eine deutliche Platzeinsparung und erlaubt somit ein sehr kompaktes Design der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches in der Lage ist, Fügeverbindungen an allen Bereichen eines dreidimensional ausgeformten Bauteils, beispielweise einer Fahrzeugkarosserie, zu realisieren.
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In dieser Darstellung ist die Übergabe des Fügeelements 17 von der Übergabeeinrichtung 42 an die Halteeinrichtung 30 im Detail dargestellt. Die Übergabeeinrichtung 42 kann hier genau wie der Halteeinrichtung 30 entlang der Fügerichtung verschieblich angeordnet und zu diesem Zweck an eine Linearführungseinrichtung gekoppelt sein. Somit kann sie entlang der Fügerichtung von der Zuführeinrichtung weg bewegt werden, um das mit seinem Kopfabschnitt zwischen den beiden Greifarmen 43, 44 eingeklemmte Fügeelement 17 an die Halteeinrichtung 30 zu übergeben. Es ist ersichtlich, dass der Schaftabschnitt des Fügeelements mittels der Greifarme 31, 32 der Halteeinrichtung 30 unter Aufbringung der senkrecht zu Fügerichtung ausgerichteten Haltekraft gehalten wird. Dabei weisen die Greifarme 31, 32 der Halteeinrichtung 30 entlang der Fügerichtung eine geringere Dicke auf als die Länge des Schaftabschnitts des Fügeelements 17.
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6 zeigt die beschriebene Ausführungsform bei einem folgenden Schritt des Verfahrens. Das Fügeelement 17 wird nun durch Bewegung der Halteeinrichtung 30 mittels der zweiten Linearführungseinrichtung 35 entlang der Fügerichtung bewegt. Die Übergabeeinrichtung 42 ist mit geöffneten Greifarmen dargestellt. Im Falle einer beweglichen Ausgestaltung könnte sie zurück zur Zuführeinrichtung 40 bewegt werden, um dort als Anschlag für das nächste Fügeelement zu dienen, welches per Überdruck in die geöffneten Greifarme transportiert wird.
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Weiterhin ist hier ersichtlich, dass zur Realisierung des 45°-Winkels eine entsprechend ausgestaltete Platte an der beweglichen Seite der zweiten Linearführungseinrichtung 35 angeordnet ist. Auf dieser ist wiederum die erste Linearführungseinrichtung 34 im genannten Winkel von 45° angeordnet. Die Übergabeeinrichtung 42 sowie die Zuführeinrichtung 40 sind an einer Platte der Positioniereinrichtung 20 befestigt, welche entsprechend winklig an der Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Bauteilverbunds angeordnet ist.
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In dieser Ausführungsform weisen sowohl die Halteeinrichtung 30 als auch die Übergabeeinrichtung 42 jeweils einen Sensor zur Detektion eines Fügeelements auf. Mittels des Sensors kann zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens erkannt werden, ob ein Fügeelement in der jeweiligen Einrichtung angeordnet ist und das Verfahren dementsprechend gesteuert werden. Kommt es beispielsweise in einem der genannten Elemente zu einem fehlerhaften Greifen eines Fügeelements, kann die Zuführung wiederholt ausgeführt werden, um ein Fügeelement für den Schweißprozess zur Verfügung zu stellen und mittels der Halteeinrichtung 30 korrekt zu positionieren.
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7 zeigt folgende Verfahrensschritte mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Gegenüber 6 ist die Halteeinrichtung 30 nunmehr auch senkrecht zur Achse der Fügerichtung verschoben, was mittels der ersten Linearführungseinrichtung 34 realisiert ist. Somit ist das Fügeelement 17 in der zur Durchführung der Schweißverbindung notwendigen Zielposition an der Spitze der Schweißelektrode 12, nämlich an deren Elektrodenkappe 13, positioniert. Die Übergabeeinrichtung 42 befindet sich zwecks Aufnahme des folgenden Fügeelements 17 aus der Zuführeinrichtung 40 wieder in ihrer Übergabeposition. Im folgenden Schritt kann nun die Schweißelektrode 12 gemeinsam mit der Positionseinrichtung 20 mittels der dritten Linearführung 14 entlang der Fügerichtung bewegt werden, um das Fügeelement 17 am zu fügenden Bauteil einzuklemmen. Aus dieser Position heraus kann die Halteeinrichtung 30 das Fügeelement 17 freigeben und mittels der ersten Linearführungseinrichtung 34 aus der Achse der Fügerichtung heraus verfahren werden.
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Der nun anschließende Schritt ist in 8 dargestellt, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einer weiteren Perspektive zeigt. Es ist ersichtlich, dass neben dem mittels der Halteeinrichtung 30 gehaltenen Fügeelement 17 ein weiteres Fügeelement 17 in der Übergabeeinrichtung 42 angeordnet ist. Nach Durchführung des Schweißprozesses mittels der Schweißelektrode 12 kann die Halteeinrichtung wiederum zurück zur Übergabeposition an der Übergabeeinrichtung 42 verfahren werden, um das folgende Fügeelement 17 zu positionieren.
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Bezugszeichenliste
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| Vorrichtung |
10 |
| Zangen körper |
11 |
| Schweißelektrode |
12 |
| Elektrodenkappe |
13 |
| Dritte Linearführung |
14 |
| Schlitten |
15 |
| Fügeelement |
17 |
| Positionierungseinrichtung |
20 |
| Fügerichtung |
22 |
| Halteeinrichtung |
30 |
| Erster Greifarm der Halteeinrichtung |
31 |
| Zweiter Greifarm der Halteeinrichtung |
32 |
| Erste Linearführungseinrichtung |
34 |
| Zweite Linearführungseinrichtung |
35 |
| Zuführeinrichtung |
40 |
| Konturschlauch |
41 |
| Übergabeeinrichtung |
42 |
| Erster Greifarm der Übergabeeinrichtung |
43 |
| Zweiter Greifarm der Übergabeeinrichtung |
44 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015207517 A1 [0006]
- DE 102015207518 A1 [0007]
