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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Setzvorrichtung zum Fügen von mindestens einem Bauteil und ein Verfahren zum Überwachen der Fügequalität einer solchen Setzvorrichtung, die zum Nieten und/oder Pressen und/oder Stanzen ausgestaltet ist.
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Eine Setzvorrichtung findet beim Verbinden oder Fügen von mindestens einem Bauteil Verwendung, wobei beispielsweise zwei Ränder des Bauteils miteinander verbunden werden. Alternativ können mit der Setzvorrichtung auch zwei oder mehr Bauteile aneinander befestigt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Setzvorrichtung zum Pressen und/oder Stanzen Verwendung finden.
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Mit der Setzvorrichtung wird durch Aufbringen einer Kraft erreicht, dass ein Fügekörper, beispielsweise ein Niet, zu fügende Objekt(e) oder Bauteil(e) durchdringt. Dadurch wird eine Verbindung zwischen dem mindestens einen Objekt oder Bauteil hergestellt. Zur Senkung des dadurch verursachten Energiebedarfs beim Betrieb der Setzvorrichtung und zur Reduktion der Fügekräfte kommt mittlerweile beim Fügen in einigen Fällen eine Ultraschallunterstützung zum Einsatz. Als Ergebnis davon wird die Setzvorrichtung kleiner, schlanker und leichter, was wiederum eine bessere Zugänglichkeit zu einem zu bearbeitenden Bauteilflansch oder einer Fügestelle zur Folge hat. Außerdem kommt es zu einer Verbesserung eines Einschneid-/Trennprozesses, einer Reduktion von Delaminationen beim Stanznieten, konkret beim Durchtrennen, von Faserverbundwerkstoffen und es ist eine Erweiterung des nietbaren Materialspektrums möglich. Darüber hinaus ergeben sich Kostenvorteile, wie beispielsweise geringere Verbrauchskosten für den Betreiber der Setzvorrichtung mit Ultraschallunterstützung. Insbesondere wird ein Verbau von kostengünstigeren Hilfsfügeelementen aus Edelstahl ermöglicht. Außerdem ziehen die genannten Vorteile auch geringere Anlagenkosten nach sich, da für die leichtere Setzvorrichtung eine Verwendung von Robotern mit geringerer Traglast, möglicherweise aus Standardrobotertraglastklassen, möglich wird.
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Bei der industriellen Fertigung von Gegenständen unter Einsatz einer Setzvorrichtung, ist in der Regel die Qualität der jeweils hergestellten Fügeverbindungen zu dokumentieren und zu belegen. Eine gute Fügequalität ist durch Realisierung von Eigenschaften, wie dauerhafte Festigkeit, Erfüllung der geforderten Haltekraft, Einhaltung definierter Toleranzen für die Oberfläche nach dem Fügen, usw. charakterisiert. Hierbei fordern Hersteller von beispielsweise Fahrzeugen, usw., eine definierte Qualität der Fügeverbindung einzuhalten, was in der Praxis Probleme bereitet.
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Problematisch ist ferner, dass sich die IST-Qualität der mit der Setzvorrichtung gesetzten Verbindungselemente oft nur aufwändig ermitteln lässt, beispielsweise zerstörend. Jedoch ist es für die Anwendung wichtig, einen möglichst realistischen Schätzwert für die Qualität der hergestellten Fügeverbindung zu erhalten.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Setzvorrichtung zum Fügen von mindestens einem Bauteil und ein Verfahren zum Überwachen der Fügequalität einer solchen Setzvorrichtung bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Setzvorrichtung zum Fügen von mindestens einem Bauteil und ein Verfahren zum Überwachen der Fügequalität einer solchen Setzvorrichtung bereitgestellt werden, bei welchen die Einhaltung und Überwachung der geforderten Qualität einer Fügeverbindung einfach und dennoch präzise möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Setzvorrichtung zum Fügen von mindestens einem Bauteil nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Setzvorrichtung hat einen Aktor, mit welchem eine Stempelkraft und/oder eine Schwingung beim Nieten und/oder Stanzen und/oder Pressen zum Fügen in das mindestens eine Bauteil eingeleitet und aufgebracht wird, einen Niederhalter, welcher beim Fügen dem mindestens einen Bauteil zugewandt ist, und in welchem der Aktor beim Fügen zumindest teilweise geführt wird, eine Matrize als Gegenhalter für den Stempel beim Fügen, eine Bügel, welcher ausgestaltet ist, um beim Fügen eine Kraft zwischen dem Aktor mit Niederhalter und der Matrize aufzubauen, mindestens zwei Sensoren, die an verschiedenen Stellen des Bügels und/oder dem Niederhalter und/oder der Matrize angeordnet sind und zur Messung von mindestens zwei Größen der Größen Kraft und/oder Beschleunigung und/oder Weg ausgestaltet sind, und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Fügens auf der Grundlage von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren und/oder zur Überwachung der Qualität einer mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung auf der Grundlage von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren.
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Mit der zuvor beschriebenen Setzvorrichtung lassen sich auf einfache und zuverlässige Art und Weise Fügeverbindungen definierter Qualität erreichen und außerdem zuverlässige Rückschlüsse auf die Fügequalität einer mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung bilden. Die Messgrößen der Überwachung können zusätzlich zu bisherigen Parametern zur Prozessregelung genutzt werden, wodurch eine hohe Qualität der mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung sichergestellt werden kann.
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Vorteilhaft ist außerdem, dass die Überwachung der Qualität der mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung zu sehr zuverlässigen Schätzwerten führt, so dass eine zerstörende Prüfung der Fügeverbindung weitestgehend verzichtbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass mit der Setzvorrichtung eine Schwankung verschiedener physikalischer Parameter, wie beispielsweise Oberflächenbeschichtungsdicke, geometrische Lage der Fügeobjekte zueinander, Werkzeugverschleiß, usw. kompensiert werden kann, wodurch die Fügequalität konstant gehalten werden kann.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Setzvorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsvariante ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, zur Steuerung des Fügens und/oder zur Beurteilung der Qualität der Absolutwerte von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren. Zusätzlich oder alternativ ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, eine Messergebnisdifferenz von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren zu verwenden.
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Möglicherweise ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, die Stempelkraft über der Zeit als Kraftverlauf aufzubringen, der mindestens einen Kraftimpuls aufweist und wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, den Kraftverlauf auf der Grundlage von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren anzupassen, um eine definierte Qualität einer mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung zu erreichen.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung ausgestaltet sein, zur Steuerung des Fügens und/oder zur Beurteilung der Qualität ein Modell zugrunde zu legen, in welchem die Messgrößen der mindestens zwei Sensoren verwendet werden. Hierbei weist das Modell möglicherweise eine geometrische Nachbildung der Anordnung aus Bügel und/oder Niederhalter und/oder Matrize auf.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei Sensoren an Stellen montiert, welche die bei Fügen entstehenden mechanischen Spannungen führen.
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Es ist denkbar, dass mindestens ein Sensor der mindestens zwei Sensoren an der Außenfläche des Bügels und/oder des Niederhalters und/oder der Matrize angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass mindestens ein Sensor der mindestens zwei Sensoren innen in dem Bügel und/oder dem Niederhalter und/oder der Matrize angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist der Aktor einen Stempel zum Aufbringen der Stempelkraft beim Fügen auf das mindestens eine Bauteil, und eine Schwingungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung der Schwingung, welche die Stempelkraft beim Fügen von mindestens einem Bauteil unterstützt.
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Mindestens eine zuvor beschriebene Setzvorrichtung kann Teil einer Anlage sein, die zudem eine Vorrichtung zum Führen einer Setzvorrichtung der mindestens einen Setzvorrichtung im Raum aufweist.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Überwachen der Fügequalität einer Setzvorrichtung nach Patentanspruch 10 gelöst. Die Setzvorrichtung hat einen Aktor, mit welchem eine Stempelkraft und/oder eine Schwingung beim Nieten und/oder Stanzen und/oder Pressen zum Fügen in das mindestens eine Bauteil eingeleitet und aufgebracht wird, einen Niederhalter, welcher beim Fügen dem mindestens einen Bauteil zugewandt ist, und in welchem der Aktor beim Fügen zumindest teilweise geführt wird, und eine Matrize als Gegenhalter für den Stempel beim Fügen aufweist. Das Verfahren hat die Schritte: Aufbauen, mit einem Bügel, einer Kraft zwischen dem Aktor mit Niederhalter und der Matrize, wenn das mindestens eine Bauteil gefügt wird, Messen, mit mindestens zwei Sensoren, die an verschiedenen Stellen des Bügels und/oder dem Niederhalter und/oder der Matrize angeordnet sind, von mindestens zwei Größen der Größen Kraft und/oder Beschleunigung und/oder Weg, und Steuern, mit einer Steuereinrichtung, des Fügens auf der Grundlage von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren und/oder Überwachen der Qualität einer mit der Setzvorrichtung hergestellten Fügeverbindung auf der Grundlage von Messgrößen der mindestens zwei Sensoren.
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Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Setzvorrichtung genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 bis 4 jeweils eine schematische Ansicht von verschiedenen Prozesszuständen in einer Anlage beim Durchführen eines Stanznietverfahrens mit einer Setzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Ansicht eines Aufbaus für die Setzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
- 6 eine schematische Ansicht der Anlage mit einer Vorrichtung zur Bewegung der Setzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt sehr schematisch eine Anlage 1 mit einer Setzvorrichtung 2, die hier als Beispiel als Stanznietvorrichtung ausgestaltet ist. Die Anlage 1 kann beispielsweise eine industrielle Anlage oder Fertigungsanlage für Gegenstände 3, wie Fahrzeuge, Möbel, Elektrogeräte, usw. sein.
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Ganz allgemein kann die Setzvorrichtung 2 zum Nieten und/oder Pressen und/oder Stanzen ausgestaltet sein.
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Die Setzvorrichtung 2 dient bei dem gezeigten Beispiel zum Setzen eines Stanzniets 5 in beispielsweise ein erstes Bauteil 6 und ein zweites Bauteil 7, die auf einer Matrize 10 übereinander aufliegen. Nach dem Setzen des Stanzniets 5 in das erste und zweite Bauteil 6, 7 verbindet der Stanzniet 5 das erste und zweite Bauteil 6, 7. Der Stanzniet 5 erzeugt eine Fügeverbindung des ersten und zweiten Bauteils 6, 7. Das erste und zweite Bauteil 6, 7 sind möglicherweise Bauteile des Gegenstands 3. Wie zuvor beschrieben, können aber auch nur zwei Ränder ein und desselben Bauteils 6 mit mindestens einem Stanzniet 5 miteinander verbunden werden.
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Vorzugsweise ist mit dem ersten und zweiten Bauteil 6, 7 eine Kombination zu fügen aus Faserverbundwerkstoffen oder faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), mit mindestens einem Metall, insbesondere duktiler Stahl, oder Aluminium oder Magnesium sowie Legierungen dieser Werkstoffe. Anwendung findet das nachfolgend beschriebene Verfahren möglicherweise im Flugzeugbau, im allgemeinen Fahrzeugbau, im Karosserieleichtbau, usw., speziell für den Industriezweig der Elektromobilität. Hier sind mit dem nachfolgenden Verfahren qualitativ hochwertige Fügeverbindungen zwischen ungleichen Leichtbauwerkstoffen, insbesondere mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) herstellbar.
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Der Stanzniet 5 kann bei den genannten Werkstoffen vorzugsweise aus Edelstahl oder aus V2A-Stahl oder aus V4A-Stahl gefertigt sein. Die genannten Materialien tragen mit dazu bei, dass beim Setzen des Stanzniets 5 möglichst wenig gesundheitsschädliche Stäube entstehen.
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In 1 ist zum Setzen des Stanzniets 5 in das erste und zweite Bauteil 6, 7 ein Stempel 20 mit einer Schwingungserzeugungseinrichtung 21 vorgesehen. Der Stempel 20 wird in einem Niederhalter 30 der Setzvorrichtung 2 geführt. Der Stempel 20 wird mittels einer Antriebseinrichtung 40 angetrieben, so dass auf den Stempel 20 eine Stempelkraft F wirkt, die insbesondere eine Stempeldruckkraft ist. Die Antriebseinrichtung 40 kann ein Elektroantrieb und eine Spindel mit Kugel-, Rolle- oder Planetengewindetrieb sein. Zudem ist ein Konverter 60 vorgesehen, welcher eine die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S initiiert. Die Schwingung S wird mit Hilfe der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 des Stempels 20 für den Stanzniet 5 und damit das Bauteil 6, 7 bereitgestellt. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 kann beispielsweise ein Leistungsultraschall-Schwingsystem, bestehend aus Piezokonverter, Booster und Sonotrode sein, welches Ultraschall als die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S erzeugt.
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Der Stempel 20, die Schwingungserzeugungseinrichtung 21 und die Antriebseinrichtung 40 bilden einen Aktor 20, 21, 40, mit welchem die Stempelkraft oder Kraft F und/oder die Schwingung S beim Nieten und/oder Stanzen und/oder Pressen mit der Setzvorrichtung 2 zum Fügen in das mindestens eine Bauteil 6, 7 eingeleitet und aufgebracht wird.
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In 1 ist ein Zustand eines von der Setzvorrichtung 2 beispielsweise ausgeführten Verfahrens gezeigt, bei welchem der Stanzniet 5 zwischen dem Stempel 20 und dem ersten Bauteil 6 angeordnet ist. Anschließend kann mit dem Stempel 20 die Stempelkraft F in Richtung auf den Stanzniet 5 und mit der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 die die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S in einem Bereich von beispielsweise 15 kHz bis 20 kHz und einer Amplitude von beispielsweise 5 bis 50 µm auf den Stanzniet 5 aufgebracht werden. Im Folgenden wird der Stanzniet 5 zunächst in die Bauteile 6, 7 geschnitten oder gestanzt, wie in 2 veranschaulicht. Bei weiter andauernder Stempelkraft F und der die Stempelkraft F unterstützenden Schwingung S spreizt sich der Stanzniet 5 in den Bauteilen 6, 7 durch den Gegendruck von der Matrize 10 auf, wie in 3 gezeigt. Zudem formt sich an dem Stanzniet 5 aus den Bauteilen 6, 7 ein Butzen 8 aus.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden, wenn der Stanzniet 5 in die Bauteile 6, 7 gesetzt ist, wie in 4 gezeigt, die Stempelkraft F und die die Stempelkraft F unterstützende Schwingung S abgeschaltet.
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Die Setzvorrichtung 2 ist dann wieder in die Ausgangsposition zum Stanznieten verfahrbar, die in 1 gezeigt ist. Danach kann ein nächster Stanzniet 5 in die Bauteile 6, 7 oder in mindestens ein weiteres Bauteil gesetzt werden.
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Die Setzvorrichtung 2 führt demzufolge ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen 6, 7, insbesondere ein Verfahren zum Setzen eines Stanzniets 5 aus.
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5 zeigt einen Aufbau für die Setzvorrichtung 2 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Hier ist ein Bügel 50, insbesondere C-Bügel 50, vorgesehen, an welchen die Setzvorrichtung 2 montiert ist. Die Setzvorrichtung 2 ist zwischen zwei Enden des Bügels 50 montiert. An dem Bügel 50 sind Sensoren 51, 52, 53 angeordnet. Zudem sind Sensoren 54, 55 angeordnet, nämlich an der Matrize 10 und an dem Niederhalter 30. Der Bügel 50 wird von einer Steuereinrichtung 57 gesteuert, die mit den Sensoren 51 bis 55 jeweils über Signalleitungen 570 verbunden ist. Die Steuereinrichtung weist eine Speichereinheit 571, eine Überwachungseinheit 572 und eine Regeleinheit 573 auf.
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Der Bügel 50 baut beim Fügen mit der Setzvorrichtung 2 aufgrund seiner Konstruktion die Kraft F zwischen beispielsweise dem Niet 5 und den zu verbindenden Bauteilen 6, 7 als Fügeobjekte auf. Hierfür steuert die Steuereinrichtung 57 die Setzvorrichtung 2 derart, dass mit dem Niet 5 eine Fügeverbindung zwischen den Bauteilen 6, 7 mit definierter Qualität hergestellt wird. Dabei entsteht die Kraft F in dem Bügel 50 unter Steuerung der Steuereinrichtung 57 als spezieller Kraftverlauf, der auch mindestens einen Kraftimpuls enthalten kann. Der Kraftverlauf berücksichtigt vorzugsweise eine Schwankung verschiedener physikalischer Parameter, wie beispielsweise die Oberflächenbeschichtungsdicke der Bauteile 6, 7, die geometrische Lage der Bauteile 6, 7 zueinander, den Werkzeugverschleiß, usw. Hierbei erfolgt die Berücksichtigung der genannten physikalischen Parameter derart, dass die Schwankung der verschiedenen physikalischen Parameter kompensiert wird. Dadurch kann die Fügequalität für mit der Setzvorrichtung 2 hergestellte Fügeverbindungen konstant gehalten werden.
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Für die Überwachung der Herstellung der Fügeverbindung sind mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55 angebracht, wie in 5 dargestellt. Genauer gesagt, ist der Sensor 51 an dem Bügel 50 an einer Verbindung zu dem Stempel 20 angeordnet. Der Sensor 52 ist an dem Bügel 50 an einer Verbindung zu der Matrize 10 angeordnet. Sowohl der Sensor 51 als auch der Sensor 52 sind auf der Stempelachse 25 angeordnet. Der Sensor 53 ist in einem Teil des C-Bügels 50 angeordnet, der in etwa parallel zu der Stempelachse 25 angeordnet ist. Der Sensor 53 ist hierbei auf der Höhe des Stempels der Setzvorrichtung 2 angeordnet, wie in 5 gezeigt. Die Sensoren 54, 55 sind jeweils, wie auch die Sensoren 51, 52 auf der Stempelachse 25 angeordnet.
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Die Sensoren 51 bis 55 sind zur Messung der Kraft FB über der Zeit und damit des beim Fügen aufgebrachten speziellen Kraftverlaufs ausgestaltet. Außerdem sind die Sensoren 51 bis 55 zur Messung ihrer Beschleunigung a und des von ihnen zurückgelegten Wegs s ausgestaltet. Aus den Messgrößen von mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55 kann ein Rückschluss auf die Kraft FB, die Geschwindigkeit v und den Weg s des Teils der Setzvorrichtung 2 beim Fügen vorgenommen werden, an welchem Teil der Setzvorrichtung 2 die entsprechenden mindestens zwei Sensoren 51 bis 55 angeordnet sind.
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Daher ist durch die beschriebene Vorhaltung und Anordnung der Sensoren 51 bis 55 an dem Bügel 50 eine Aufnahme von Beschleunigungen a und/oder Kräften F, FB und/oder des zurückgelegten Wegs a beim Fügen 50 an dem Bügel 50 mit den Sensoren 51, 52, 53 und/oder den Werkzeugen, wie der Matrize 10 und dem Niederhalter 30, mit den Sensoren 54, 55 möglich. Die Matrize 10 und der Niederhalter 30 als Werkzeug der Setzvorrichtung 2 befinden sich beim Setzen des Niets 5 sehr nah an den Bauteilen 6, 7. Dadurch liefert eine Überwachung der Beschleunigungen a und/oder Kräfte F, FB an der Matrize 10 und dem Niederhalter 30 und/oder der Position der Matrize 10 und/oder der Position des Niederhalters 30 bzw. deren Wege s beim Fügen sehr wichtige Ergebnisse für eine Aussage über die Qualität der Fügeverbindung, die mit der Setzvorrichtung 2 zwischen den Bauteilen 6, 7 hergestellt wird.
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Ganz allgemein sind die Sensoren 51 bis 55 möglichst an den Teilen des Bügels 50 und/oder der Setzvorrichtung 2 zu befestigen, welche die mechanischen Spannungen und Bewegungen führen, so dass mit den mindestens zwei Sensoren 51 bis 55 eine Aufnahme entsprechender Messgrößen 571A und/oder hiervon abhängiger Messgrößen, wie beispielsweise die Position, die Geschwindigkeit, usw., möglich ist.
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Die Messgrößen 571A der Sensoren 51 bis 55 werden in der Speichereinheit 571 gespeichert. Mit der Überwachungseinheit 572 wird überwacht, ob die erfassten und in der Speichereinheit 571 gespeicherten Messgrößen 571A mit Sollgrößen 571B übereinstimmen. Die Sollgrößen 571B sind Größen, die bei einem Herstellen einer Fügeverbindung mit den aktuell vorliegenden Parametern erwartet wurden. Solche Parameter sind beispielsweise die Oberflächenbeschichtungsdicke der Bauteile 6, 7, die geometrische Lage der Bauteile 6, 7 zueinander, der Werkzeugverschleiß, usw.. Liegen die erfassten und in der Speichereinheit 571 gespeicherten Messgrößen 571A in einem vorbestimmten Toleranzbereich zu den Sollgrößen 571B, wird die Qualität der hergestellten Fügeverbindung als OK bewertet. In diesem Fall erfüllt die hergestellte Fügeverbindung die zuvor definierte Qualität. Liegen die erfassten und in der Speichereinheit 571 gespeicherten Messgrößen 571A jedoch außerhalb des vorbestimmten Toleranzbereichs zu den Sollgrößen 571B wird die Qualität der hergestellten Fügeverbindung als NICHT OK bewertet. In diesem Fall erfüllt die hergestellte Fügeverbindung die zuvor definierte Qualität nicht. Das entsprechende Überwachungsergebnis 571C der Überwachung durch die Überwachungseinheit 572 wird ebenfalls in der Speichereinheit 571 gespeichert. Hierbei ist optional anhand eines ebenfalls in der Speichereinheit 571 speicherbaren Modells 571D zusätzlich ein entsprechender Schätzwert für die Qualität berechenbar, die sich aufgrund des Ergebnisses der Überwachung ergibt. Der Schätzwert für die Qualität wird vorzugsweise ebenfalls als Überwachungsergebnis 571C in der Speichereinheit 571 gespeichert.
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Mit dem Modell 571D sind zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Verfahren, bei welchem nur die Beobachtungssignale während des Fügeprozesses mit denen von bekannten oder trainierten Gut- und Schlecht-Beispielen verglichen werden und entsprechend eine Klassifizierung/Bewertung zu Gut (IO = in Ordnung) oder Schlecht (NIO = Nicht in Ordnung) vorgenommen wird, weitere Zusammenhänge einbeziehbar. Genauer sind in dem Modell 571D mechanische, geometrische, thermische und elektrische Zusammenhänge in Bezug auf den Fügevorgang nachgebildet oder physikalisch/mathematisch modelliert, um so die Strukturen der Setzvorrichtung 2 und des Fügevorgangs bei den notwendigen Berechnungen für eine Bestimmung der Qualität des Fügevorgangs zu berücksichtigen. Konkret werden mögliche Fehlerszenarien beim Fügevorgang, wie beispielsweise zu große Bauteilabmessungen im Vergleich zum Ideal, Verkippungen und/oder Verschiebungen von einzelnen Elementen im Vergleich zum Ideal und/oder falsche Materialien und/oder falsche Materialhärten etc. in dem Modell 571D abgebildet und aus dem Modell 571D und den beobachteten Eingangsgrößen Vergleichsausgangsgrößen gebildet und diese mit den Messgrößen verglichen. Hierbei können die Szenarien und Toleranzen in einem Hypothesentest bestimmt oder „geschätzt“ werden.
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Somit wird mindestens eine Messgröße 571A von mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55 zur Qualitätsüberwachung verwendet, bei welcher eine Aufzeichnung der mindestens einen Messgröße 571A von mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55 und vorzugsweise eine Überprüfung festgelegter Korridore oder Intervalle zur Diagnose vorgenommen wird. Die Überprüfung von Messgrößen 571A zur Qualitätsüberwachung kann beispielsweise gegenüber Vergleichskurven erfolgen, die aus dem Modell 571D berechnet werden/sind, oder aus einer vorab trainierten Datenbank geladen werden, die beispielsweise ebenfalls in der Speichereinheit 571 gespeichert ist. Um diese Überprüfung zu vereinfachen, lassen sich bestimmte Messgrößen 571A gegenüber erlaubten Intervallen oder „Korridoren“ als Sollgrößen 571B vergleichen, um die Auswertung zu vereinfachen/zu beschleunigen.
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Je nach Ergebnis der Überwachung regelt die Regeleinheit 573 den speziellen Kraftverlauf nach, um eine Fügeverbindung zu erreichen, welche der definierten Qualität entspricht. Hierbei werden mindestens eine Messgrößen 571A von mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55 verwendet, um die Aktorik in Form der Antriebseinrichtung 40 und/oder des Stempels 20 und/oder der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 in Bezug auf Kraft F und Position in Bezug auf den Niet 5 und die Bauteile 6, 7 anzusteuern, wie in Bezug auf 1 bis 4 beschrieben. Dadurch kann die Fügequalität für die Fügeverbindungen konstant gehalten werden, die mit der Setzvorrichtung 2 hergestellt werden.
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Wie in 6 gezeigt, ist die Setzvorrichtung 2 mit dem Bügel 50 an einer Vorrichtung 70 montierbar. Hierbei sind die Setzvorrichtung 2 und der Bügel 50 an einer Vorrichtungsaufnahme 71 an der Vorrichtung 70 aufgenommen. Die Vorrichtung 70 kann als Roboter ausgeführt sein. Alternativ ist die Vorrichtung 70 als ein handgeführtes Gestell ausgeführt. Mit der Vorrichtung 70 ist die Setzvorrichtung 2 und der Bügel 50 frei im Raum bewegbar. Dadurch können verschiedene Fügepositionen 65 an dem mindestens einen Bauteil 6, 7 schnell und einfach automatisiert erreicht werden, um die erforderliche(n) Fügeverbindung(en) an dem mindestens einen Bauteil 6, 7 herzustellen.
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Gemäß einer Modifikation des zuvor beschriebenen Verfahrens wird eine elastische Verbindung genutzt, um mit beispielsweise den Sensoren 51 bis 55 einen Teil der Spannung und Bewegungen beim Fügevorgang zu messen und in einem Modell 571D auf gewünschte physikalische Größen oder virtuelle physikalische Größen umzurechnen.
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Hierbei wird genutzt, dass die Sensoren 51 bis 55 an den Teilen des Bügels 50 und/oder der Setzvorrichtung 2 befestigt sind, welche die mechanischen Spannungen und Bewegungen führen, wie zuvor erwähnt. Die mit den mindestens zwei Sensoren 51 bis 55 aufgenommenen Messgrößen 571A und/oder hiervon abhängige Messgrößen, wie beispielsweise die Position, die Geschwindigkeit, usw. werden in dem Modell 571D umgerechnet. Als Beispiel kann für ein Modell 571D für das mindestens eine Bauteil 6, 7 das Modell einer Feder betrachtet werden, welche an zwei Stellen eingespannt ist. Beobachtet man die Bewegung beider Einspannpunkte der Feder oder von Matrize 10 und Niederhalter 30 in Bezug auf das mindestens eine Bauteil 6, 7, so kann man durch Bildung der Wegdifferenz über die Federkonstante, die einen Parameter des Modells 571D bildet, die entsprechende Änderung der Spannung im Bauteil 6, 7 als Feder oder an den Einspannpunkten des Bauteils 6, 7, also an der Matrize 10 und dem Niederhalter 30, ableiten. Im Allgemeinen erlaubt ein Modell 571D verschiedene Größen zu verknüpfen. Solche Größen sind beispielsweise in der Mechanik Kraft und Weg über die Materialeigenschaften (Elastizität)).
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Somit werden bei der zuvor beschriebenen Anordnung beim Fügen ein oder mehrere Objekte wie Gegenstände 3 oder Bauteile 6, 7 betrachtet und/oder beobachtet und/oder überwacht.
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Zudem ist die aus den Sensoren 51 bis 55 gebildeten Sensorik zur Beobachtung an verschiedenen Elementen der Setzvorrichtung 2 montierbar, wie beispielsweise dem Bügel 50, einem Aktor 20, 21, 40 für den Stempel 20, eine Zuführung zum Zuführen von Nieten zu der Setzvorrichtung 20, der Matrize 10, dem Niederhalter 30, einem Setzsystem, wie der Schwingungserzeugungseinrichtung 21 und/oder der Antriebseinrichtung 40.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Kompensation eines Übersprechens verschiedener Messgrößen ineinander durchgeführt. Dies wird über mindestens ein mechanisches und/oder physikalisches Modell 571D zur Bestimmung kompensierter oder virtueller physikalischer Größen in den Fügeobjekten, wie den Bauteilen 6, 7, oder der Setzvorrichtung 2 ausgeführt. Hier kann insbesondere ein Kalibrieren der Sensoren 51 bis 55 mit Hilfe eines Modells 571D erfolgen. Üblicherweise hat jede Messstelle, die dem Montageort des jeweiligen Sensors 51 bis 55 entspricht, gewisse mechanische Einschränkungen, so dass neben der Wunschgröße auch eine andere Größe im Signal der Messgröße 571A vermischt oder als Rauschen gemessen wird. Wenn beispielsweise mit dem Sensor 51 eine vorbestimmte Kraft F1 gemessen werden soll, jedoch durch die Anordnung des Sensors 51 an der Setzvorrichtung 2 eine weitere Kraft, beispielsweise eine Querkraft F2, die quer zu der vorbestimmten Kraft F1 gerichtet ist, in das Signal der Messgröße 571A überspricht, so ist die gewünschte Messgröße 571A als Fm = alpha * F1 + Beta * F2 messbar. Das heißt, die vorbestimmte Kraft F1 ist in der gewünschten Messgröße 571A gegebenenfalls mit dem Faktor alpha skaliert und mit einem Störterm, nämlich Beta * F2, beaufschlagt. Misst man mit mehreren Sensoren, wie mindestens zwei der Sensoren 51 bis 55, kann das Signal der Messgröße 571A entweder bei einem eindeutig bestimmten Gleichungssystem über Kalibrierung auskalibriert werden oder bei überbestimmten Gleichungssystemen, wenn sehr viele Sensoren vorhanden sind, über Regression gelöst werden. Nimmt man ein Modell 571D hinzu, so können neben direkten Kraftsensoren, wie bei dem vorangehenden Beispiel, auch Wegsensoren über Modellierung oder Umrechnung berücksichtigt werden.
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Das mindestens eine Modell 571D ist ebenfalls in der Speichereinheit 571 gespeichert und kann von der Überwachungseinheit 572 bei der Bestimmung des Überwachungsergebnisses 571C mit herangezogen werden.
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Dadurch wird ein weiterer Beitrag zur Erhöhung der Genauigkeit der Messgrößen der Sensoren 51 bis 55 geleistet.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Setzvorrichtung 2, des Bügels 50 mit den Sensoren 51 bis 55, der Steuereinrichtung 57 und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Möglicherweise wird eine absolute und relative Beobachtung der Messgrößen 571A der Sensoren 51 bis 55 durchgeführt, indem entweder die Kräfte F und/oder FB und/oder Beschleunigungen a und/oder Wege s beim Fügen als Absolutwert(e) und/oder mindestens eine Kraftdifferenz und/oder mindestens eine Beschleunigungsdifferenz und/oder mindestens eine Positionsdifferenz beim Fügen betrachtet werden.
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Denkbar ist außerdem eine ein- und/oder mehrdimensionale Beobachtung der Messwerte 571A der Sensoren 51 bis 55 an einer und an mehreren Stellen an der Setzvorrichtung 2 und/oder der Vorrichtungsaufnahme 71. Mit einer mehrdimensionalen Aufnahme der Messgrößen 571A eines der Sensoren 51 bis 55 ist eine Gradienten- und Vektorbestimmung realisierbar.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit und zur Absicherung ist eine redundante Erfassung der Messgrößen 571A zumindest eines der Sensoren 51 bis 55 durchführbar.
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Eine noch weitere Erhöhung der Genauigkeit und Absicherung der Messgrößen 571A kann erfolgen, indem eine Selbstüberwachung / Absicherung der Messgrößen gegeneinander stattfindet. Dies kann beispielsweise durch Messung von Abständen und gleichzeitige Messung von Beschleunigungen a an relevanten Messstellen erfolgen. Dadurch wird die Konsistenz der Messgrößen 571A in Bezug zueinander geprüft.
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Eine Anordnung der Sensoren 51 bis 55 ist auf der Außenfläche der Setzvorrichtung 2, nämlich am Bügel 50 oder dem Aktor 20, 21, 40, wie dem Niederhalter 30 oder der Antriebseinrichtung 40 möglich, beispielsweise bei festen Positionen oder in bestimmten Abständen. Zusätzlich oder alternativ ist eine Anordnung der Sensoren 51 bis 55 im Inneren der Anordnung und/oder an der Vorrichtungsaufnahme 71 der Vorrichtung 70 möglich.
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Zudem ist eine modellbasierte Abschätzung des Fügeverlaufs auf Basis einer geometrischen Nachbildung im Modell und Bestimmung virtueller Prozessgrößen, wie beispielsweise Quetschung und/oder Verkantung, etc., möglich. Hierfür weist das Modell 571D eine geometrische Nachbildung der Anordnung aus Bügel 50 und/oder Niederhalter 30 und/oder Matrize 10 auf.
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Vorteilhaft ist außerdem ein Kalibrieren der Messgrößen 571A der Sensoren 51 bis 55 mithilfe von definierten Anregungen über den Aktor 20, 21, 40 oder externe Messgeräte.
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Es ist auch eine Berücksichtigung der jeweils verwendeten Geometrie des Bügels 50 und/oder der jeweils verwendeten Geometrie des Werkzeug, wie Niederhalter 30 und Matrize 10, in einem Modell 571D und/oder bei der Kalibrierung zur Berechnung abgeleiteter Größen möglich.
