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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Fertigungsanlage zur Herstellung von Baugruppen unter Verwendung von bauteilseitigen Positioniermerkmalen.
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Bauteilseitige Positioniermerkmale sind z.B. aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 102016224452.3 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, ein Bauteil mit Vorsprüngen zu versehen und ein dazu zu positionierendes Gegenbauteil mit korrespondierenden Vertiefungen zu versehen. Die Vertiefungen und Vorsprünge korrespondieren insofern miteinander, als sie ineinander eingreifen und die Bauteile zueinander definiert positionieren.
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In der Serienfertigung, z.B. im Fahrzeugbau, müssen Bauteile unterschiedlichster Geometrien und Abmessungen zueinander positioniert und zu Bauteilverbünden gefügt werden. Hierzu sind komplexe baugruppenspezifische Vorrichtungen und Handhabungssysteme erforderlich.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, die Herstellung eines Bauteilverbundes für die Serienfertigung weiter zu optimieren und ein Verfahren sowie eine Fertigungsanlage mit hoher Wirtschaftlichkeit und Flexibilität anzugeben.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Fertigungsanlage nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Baugruppen aus wenigstens zwei Bauteilen in einer Serienfertigung angegeben. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- a) Manuelles Positionieren und Vorfixieren eines ersten und zweiten Bauteils an einem ersten Arbeitsplatz, wozu
die Bauteile aneinandergelegt und anhand von in den Bauteilen ausgebildeten und miteinander korrespondierenden Positioniermerkmalen zueinander ausgerichtet und mittels der Positioniermerkmale gegen ein unbeabsichtigtes, zueinander relatives Verschieben gesichert werden und
die zueinander positionierten Bauteile in einem Fügeschritt vorfixiert werden, wodurch diese gegen ein unbeabsichtigtes Trennen gesichert werden und
- b) Fügen der vorfixierten Bauteile in einem automatisierten Fügeprozess, wodurch die vorfixierten Bauteile zu einer Baugruppe verbunden werden.
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An dem ersten Arbeitsplatz werden die Bauteile durch einen Werker positioniert und vorfixiert. Hierzu bringt dieser das erste und zweite Bauteil mit den jeweils miteinander korrespondierenden Positioniermerkmalen zueinander, so dass die korrespondierenden Positioniermerkmale fluchten oder in Eingriff miteinander gelangen. Aufgrund der Positioniermerkmale in den Bauteilen ist hierfür keine besondere Vorrichtung notwendig. Vielmehr geben die in den Bauteilen ausgebildeten Positioniermerkmale die richtige Ausrichtung der Bauteile zueinander definiert vor. Die Positionierung kann rein manuell durchgeführt werden. Der Begriff „manuelles Positionieren“ soll jedoch auch umfassen, wenn der Werker das Bauteil unter Verwendung eines Handhabungshilfsmittels, wie z.B. einer Greif- oder Haltevorrichtung, bewegt.
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Nach der Positionierung sind die Bauteile gegen ein unbeabsichtigtes Verschieben relativ zueinander gesichert, wobei unter Verschieben eine Bewegung in Richtung einer Haupterstreckungsrichtung der Bauteile, z.B. entlang einer Kontaktfläche zwischen den Bauteilen verstanden wird.
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Gegen ein unbeabsichtigtes Abheben voneinander werden die positionierten Bauteile durch die Vorfixierung gesichert. Die Vorfixierung verhindert, dass die Bauteile gegeneinander verschoben und voneinander getrennt werden können. Hierbei dient die Vorfixierung lediglich der Fixierung der Bauteile aneinander, bis diese endgültig gefügt sind. Insbesondere wird durch die Vorfixierung noch kein Bauteilverbund erzeugt, dessen Fügestelle den Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit im späteren Verwendungszweck genügt.
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Das endgültige Fügen der vorfixierten Bauteile erfolgt in einem automatisierten Prozess. Bei dem endgültigen Fügen werden die vorfixierten Bauteile zu einem Bauteilverbund derart verbunden, dass die Fügeverbindung den Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit bei der endgültigen Verwendung des Bauteilverbundes genügt. Der automatisierte Prozess kann vorzugsweise an einem, von dem ersten Arbeitsplatz räumlich beabstandeten, zweiten Arbeitsplatz stattfinden, z.B. in einer automatisierten Fügestation. Die automatisierte Fügestation ist eingerichtet, um den vorzunehmenden Fügeprozess automatisiert durchzuführen. Beispielsweise umfasst die Fügestation eine für die Fügeaufgabe geeignete Fügevorrichtung. Die vorfixierten Bauteile können nach dem Vorfixieren zu der automatisierten Fügestation verbracht werden. Durch das Vorfixieren können die Bauteile ohne baugruppenspezifische Handhabungsvorrichtungen bewegt werden, so dass z.B. Standardgreifer o.ä. verwendet werden können.
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Durch das hier beschriebene Verfahren wird eine Möglichkeit geschaffen, eine große Variantenvielfalt von Baugruppen mit stark reduzierten Kosten herzustellen. Hierbei nutzt die Erfindung, dass durch in den Bauteilen vorgesehene Positioniermerkmale eine manuelle Positionierung in einer Art möglich wird, die hinsichtlich Genauigkeit und Schnelligkeit den Anforderungen an die Serienfertigung genügt. Der manuelle Arbeitsplatz ist hochflexibel aufgrund der Sensorik des Menschen und der Handhabung durch den Menschen. Aufgrund der Positioniermerkmale sind keine bauteilspezifischen Halterungen mehr notwendig, insbesondere keine Niederhalter, die speziell an die Bauteilgeometrie angepasst sind. Vielmehr kann durch die Gestaltung dieses Arbeitsschrittes als manueller Arbeitsplatz die Flexibilität erhöht werden und es können Kosten eingespart werden. Die manuell vorgefertigten Zusammenbauten werden anschließend in automatisiertem Prozess endgültig gefügt. Die für den automatisierten Prozess erforderliche Handhabungstechnik muss nicht die Vielzahl an Einzelgeometrien beherrschen, sondern nur eine eingeschränkte Anzahl von schon vorfixierten und damit verhältnismäßig steifen Zusammenbauten. Es können z.B. Standard-Greifer für die Handhabung der vorfixierten Bauteile verwendet werden. Der automatisierte Fügeprozess zur Herstellung des Bauteilverbundes garantiert zudem die notwendige Qualität der Fügeverbindung.
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Während bislang in der Serienfertigung für jede Baugruppe eine eigene Fügestation oder Fügevorrichtung vorgesehen ist, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nun vorteilhafter Weise an nur einer Fügeanlage in aufeinanderfolgenden Fertigungsdurchläufen unterschiedliche Baugruppen gefügt werden.
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So ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Verfahren mehrere Fertigungsdurchläufe umfasst, wobei in jedem Fertigungsdurchlauf die Schritte a) und b) ausgeführt werden, wodurch jeweils eine Baugruppe hergestellt wird und in wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Fertigungsdurchläufen verschiedenartige Bauteile verwendet werden. Als verschiedenartige Bauteile werden hierbei Bauteile bezeichnet, die sich durch ihre Form oder sonstigen Abmessungen oder durch ihr Material von den zuvor verwendeten Bauteilen unterscheiden.
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Zur exakten Ausrichtung der Bauteile zueinander kann es vorteilhaft sein, wenn die miteinander korrespondierenden Positioniermerkmale in dem ersten Bauteil und in dem zweiten Bauteil in Eingriff miteinander gebracht werden. Hierzu können die Positioniermerkmale z.B. eine kegelförmige, polygonförmige, rinnenförmige, kugelförmige oder halbkugelförmige Form aufweisen, wobei z.B. das erste Bauteil Positioniermerkmale in Form von Vertiefungen und das zweite Bauteil Positioniermerkmale in Form von Vertiefungen oder Löchern aufweist. Alternative Abwandlungen sind möglich. Zur Vermeidung von Verformungskräften auf die teilweise wenig steifen Einzelbauteile kann es vorteilhaft sein, wenn die Bauteile zum Positionieren lediglich aufeinander abgelegt werden, d.h. die Positioniermerkmale fixieren die Bauteile zwar in die Richtungen der Bauteilhaupterstreckung bzw. in der Ebene der Kontaktfläche zwischen den Bauteilen, nicht jedoch in einer Richtung quer dazu. Ein Abheben der Bauteile voneinander ist in dieser Ausgestaltung auch nach erfolgter Positionierung noch möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Positioniermerkmale in den Bauteilen in Form von Löchern ausgebildet, d.h. sowohl die Positioniermerkmale im ersten als auch im zweiten Bauteil sind als Löcher ausgebildet. Eine exakte Positionierung der Bauteile zueinander ergibt sich durch Einbringen eines Positionierhilfselements, das die Positioniermerkmale zumindest ein eine Richtung zueinander fixiert, z.B. indem korrespondierende Löcher fluchtend übereinander angeordnet werden und ein Stift in die Löcher eingeführt wird.
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Die Positioniermerkmale können beispielsweise in einem Randbereich oder in der Nähe eines Fügebereichs angeordnet werden, um die Handhabbarkeit der Bauteile sicherzustellen. Die Positioniermerkmale können in einem separaten Fertigungsschritt ausgebildet werden oder z.B. im Rahmen eines Ur- oder Umforschrittes zur Herstellung der Bauteile.
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Das Vorfixieren kann vorzugsweise durch eine stoffschlüssige, eine formschlüssige oder sowohl eine form- als auch stoffschlüssige Verbindung der Bauteile erfolgen. Die Vorfixierung soll insofern nicht auf eine bestimmte Fügetechnik oder ein Verfahren beschränkt sein. Denkbar ist, rein beispielhaft aufgezählt, dass die Vorfixierung z.B. durch ein punktuelles Heften der Bauteile mittels Heftschweißung, ein partielles Verkleben, durch mechanische Fügeverbindungen, wie z.B. Niete oder Clipse erfolgen.
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Das Fügen der Bauteile zum Bauteilverbund ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Fügeverfahren beschränkt. Durch die Vorfixierung der Bauteile können insbesondere auch solche Fügeverfahren verwendet werden, die während des Fügeprozesses Kräfte auf die zu fügenden Bauteile aufbringen, beispielsweise mechanische Fügeverfahren, wie z.B. das Nieten etc. Ebenso geeignet sind jedoch stoffschlüssige Fügeverfahren, wie z.B. das Schweißen oder Löten, oder auch ein Klebeverfahren.
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Die Bauteile sind vorteilhafter Weise Karosseriebauteile einer Fahrzeugkarosserie. Es kann sich um Strukturbauteile ebenso wie um Karosserieanbauteile handeln. Die Bauteile können vorteilhafter Weise Blechbauteile sein, z.B. aus einem Stahl-, Aluminium-, oder Magnesiumblech. In diesem Fall können die Positioniermerkmale z.B. bei dem Druckumformprozess zur Herstellung des Karosseriebauteils hergestellt werden. Das Verfahren ist jedoch ebenso auf Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen anwendbar.
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Weiterhin wird eine Fertigungsanlage in der Serienfertigung angegeben mit einem ersten Arbeitsplatz und einem zweiten Arbeitsplatz. An dem ersten Arbeitsplatz werden die zu einer Baugruppe zu fügenden Bauteile manuell zueinander positioniert anhand von in den Bauteilen ausgebildeten und miteinander korrespondierenden Positioniermerkmalen. Die zueinander positionierten Bauteile werden vorfixiert. An dem zweiten Arbeitsplatz werden die vorfixierten Bauteile in einem automatisierten Fügeprozess zu einem Bauteilverbund gefügt. Der zweite Arbeitsplatz ist entsprechend eingerichtet und weist z.B. eine automatisierte Fügevorrichtung sowie automatisierte Handhabungsvorrichtungen auf.
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Die Vorfixierung der Bauteile erfolgt an dem ersten Arbeitsplatz vorzugsweise manuell oder halbautomatisch. Der erste Arbeitsplatz weist hierzu eine entsprechende, manuell bedienbare Fügevorrichtung auf, wobei hierunter auch eine halbautomatische Fügevorrichtungen zu verstehen ist, die manuell positioniert wird, aber den Fügevorgang, z.B. das Punktschweißen, automatisiert vornimmt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden in der Fertigungsanlage mehrere Fertigungsdurchläufe durchgeführt, wobei in einem ersten Fertigungsdurchlauf an dem ersten und zweiten Arbeitsplatz eine erste Baugruppe gefertigt wird und in einem darauffolgenden zweiten Fertigungsdurchlauf eine zweite Baugruppe gefertigt wird, die aus Bauteilen gefertigt wird, die andersartig sind als die Bauteile der ersten Baugruppe.
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Die Fertigungsanlage kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden und erzielt dieselben Vorteile, wie sie voranstehend zum Verfahren beschrieben wurden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Fertigungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Fertigungsanlage gemäß der Erfindung. Anhand dieser Fertigungsanlage werden auch die Schritte des Verfahrens erläutert.
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Die Fertigungsanlage F dient zur Herstellung von Baugruppen einer Fahrzeugkarosserie. Jede Baugruppe umfasst wenigstens zwei Bauteile. Aus einer Vielzahl von Bauteilen 1 bis N werden jeweils wenigstens zwei Bauteile an einem ersten Arbeitsplatz zueinander positioniert und vorfixiert. Der erste Arbeitsplatz I ist ein manueller Arbeitsplatz. Die vorfixierten Bauteile werden im Rahmen dieser Anmeldung auch als Zusammenbauten bezeichnet. Die Zusammenbauten ZB1 bis ZBX werden an einen zweiten Arbeitsplatz II weiterverbracht. An dem zweiten Arbeitsplatz II werden die vorfixierten Bauteile in einem automatisierten oder vollautomatisierten Fügeprozess endgültig miteinander gefügt zu einer Baugruppe BG1 bis BGX.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung von Baugruppen werden zunächst zumindest ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 an dem ersten Arbeitsplatz I aufeinandergelegt und zueinander positioniert. Die Bauteile 1 und 2 weisen miteinander korrespondierende (nicht dargestellte) Positioniermerkmale auf.
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Bei den Positioniermerkmalen handelt es sich ganz allgemein um physische Markierungen in den Bauteilen. Die Positioniermerkmale können z.B. als Löcher oder Vertiefungen oder als Vorsprünge ausgebildet sein. Die Positioniermerkmale sind an vorgegebenen Stellen in den Bauteilen ausgebildet. Zur exakten Positionierung der Bauteile zueinander ist es lediglich notwendig, dass diese Positioniermerkmale zusammengebracht werden, d.h. dass die Bauteile in einer Art und Weise aufeinander gelegt werden, dass alle Positioniermerkmale eines Bauteils mit den korrespondierenden Positioniermerkmalen eines zweiten Bauteils überlappen bzw. in diese eingreifen.
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Aufgrund der Positioniermerkmale ist eine exakte Positionierung der Bauteile ohne zusätzliche, auf das jeweilige Bauteil abgestimmte Positioniervorrichtungen möglich. Vielmehr erfolgt die Positionierung manuell, um eine maximale Flexibilität zu erzielen. Der Werker W kann dabei auf eine Vielzahl von Bauteilen 1 bis N zugreifen und bei Bedarf in aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgängen unterschiedliche Bauteile, z.B. mit unterschiedlichen Geometrien und Abmessungen, positionieren und zu unterschiedlichen Zusammenbauten ZB1 bis ZBN vorfixieren. Unter manueller Positionierung wird im Rahmen dieser Anmeldung auch verstanden, wenn der die Positionierung durchführende Werker sich eines manuell geführten Handhabungsgeräts wie z.B. eines Sauggreifers, bedient, wie es zur Verbesserung der Arbeitsergonomie vorteilhaft sein kann.
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Nach der Positionierung sind die Bauteile gegen ein unbeabsichtigtes Verschieben quer zur Bauteilhaupterstreckung bzw. quer zur Anlagefläche gesichert.
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Im nächsten Schritt erfolgt eine Vorfixierung der zueinander positionierten Bauteile 1 und 2. Die Art der Vorfixierung ist nicht auf ein bestimmtes Fügeverfahren beschränkt, in 1 ist lediglich beispielhaft eine Laservorrichtung L dargestellt, mit der die positionierten Bauteile z.B. im Bereich der Positioniermerkmale punktgeheftet werden. Die Vorfixierung erfolgt vorzugsweise am ersten Arbeitsplatz I. Vorteilhafter Weise ist die Laservorrichtung L eine manuelle bzw. halbautomatische Laservorrichtung, bei der zumindest die Positionierung zur Fügestelle manuell erfolgt.
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Nach dem Schritt der Vorfixierung sind die Bauteile ausreichend zueinander fixiert, so dass sie ohne baugruppenspezifische Spannvorrichtungen weiterverarbeitet werden können. Die so vorfixierten Bauteile werden zu dem zweiten Arbeitsplatz II verbracht, wo sie in einem automatisierten, vorzugsweise vollautomatisierten, Prozess endgültig gefügt werden. Es können Standard-greifer verwendet werden, um die Bauteile an den zweiten Arbeitsplatz zu bewegen. An dem zweiten Arbeitsplatz II werden die Zusammenbauten ZB1 bis ZBX endgültig gefügt. Da die Bauteile durch die Vorfixierung bereits in definierter Position zueinander fixiert sind, genügt es für den nachfolgenden automatisierten Fügeprozess, die Art des Zusammenbaus und die Lage des Zusammenbaus im Raum bzw. in Relation zur Fügevorrichtung zu bestimmen. Dies kann z.B. mittels bekannter Bilderkennungsverfahren erfolgen. Als Fügeprozess kommt grundsätzlich jeder (voll-)automatisierte Fügeprozess in Frage, durch den die Bauteile zu einem Bauteilverbund verbunden werden, sofern die Fügeverbindung die für den späteren Einsatzzweck erforderliche Verbindungsfestigkeit aufweist. 1 zeigt beispielhaft eine vollautomatisierte Laserzelle als zweiten Arbeitsplatz II. Laserschweißvorrichtungen lassen sich durch geeignete Programmierung schnell und kostengünstig an eine Vielzahl von Fügeaufgaben anpassen, so dass die durch das erfindungsgemäße Anlagenkonzept geschaffene Möglichkeit zur Flexibilisierung voll nutzbar wird.
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Die resultierende Fertigungsanlage und das Verfahren zeichnen sich durch hohe Wirtschaftlichkeit bei maximaler Flexibilität aus.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- I, II
- Arbeitsplätze
- 1 bis N
- Bauteile
- ZB1 bis ZBX
- Zusammenbau
- BG1 bis BGX
- Baugruppe
- F
- Fertigungsanlage
- L
- Laserschweißvorrichtung
- W
- Werker
