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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stanznietvorrichtung zum schwingungsunterstützten Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen zum Stanznieten dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile. Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet sich in einer bestimmten Art und Weise innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile verformt, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet abgewandten Bauteils zu vermeiden.
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Weiterhin sind bspw. aus der
EP 2 318 161 B1 oder der
DE 10 2014 203 357 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bzw. -vorrichtungen bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie beispielsweise ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird beispielsweise die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Stanznietvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets und weist einen Stempel und einen Gegenhalter auf, zwischen welchen die wenigstens zwei Bauteile und der Niet anordenbar sind. Weiterhin weist die Stanznietvorrichtung einen Antrieb auf, der an einem Rahmen der Stanznietvorrichtung angeordnet ist und mittels dessen eine Kraft auf den Stempel in Fügerichtung, d.h. in Richtung des Gegenhalters, ausübbar ist. Zudem weist die Stanznietvorrichtung ein Schwingsystem auf, das an dem Antrieb befestigt und mittels des Antriebs relativ zu dem Rahmen bewegbar ist. Das Schwingsystem umfasst dabei den Stempel, welcher insbesondere wiederum als Teil einer in dem Schwingsystem verwendeten Sonotrode ausgebildet sein kann. Diese Sonotrode kann dabei auch den Stempel bilden bzw. als Stempel dienen. Das Schwingsystem kann insbesondere auch einen Schwingungskonverter, beispielsweise einen elektro-mechanischen Wandler wie einen Piezo-Konverter, aufweisen, an den der Schwingungserzeuger gekoppelt ist und der mit der Sonotrode verbunden ist. Insbesondere kann auch noch ein Booster (d.h. ein Amplitudenverstärker) vorgesehen sein, über den der Schwingungskonverter mit der Sonotrode verbunden ist.
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Weiterhin ist das Schwingsystem derart mit einem Schwingungserzeuger gekoppelt oder koppelbar, dass dieses beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile in Schwingung versetzbar ist. Bei dem Schwingungserzeuger kann es sich vorzugsweise um einen Schall-Generator, insbesondere einen Ultraschall-Generator handeln. Zweckmäßig kann es auch sein, wenn ein Niederhalter vorgesehen ist, mittels dessen die wenigstens zwei Bauteile gegen den Gegenhalter drückbar sind bzw. an dem Gegenhalter fixierbar sind. Der Gegenhalter kann dabei auch an dem Rahmen angeordnet sein.
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Weiterhin ist eine Führungseinrichtung, insbesondere in Form einer Führungsschiene, vorgesehen, beispielsweise auch in Form einer Profilführung oder einer Linearführung, die an dem Rahmen angebracht oder befestigt ist und an welcher das Schwingsystem mittelbar oder unmittelbar gehalten und in Fügerichtung (und auch in die Gegenrichtung) führbar ist. Das Schwingsystem kann dabei insbesondere mittels einer Haltevorrichtung an dem Antrieb befestigt und an der Führungseinrichtung (damit mittelbar) gehalten und führbar sein. Eine solche Halterung kann beispielsweise für eine schwingungsoptimierte Aufhängung des Schwingsystems verwendet werden, wie später noch näher erläutert wird. Ohne Verwendung einer solchen Halterung kann das Schwingsystem aber auch unmittelbar, beispielsweise mit dem Schwingungskonverter und/oder dem Booster, an der Führungseinrichtung gehalten und führbar sein.
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Beim schwingungs- bzw. ultraschallunterstützten Stanznieten kann es durch die hochfrequente Längsschwingung des Schwingsystems bzw. des Fügewerkzeuges (insbesondere der Sonotrode) - eine Schwingungsrichtung des Schwingsystems ist dabei insbesondere in Fügerichtung ausgerichtet - zu einem seitlichen Abwandern oder Abknicken oder Ausweichen des Schwingsystems bzw. des Fügewerkzeugs kommen. Dies wird durch hohe seitliche Querkräfte hervorgerufen, die durch eine hämmernde bzw. schlagende Bewegung des Stempels auf den Niet oder durch eine schwingende Bewegung des Stempels in Dauerkontakt mit dem Niet, jeweils in Kombination mit geringen oder geringsten Unebenheiten (wie beispielsweise Bauteilradien, unebene Bleche, unzureichend eingestellte bzw. gefertigte Werkzeugfluchtung, Aufbiegung des Rahmens, unsymmetrischer Aufbau des Bügels und dergleichen) auftreten können, und kann die Werkzeugstandzeit und die Fügepunktqualität negativ beeinträchtigen.
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Die für eine hohe Fügequalität erforderliche Koaxialität der beteiligten Werkzeuge vor, während und nach dem Fügeprozess ist dadurch nicht gegeben bzw. gewährleistet. Derartige Querkräfte sind bei bisherigen, konventionellen Stanznietvorrichtungen (ohne Schwingungs- bzw. Ultraschallunterstützung) in diesen Größenordnungen nicht bekannt, da das Fügewerkzeug nicht mit hochfrequenten Längsschwingungen beaufschlagt wird.
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Mit der vorgeschlagenen Führungseinrichtung bzw. Führungsschiene kann solch hohen Querkräften, die beispielsweise bis zu 5 kN betragen können, jedoch entgegengewirkt werden. Zudem kann diese Führungseinrichtung die unterschiedliche Gewichtskraftbelastung der beiden Zangenarme bzw. Schenkel des Rahmens, wenn dieser in Form eines sog. C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, durch den relativ schweren Antrieb sowie die ebenfalls relativ schweren Komponenten des Schwingsystems kompensieren bzw. daraus resultierenden Werkzeugversätzen vorbeugen und ein Aufschwingen der eingebauten Komponenten durch schnelles Beschleunigen bzw. Abbremsen beispielsweise eines Roboters, mit dem die Stanznietvorrichtung im Raum bewegt wird, auf ein Minimum reduzieren, wenn der Rahmen in unterschiedlichsten Raumlagen bewegt und am Bauteil positioniert wird.
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Vorzugsweise ist dabei der Rahmen in Form eines C-Rahmens ausgebildet, wobei die Führungseinrichtung an einem Schenkel des Rahmens angeordnet ist, an dem auch der Antrieb sowie insbesondere auch Komponenten des Schwingsystems angeordnet sind. Die Führungseinrichtung kann also sehr nahe dem Antrieb und den Komponenten des Schwingsystems (d. h. den Komponenten, die die Fügekraft erzeugen) an dem Rahmen angeordnet bzw. befestigt sein.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn der Rahmen in Form eines C-Rahmens ausgebildet ist, dass die Führungseinrichtung zwischen zwei Schenkeln des Rahmens angeordnet ist, an welchen der Antrieb und der Gegenhalter (diese jeweils an verschiedenen Schenkeln) angeordnet sind. Die Führungseinrichtung ist damit insbesondere am sog. Bügelrücken angeordnet. Die Führungseinrichtung kann dann beispielsweise flächig oder nur punktuell befestigt sein.
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In beiden Varianten dient die Führungseinrichtung bzw. Führungsschiene zugleich einer Führung des Schwingsystems und einer seitlichen Stabilisierung des Schwingsystems, was insgesamt zu einem besonders genauen Stanznietvorgang führt, während zudem die Standzeit der Stanznietvorrichtung erhöht wird.
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Vorteilhafterweise weist die Stanznietvorrichtung weiterhin ein Weg-Messsystem auf, mittels welchem eine Bewegung und/oder eine Position des Schwingsystems relativ zu der Führungseinrichtung ermittelbar sind. Während die Erfassung der Bewegung bzw. der Position des Stempels - beispielsweise über das Schwingsystem - für den Stanznietvorgang wichtig sind, um diesen besonders genau durchführen zu können, ermöglicht die vorgeschlagene Führungseinrichtung eine besonders präzise Messung der Bewegung bzw. Position, da aufgrund der Führung entlang der Führungseinrichtung keine unerwünschten Ungenauigkeiten auftreten. Hierzu kann dann beispielsweise ein geeigneter Positionssensor oder dergleichen verwendet werden, der ein entsprechendes Signal an eine Steuereinheit der Stanznietvorrichtung übermittelt. Dort kann das Signal zur Bewegung bzw. Position dann verarbeitet und beispielsweise zur Steuerung oder Regelung der Stanznietvorrichtung verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt vereinfacht und schematisch eine Fertigungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung.
- 2 zeigt schematisch eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist vereinfacht und schematisch eine Fertigungseinrichtung 100 gezeigt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
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Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf. Am Ende des Armes 5 ist eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10' in einer bevorzugten Ausführungsform angeordnet, welche hier nur schematisch gezeigt und nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
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Weiterhin ist eine Recheneinheit 80 gezeigt, bei der es sich beispielsweise um eine Steuereinheit der Stanznietvorrichtung 10' handelt. Die Recheneinheit 80 kann zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, beispielsweise ein Display, vorgesehen, auf denen beispielsweise aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung angezeigt werden können. Es kann sich bei dem Element 90 auch um ein kombiniertes Anzeige-/Eingabemittel, z.B. einen Touchscreen, handeln.
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In 2 ist schematisch eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 dargestellt, an der eine Problematik erläutert werden soll, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst wird. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm wie in 1 gezeigt befestigt sein.
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Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel (bzw. eine Sonotrode) 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist hierbei vorzugsweise an einem sog. Nullamplitudendurchgang des Stempels, d.h. einer Position des Stempels, an der Schwingungsamplituden Null oder zumindest möglichst gering sind, mittels einer Feder befestigt. Insbesondere ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F in Fügerichtung R aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Dabei kann die Kraft F beispielsweise über einen Sollwert vorgegeben und als Istwert erfasst werden.
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Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken. Hierzu kann beispielsweise ein eigener Antrieb vorgesehen sein. Jedoch kann der Niederhalter auch (wie hier gezeigt) an den Antrieb des Stempels oder an den Stempel selbst gekoppelt sein, beispielsweise mittels einer Feder.
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Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, wie auch der Niederhalter 16, angeordnet und relativ zueinander bewegbar, wobei die Matrize 18 selbst in der Regel nicht beweglich ist. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken.
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Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlstanzniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
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Der Stempel 15 ist mit einem (mechanischen) Schwingungskonverter 30, beispielsweise einem Piezokonverter, wirkverbunden. Der Schwingungskonverter 30 wiederum ist mit einem (elektrischen) Schwingungserzeuger, beispielsweise einem Ultraschallgenerator, verbunden. Auf diese Weise können Schwingungen bzw. Vibrationen erzeugt und auf den Stempel, und damit den Niet eingekoppelt werden. Insbesondere werden mittels des Schwingungserzeugers 32 Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (entspricht einer Amplitude von 5 µm bis 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Der Schwingungserzeuger 32 ist an die Recheneinheit 80 angebunden (oder kann auch Teil der Recheneinheit sein) und kann von dieser angesteuert werden.
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Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen-, Planetengewinde- oder Gewinderollenschraubtrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 ist eine Haltevorrichtung 35, beispielsweise in Form eines Rahmens oder eines Gestells, angebracht. An der Haltevorrichtung 35 ist ein Schwingsystem 39, das vorliegend den Schwingungskonverter 30, einen Booster 31 sowie den Stempel bzw. die Sonotrode 15 sowie den Niederhalter 16 umfasst, angeordnet.
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Beim Betrieb der Stanznietvorrichtung 10, also beim sog. Ultraschall-Stanznieten, kann es durch die hochfrequente Längsschwingung des Fügewerkzeuges, d.h. Sonotrode 15, Booster 31 und Schwingungskonverter 30, zu einem seitlichen Abwandern bzw. Abknicken oder Ausweichen des Fügewerkzeugs kommen. Dies wird durch hohe seitliche Querkräfte hervorgerufen, welche durch eine hämmernde bzw. schlagende Bewegung des Stempels 15 auf den Niet 20 oder durch eine schwingende Bewegung des Stempels 15 in Dauerkontakt mit dem Niet 20 jeweils in Kombination mit geringsten Unebenheiten (wie beispielsweise Bauteilradien, unebene Bleche, unzureichend eingestellte bzw. gefertigte Werkzeugfluchtung, Aufbiegung des Bügels bzw. Rahmens, unsymmetrischer Aufbau des Bügels und dergleichen auftreten können) und kann die Werkzeugstandzeit und die Fügepunktqualität negativ beeinträchtigen.
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Solche Querkräfte sind in 2 beispielhaft mit FQ bezeichnet. Zudem ist in 2 das Verkippen des Fügewerkzeugs bzw. des gesamten Schwingsystems 39 auch graphisch dargestellt. Derartige Querkräfte sind bei bisherigen, konventionellen Stanznietvorrichtungen (ohne Schwingungs- bzw. Ultraschallunterstützung) in diesen Größenordnungen nicht bekannt, da das Fügewerkzeug nicht mit hochfrequenten Längsschwingungen beaufschlagt wird.
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In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10' in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10' entspricht hinsichtlich ihrer Komponenten und ihrem Aufbau im Wesentlichen der Stanznietvorrichtung 10 gemäß 2, jedoch ergänzt um eine Führungseinrichtung 70, welche nachfolgend näher erläutert werden soll. Im Übrigen sei auf die Ausführungen zu 2 verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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An dem C-Rahmen 60 ist hier eine zusätzliche, als Führungsschiene ausgebildete Führungseinrichtung 70 vorgesehen, beispielsweise in Form einer Linear- oder Profilführung oder Linear- oder Profilführungschienenführung, wodurch das Fügewerkzeug gegenüber den auftretenden, hohen Querkräften (diese liegen in Abhängigkeit von der zu nietenden Materialdickenkombination in einem Bereich von bis zu 5 kN) unempfindlich ist und die Koaxialität der Fügewerkzeuge vor, während und nach dem Fügeprozess gewährleistet wird.
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Die Führungseinrichtung 70 ist hierbei an dem Schenkel 61 des Rahmens 60 angeordnet bzw. befestigt, an dem auch der Antrieb 50 angeordnet ist. Der Gegenhalter 18 hingegen ist an dem gegenüberliegenden Schenkel 62 angeordnet. Das Schwingsystem 39 bzw. das Fügewerkzeug ist hier mittelbar durch die Halterung 35 an der Führungseinrichtung 70 gehalten und in Fügerichtung R führbar. Hierzu können beispielsweise geeignete (lineare) Gleitelemente, Gleitlager, Rollenlager oder dergleichen vorgesehen sein.
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Zudem ermöglicht die Führungseinrichtung 70 eine unterschiedliche Gewichtskraftbelastung der beiden Zangenarme, also der beiden Schenkel 61 und 62, die durch den relativ schweren Antrieb 50 und das meist ebenfalls relativ schwere Schwingsystem 39 an dem einen Schenkel auftreten bzw. es kann daraus resultierenden Werkzeugversätzen vorgebeugt und das Aufschwingen der eingebauten Komponenten durch schnelles Beschleunigen bzw. Abbremsen des Roboters (vgl. 1) auf ein Minimum reduziert werden, wenn der C-Bügel bzw. C-Rahmen in unterschiedlichsten Raumlagen bewegt und am Bauteil positioniert wird.
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Weiterhin ist bei der gezeigten Stanznietvorrichtung 10', insbesondere an der Führungsschiene bzw. der Führungseinrichtung 70, ein Wegmesssystem 71 vorgesehen. Dieses funktioniert aufgrund der Führungsschiene besonders genau und es kann mit entsprechend resultierenden, guten Messsignalen beispielsweise auch in einen Betrieb der Stanznietvorrichtung, insbesondere eine Steuerung oder Regelung integriert werden, sodass damit von vorneherein keine unnötigen bzw. unkritischen Versätze der Werkzeuge zugelassen werden. Hierzu können die Messsignale beispielsweise an die Recheneinheit 80 übermittelt werden.
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In 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10" in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10" entspricht hinsichtlich ihrer Komponenten und ihrem Aufbau im Wesentlichen der Stanznietvorrichtung 10' gemäß 3, jedoch ist hier eine Führungseinrichtung 70' vorgesehen, die zwischen den zwei Schenkeln 61 und 62 des Rahmens 60 angeordnet, an welchen der Antrieb 50 und der Gegenhalter 18 angeordnet sind.
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Die Führungseinrichtung 70', auch hier als Führungsschiene ausgebildet, ist dabei punktuell - beispielhaft mittels zweiter Verbindungselemente - an dem Rahmen 60 bzw. an dem sog. Bügelrücken 63 befestigt. Denkbar wäre jedoch auch, die Führungseinrichtung 70' nicht punktuell, sondern flächig, also beispielsweise mit einer gesamten Seite oder Oberfläche, die sich entlang der Fügerichtung R erstreckt und dem Rahmen 60 zugewandt ist, an dem Rahmen 60 zu befestigen. In diesem Fall könnte der Rahmen 60 etwas anders ausgebildet sein, beispielsweise mit kürzeren Schenkeln. Alternativ oder zusätzlich könnte auch die Führungseinrichtung beispielsweise größere Abmessungen aufweisen. Der Effekt der Führungseinrichtung 70' entspricht jedoch demjenigen der Führungseinrichtung 70 gemäß 3.
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Im Übrigen ist auch hier ein Weg-Messsystem 71 vorgesehen, wie es schon in 3 gezeigt und in Bezug darauf beschrieben wurde. Diese Ausführungen gelten hier entsprechend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2318161 B1 [0003]
- DE 102014203357 A1 [0003]
