DE102019124477A1

DE102019124477A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Formen von Wicklungselementen

Info

Publication number: DE102019124477A1
Application number: DE102019124477.3A
Authority: DE
Inventors: Felix Wirth; Jürgen FLEISCHER; Pier Vai; Fabrizio Giuradei; Federica Forte
Original assignee: Gehring E Tech GmbH
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-18
Also published as: WO2021048408A1; EP3987631A1; US20230198356A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen, Wicklungselementen aus einem Leiterstück (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen, Wicklungselementen. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Formen von Wicklungselementen.
Bei der Fertigung von Elektromotoren für Traktionsantriebe einzelne Wicklungselemente (Steckspulen, sog. „Hairpins“) hergestellt, die im weiteren Prozess zu einer Statorwicklung weiterverarbeitet werden. Um bedingt durch höheren Füllungsgrad der Nut eine höhere Effizienz von Elektromaschinen zu erreichen, wurde in der Hairpin-Technologie von runden auf rechteckige Leiterquerschnitte übergegangen. Im Rahmen der Herstellung der Wicklungselemente müssen aus Endlosmaterial entsprechende Leiterstücke abgetrennt und zu geeigneten Wicklungselementen umgeformt werden. Anschließend werden die Wicklungselemente in den Stator eingebracht und nach einer Positionierung am Stator miteinander verschweißt.
Mit einem haarnadelförmigen Wicklungselement, einem sogenannten Hairpin (da seine Form eben der einer Haarnadel ähnelt), ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Wicklungselement gemeint, das zwei parallele Schenkel und einen diese beiden Schenkel miteinander verbindenden Abschnitt umfasst, der insbesondere bogenförmig ausgebildet ist. Ein Hairpin kann insbesondere ein U-förmiges Profil aufweisen. Der verbindende Abschnitt kann insbesondere eine dreidimensionale Erstreckung, insbesondere mit konstanten und variablen Verläufen der Radien aufweisen, also derart ausgebildet sein, dass sich Teile des verbindenden Abschnitts aus der Ebene der beiden Schenkel hinauserstrecken.
Die Leiterstücke werden im Stand der Technik üblicherweise durch eine oder mehrere verschiedene Biegestationen (2D- oder 3D-Biegestationen) zu Wicklungselementen umgeformt. Dadurch lassen sich die Leiterstücke in die zur Montage am Stator erforderliche Form bringen.
DE 10 2009 025 988 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Freiformbiegen von Hohlprofilen.
US 2003/0 029 215 A1 beschreibt eine Biegevorrichtung für Flachdrähte.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erfordern üblicherweise ein Kalibrieren im laufenden Betrieb. Mit anderen Worten, die auf die Leiterstücke im Rahmen des Umformvorgangs ausgeübten Umformeinflüsse bzw. Biegemomente, werden herkömmlicher Weise im Rahmen von Kalibrierläufen durch die Herstellung einer Mehrzahl an umgeformten Leiterstücken kalibriert, wobei im Anschluss an jedes in den Kalibrierläufen umgeformte Leiterstück dieses üblicherweise mittels einer eigenständigen Testprozedur (bspw. durch Einsetzen einer Mehrzahl an Hairpins in einen Statorkern) auf seine korrekte Umformung vermessen wird und entsprechend den Ergebnissen dieser separat durchgeführten Testprozedur die Umformeinflüsse angepasst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Herstellung von Wicklungselementen, insbesondere einer Drahtspezifikation, also Drahtlänge, mit unterschiedlichen Formen auf kostengünstige Art und Weise zu ermöglichen, wobei insbesondere bei Produktionsbeginn möglichst wenig Ausschuss produziert wird. Weiter soll eine möglichst gleichbleibende Produktqualität sichergestellt werden.
Die Erfindung löst die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen (sog.„Hairpin‟ oder Steckspule), Wicklungselementen aus Leiterstücken gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Entsprechend umfasst das Verfahren: Umformen eines Leiterstücks in eine Ist-Form unter Verwendung einer Umformeinrichtung, die, insbesondere durch kinematische Positions- und Lageveränderungen, Umformeinflüsse auf das Leiterstück ausübt, um dieses umzuformen. Mit anderen Worten das Leiterstück wird von einer Ausgangsform durch den Umformvorgang in eine Ist-Form überführt. Der Umformvorgang wird mittels der Umformeinrichtung durchgeführt. Die Umformeinrichtung übt dabei Umformeinflüsse auf das Leiterstück aus. Die entsprechenden Umformeinflüsse sind typischerweise Biegemomente und Torsionsmomente. Mit anderen Worten, beim Umformen wird das Leiterstück gebogen und zusätzlich oder alternativ tordiert, um das Werkstück von der Ausgangsform in die Ist-Form zu überführen.
Erfassen der Ist-Form des Leiterstücks mittels einer Erfassungseinrichtung. Die Erfassungseinrichtung ermittelt die 3-dimensionale Erstreckung des umgeformten Leiterstücks, dessen dreidimensionale Form, die Ist-Form, die sich durch das Umformen ergibt. Typischerweise ist die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zum maschinellen Sehen, beispielsweise ein Linienscanner, eine stereoskopische Einrichtung oder eine andere Art 3D-Scan-Einrichtung.
Ermitteln einer Abweichung zwischen der Ist-Form und einer gewünschten Soll-Form. Die erfasste bzw. gemessene Ist-Form wird mit einer vorab vorgegebenen gewünschten Form, der Soll-Form, verglichen. In diesem Vergleich wird überprüft ob zwischen Ist-Form und Soll-Form eine Abweichung vorliegt. Es wird also geprüft, ob der Umformvorgang das Leiterstück in die Soll-Form überführt hat, oder ob zwischen der durch den Umformvorgang resultierenden Form (Ist-Form) und der gewünschten Zielform (Soll-Form) eine Abweichung besteht.
Anpassen der beim Umformen verwendeten Umformeinflüsse basierend auf einer ggf. ermittelten Abweichung zwischen der Ist-Form und der Soll-Form. Wird bei dem oben genannten Vergleich eine Abweichung festgestellt, so werden die Umformeinflüsse angepasst, so dass die Abweichung möglichst kompensiert wird. Mit anderen Worten, es wird also ein Fehler in der erzielten Form (Abweichung Ist-Form zu Soll-Form) des Leitungsstücks ausgeglichen, indem die Umformeinflüsse auf das Leiterstück angepasst werden. Es werden beispielsweise die zur Umformung des Leiterstück angewendeten Biegemomente und Torsionsmomente angepasst. Dadurch wird der Umformvorgang immer genauer, wobei diese Prozessverbesserung automatisiert, erfolgt und außerdem Veränderungen in den Prozessbedingungen berücksichtigen kann. Es wird also nicht ein bestimmter Betriebszustand (bspw. bestimmte Biege- und Torsionsmomente) eingestellt und dieser dann immer wieder ohne Adaption durchgeführt, sondern die Prozessführung wird bei Abweichung stets in Richtung der gewünschten Zielform verbessert.
Die Ist-Form kann als Vielzahl von Mess-Punkten oder Kurven erfasst werden, die die Kontur des Leiterstücks beschreiben. Entsprechend kann auch die Soll-Form in Form einer Punktemenge vorliegen, die die Kontur des Leiterstücks beschreibt.
Es kann vorgesehen sein, dass im Rahmen des Verfahrens rotationssymmetrische Leiterstücke umgeformt werden. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass das umzuformende Leiterstücke einen nicht rotationssymmetrischen Querschnitt (orthogonal zu seiner Längserstreckung) aufweist.
Das Anpassen der Umformeinflüsse kann während dem Umformen eines Leiterstücks erfolgen und der weitere Umformvorgang kann mittels der angepassten Umformeinflüsse durchgeführt werden. So kann im laufenden Umformvorgang eine zu Beginn der Umformung erkannte Abweichung berücksichtigt werden und der restliche Umformvorgang kann entsprechend angepasst werden. Das resultierende umgeformte Leiterstück kann entweder (bspw. bei starken Abweichungen) als Ausschuss eingeordnet werden oder durch die Anpassung der Umformeinflüsse ein noch verwendbares Leiterstück darstellen. Selbst wenn das Leiterstück als Ausschuss einzuordnen ist, so bietet der erfindungsgemäße Prozess dennoch einen Vorteil gegenüber einer Anpassung, die erst bei der Formung des nächsten Leiterstücks erfolgt, da die Umformeinflüsse bereits zu Beginn des Umformvorgangs des nächsten Leiterstücks korrekt eingestellt sind, da beispielsweise mehrere Anpassungszyklen der Umformungseinflüsse während der Umformung eines einzelnen Leiterstücks durchgeführt werden konnten.
Das Anpassen der Umformeinflüsse kann jedoch auch erst im Anschluss an das Umformen eines ersten Leiterstücks erfolgen und ein Umformvorgang eines zweiten (späteren, jedoch nicht zwingend direkt nachfolgenden) Leiterstücks mittels der angepassten Umformeinflüsse durchgeführt werden. Hierdurch können beispielsweise ggf. unterschiedliche Abweichungen an unterschiedlichen Stellen der Form des Leiterstücks berücksichtigt werden und so eine ggf. genauere Anpassung der Umformeinflüsse vorgenommen werden. Es kann bspw. vorgesehen sein, dass das erste Leiterstück umgeformt wird, dann mittels der Erfassungseinrichtung „vermessen“ wird (Erfassen der Ist-Form) und die Abweichung von der Soll-Form ermittelt wird, während bereits ein weiteres Leiterstück umgeformt wird. Wenn die Umformung des weiteren Leiterstücks mit den gleichen Umformeinflüssen wie beim ersten Leiterstück abgeschlossen ist, wird der Umformvorgang des zweiten Leiterstücks mit den angepassten Umformeinflüssen durchgeführt. Das Erfassen der Ist-Form sowie der Abgleich mit der Soll-Form, das Ermitteln der Abweichung, sowie die Anpassung die Umformeinflüsse erfolgt vorzugsweise innerhalb einer Zeitspanne, die geringer ist, als die Zeit, die zum Umformen eines Leiterstücks benötigt wird.
Die (angepassten) Umformeinflüsse, die beim Umformen des Leiterstücks verwendeten werden, können basierend auf einem Model ermittelt werden, wobei das Model die Umformeinflüsse (bspw. ausgeübte Biege und Torsionsmomente) in Abhängigkeit von der Soll-Form (gewünschte Form) und von Eigenschaftsparametern (bspw. Biegesteifigkeit) des Leiterstücks vorgibt. Beispielsweise können hier Berechnungen anhand der elementaren Biegetheorie herangezogen werden. Dies hat den Vorteil, dass ein prädiktiver Ansatz verfolgt wird, der über eine bloße Reaktion in der Anpassung hinausgeht und Kenntnisse über das Verformungsverhalten des Leiterstücks berücksichtigt, sodass eine genauere und schnellere Anpassung erfolgen kann.
Die Umformeinflüsse, die beim Umformen des Leiterstücks verwendeten werden, können auch basierend auf einer ermittelten Differenz zwischen Ist-Form und Soll-Form proportional zur ermittelten Differenz angepasst werden.
Bei einer Abweichung zwischen Ist-Form und Soll-Form können die dem Model zugrundeliegenden Eigenschaftsparameter des Leiterstücks in einem Modelanpassungsschritt derart angepasst werden, dass das Model basierend auf den ausgeübten Umformeinflüssen (bekannt und damit fest vorgegeben) und den angepassten Eigenschaftsparametern (in diesem Schritt anpassbarer Parameter) die Ist-Form (bekannt und damit fest vorgegeben) vorgibt. In einem angepassten Umformschritt können für die weitere Umformung (Rest des Leiterstücks oder nächstes Leiterstück) die angepassten Umformeinflüsse (in diesem Schritt anpassbarer Parameter) basierend auf dem Model (Zusammenhang zwischen Ausgangsform, Umformeinflüssen, Eigenschaftsparametern und der Soll-Form) und den angepassten Eigenschaftsparametern (bekannt und damit fest vorgegeben) sowie der Soll-Form (bekannt und damit fest vorgegeben) vorgegeben werden.
Initialwerte für die in dem Model verwendeten Eigenschaftsparameter können dadurch ermittelt werden, dass unter Verwendung der Umformeinrichtung ein Testumformvorgang mit vorgegebenen Testumformeinflüssen an einem Testleiterstück, das gleiche Eigenschaftsparameter wie die später umzuformenden Leiterstücke aufweist, durchgeführt wird. Typischerweise sind die Testumformeinflüsse dabei weniger komplex als die zur Herstellung eines Hairpins real verwendeten Umformeinflüsse. Initialwerte können auch durch Zug- und/oder Biegeversuche in einer gesonderten Testvorrichtung ermittelt werden.
Beispielsweise kann ein Testleiterstück einer einfachen Biegung um einen bestimmten Winkel unterzogen werden. Beispielsweise kann ein Testleiterstück auch einer Torsion um einen bestimmten Winkel unterzogen werden. Anhand der resultierenden Verformung des Testleiterstücks können dann entsprechend Initialwerte für die Eigenschaftsparameter abgeleitet werden. Die resultierende Ist-Form (im Anschluss an den Testumformvorgang) des Testleiterstücks wird erfasst und basierend auf der Ist-Form des Testleiterstücks und den verwendeten Testumformeinflüssen werden Initialwerte für die Eigenschaftsparameter ermittelt und dem Model zur Ermittlung der Umformeinflüsse als ein Ausgangspunkt zugrunde gelegt.
Die Umformeinrichtung kann eine Freiformbiegeeinrichtung sein, die Leiterstücke in dreidimensionaler Art und Weise beliebig verformen kann.
Das Umformen des Leiterstücks kann insbesondere umfassen:

- Durchführen des Leiterstücks in einer Transportrichtung, die der Längsrichtung des Leiterstücks entspricht, durch eine Führung, wobei die Führung eine Auslassöffnung aufweist, deren Öffnungsränder beim Durchtritt des Leiterstücks die Außenseite des Leiterstücks von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig kontaktieren;
- Durchführen des aus der Führung austretenden Leiterstücks durch eine auf die Auslassöffnung folgende Umformeinheit, die eine Umformöffnung umfasst, an deren Rand mehrere Umformabschnitte angeordnet sind, wobei die Umformabschnitte die Außenseite des Leiterstücks von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig kontaktieren; und
- Umformen des Leiterstücks durch Bewegen des Leiters durch die Umformöffnung hindurch bei gleichzeitigem Verändern der Orientierung der Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern der Führung, wobei die Umformabschnitte im Laufe des Umformvorgangs relativ zu den Öffnungsrändern um mindestens eine Schwenkachse, die orthogonal zur Transportrichtung verläuft, verschwenkt und entlang mindestens einer Ebene translatorisch bewegt werden, deren Normalenvektor die Schwenkachse ist, wobei bei der Änderung der Orientierung der Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern der Führung während des Umformens der Umformabschnitt an einer Innenseite eines am Leiter auszubildenden Bogens in seiner Relativposition gegenüber den Öffnungsrändern unverändert bleibt. Mit anderen Worten, es ist vorgesehen, dass bei dieser Art der Verfahrensführung der Umformabschnitt, der an der Innenseite einer zu bildenden Biegung angeordnet ist, gegenüber der Führung nicht bewegt wird. Die Biegung erfolgt also durch eine Bewegung des dem unbewegten Umformabschnitt gegenüberliegenden Umformabschnitts.

Hierdurch kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine besonders spannungsfreie Umformung, die besonders bei isolierten Leiterstücken erforderlich ist, durchgeführt werden. Des Weiteren lassen sich hierdurch besonders enge Krümmungsradien und dadurch besonders komplexe Geometrien realisieren. Wie bereits oben erläutert durchtritt der Leiter sowohl die Auslassöffnung als auch die Umformöffnung in einer genau vorgegebenen Orientierung, da er durch die jeweilige beidseitige Kontaktierung des Leiterstücks von den zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her in der Auslassöffnung und der Umformöffnung zwangsgeführt ist. Durch die Änderung der Ausrichtung der Umformöffnung zur Auslassöffnung durch das Verschwenken während des Umformens wird der Leiter zwangsweise gebogen und/oder tordiert.
Mittels der Umformeinrichtung wird das Leiterstück in die gewünschte Form gebracht wird, wozu die Umformabschnitte bzw. die Umformeinrichtung insgesamt verschwenkt werden. Um ein Klemmen des Leiterstücks in der Umformeinrichtung und damit unerwünschte Fehlformungen oder Beschädigungen des Leiterstücks zu vermeiden, wenn die Umformeinrichtung um die orthogonal zur Transportrichtung orientierten Schwenkachsen geschwenkt wird, erfolgt gleichzeitig zum Verschwenken ein Bewegen der Umformeinrichtung bzw. deren Umformabschnitte in einer Ebene, deren Normalenvektor die Schwenkachse ist (Kompensation der Schwenkbewegung). Anders ausgedrückt erfolgt einerseits ein Verschwenken bzw. eine Rotation zur Umformung des Leiterstücks und andererseits eine translatorische Bewegung zur Kompensation des in der Schwenkebene infolge der Schwenkbewegung entstehenden Versatzes (Versatz der Umformöffnung bezogen auf die Auslassöffnung der Führung). Beim Verschwenken um die Transportrichtung herum ist eine derartige translatorische Kompensation nicht nötig.
Durch das Beibehalten der Position des inneren Umformabschnitts wird der Umformvorgang des Leiterstücks begünstigt, da - in Transportrichtung gesehen - der Öffnungsquerschnitt der Umformöffnung überwiegend oder vollständig an der von der Umformung abgewandten Seite („Kurvenaußenseite“) verändert wird. Der sich durch die Schwenkbewegung ergebende „Lochversatz“ wird damit weitgehend oder vollständig ausgeglichen. Dadurch sind die bei der Umformung entstehenden Kräfte vergleichsweise gering. Auch die Klemmneigung der Umformvorrichtung ist gering.
Zunächst erfolgt also ein Durchführen des Leiters durch eine Führung, wobei die Führung eine Auslassöffnung aufweist, deren Öffnungsränder beim Durchtritt des Leiters die Außenseite des Leiters von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig (mit anderen Worten von vier Seiten her) kontaktieren. Durch die beidseitige Kontaktierung des Leiters von den zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her, ist der Leiter quasi in der Auslassöffnung zwangsgeführt. Mit anderen Worten, er durchtritt die Auslassöffnung also in einer durch die Kontaktierung genau vorgegebenen Orientierung.
Eine entsprechende Zwangsführung liegt in der Umformöffnung durch die beidseitige Kontaktierung des Leiterstücks von den zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her vor. Mit anderen Worten, er durchtritt die Umformöffnung also in einer durch die Kontaktierung genau vorgegebenen Orientierung.
Umformen erfolgt durch Bewegen des Leiterstücks durch die Umformöffnung hindurch bei gleichzeitigem Verändern der Orientierung der Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern der Führung. Dabei werden die Umformabschnitte (oder mit anderen Worten die Umformeinrichtung insgesamt) im Laufe des Umformvorgangs relativ zu den Öffnungsrändern um mindestens eine Schwenkachse, die orthogonal zur Transportrichtung verläuft, verschwenkt und entlang mindestens einer Ebene translatorisch bewegt, deren Normalenvektor die Schwenkachse ist. durch die überlagerte Translation kann ein Ausgleich für den Lochversatz geschaffen werden und die Position der Umformöffnung bzw. deren Umformabschnitt an der Innenseite einer Krümmung kann gegenüber der Führung bzw. deren Öffnungsrändern konstant gehalten werden.
Wie bereits oben erläutert, durchtritt das Leiterstück sowohl die Auslassöffnung als auch die Umformöffnung in einer genau vorgegebenen Orientierung, da es durch die jeweilige beidseitige Kontaktierung des Leiterstücks von den zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her in der Auslassöffnung und der Umformöffnung zwangsgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist auch eine Vorrichtung zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen, Wicklungselementen aus einem Leiterstück, umfassend:

eine Führung, wobei die Führung eine Auslassöffnung aufweist, deren Öffnungsränder ausgebildet und angeordnet sind, um das Leiterstück beim Durchtritt durch die Auslassöffnung von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig an seiner Außenseite zu kontaktieren;
eine Umformeinheit, die auf die Auslassöffnung folgend angeordnet ist und eine Umformöffnung umfasst, an deren Rand mehrere Umformabschnitte angeordnet sind, wobei die Umformabschnitte ausgebildet und angeordnet sind, um das Leiterstück beim Durchtritt durch die Umformöffnung von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig an seiner Außenseite zu kontaktieren;
wobei die Vorrichtung mindestens eine erste Schwenkeinrichtung und mindestens eine erste Ausgleichseinrichtung aufweist, die derart mit der Umformeinheit zusammenwirken, dass die Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern um mindestens eine erste Schwenkachse, die orthogonal zur Transportrichtung verläuft, verschwenkbar und entlang mindestens einer Ebene translatorisch bewegbar sind, deren Normalenvektor die Schwenkachse ist, wobei die Vorrichtung insbesondere eine zweite Schwenkeinrichtung und eine zweite Ausgleichseinrichtung (gleicht den beim Verschwenken entstehenden Versatz aus) aufweist, die derart mit der Umformeinheit zusammenwirken, dass die Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern um eine zweite Schwenkachse, die orthogonal zur Transportrichtung verläuft und zur ersten Schwenkachse verschieden ist, insbesondere orthogonal zu dieser verläuft, verschwenkbar und entlang mindestens einer Ebene translatorisch bewegbar sind, deren Normalenvektor die zweite Schwenkachse ist und wobei die Vorrichtung weiter eine Schwenkeinrichtung aufweist, die derart mit der Umformeinheit zusammenwirkt, dass die Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern um mindestens eine Schwenkachse, die der Transportrichtung entspricht, verschwenkbar sind, wobei
die Vorrichtung weiter eine Erfassungseinrichtung umfasst, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie eine durch den Umformvorgang resultierende Ist-Form des Leiterstücks mittels maschinellem Sehen erfasst, wenn das Leiterstück die Umformeinheit passiert hat.

Die Vorrichtung kann eine Kontrolleinrichtung umfassen, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die mittels der Umformeinheit auf die Leiterstücke ausgeübten Umformeinflüsse (Verschwenk- und Ausgleichsbewegungen) vorzugeben, wobei die Kontrolleinrichtung weiter ausgebildet und eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß den vorliegend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.
Die Erfassungseinrichtung kann eingerichtet und angeordnet sein, um die Ist-Form eines umgeformten Leiterstücks zu erfassen, wenn dieses aus den Umformabschnitten der Umformeinheit austritt bzw. während des Austretens aus den Umformabschnitten der Umformeinheit. Eine derartige Erfassungseinrichtung kann eine Anpassung der Umformeinflüsse während der Umformung eines Leiterstücks ermöglichen.
Die Erfassungseinrichtung kann eingerichtet und angeordnet sein, um die Ist-Form eines umgeformten Leiterstücks zu erfassen, nachdem der Umformvorgang des Leiterstücks abgeschlossen ist.
Vorzugsweise wird dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Soll-Form zugrunde gelegt, die eine 3-dimensionale Erstreckung aufweist. Vorzugsweise umfasst die Soll-Form wenigstens bereichsweise Biegeradien, die sich kontinuierlich entlang des Verlaufs des Leiterstücks ändern.
Insbesondere berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen des Models Rückfederungseigenschaften der Leiterstücke.
Der Umformprozess der Leiterstücke erfolgt insbesondere durch eine sich, insbesondere kontinuierlich, ändernde Relativposition zweier Öffnungen zueinander, die die Leiterstücke zwangsführen, und durch die die Leiterstücke hindurchbewegt, insbesondere hindurchgeschoben, werden.
Die Leiterstücke sind vorzugsweise aus einem mit isolationsmaterial ummantelten Vollmaterial gebildet. Vorzugsweise weisen die Leiterstücke einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, insbesondere mit abgerundeten Ecken, auf.
Insbesondere handelt es sich bei dem im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Umformvorgang um einen kinematischen Biegeprozess mit sich ändernden Biegeradien. Die Soll-Form ist insbesondere eine dreidimensionale Form, also eine Form, die nicht innerhalb einer Ebene verläuft. Im Umformvorgang werden insbesondere nicht konstante Freiformbiegeradien verwendet. Der Umformvorgang läuft insbesondere nicht in einer konstanten Biegeebene ab.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente ggf. lediglich einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Formen eines haarnadelförmigen Wicklungselements aus einem Leiterstück in einer perspektivischen Vorderansicht;
2 die Vorrichtung aus 1 in einer perspektivischen Rückansicht;
3 die Vorrichtung aus 1 in einer teilweisen und vergrößerten Vorderansicht;
4a-c eine Ausführungsform einer Umformeinrichtung der Vorrichtung aus 1 in mehreren Ansichten;
5a-c eine Ausführungsform einer Umformeinrichtung der Vorrichtung aus 1 in mehreren Ansichten;
6a-c eine Ausführungsform einer Umformeinrichtung der Vorrichtung aus 1 in mehreren Ansichten;
7 eine Veränderung der Orientierung der Umformabschnitte relativ zu den Öffnungsrändern der Führung in einer schematischen Darstellung;
8 einen Hairpin;
9 einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
11 ein Modell zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren, wobei Umformeinflüsse ermittelt werden; und
12 das Modell zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren, wobei angepasste Eigenschaftsparameter ermittelt werden.

1 zeigt eine Vorrichtung 10, die eine Umformeinrichtung darstellt, zum Formen eines bspw. haarnadelförmigen Wicklungselements („Hairpin“) aus einem Leiterstück 12. Das Leiterstück 12 ist entlang einer Längsrichtung (X-Richtung) länglich erstreckt ausgebildet und weist eine sich entlang der Längsrichtung erstreckende Außenseite 13 auf. Die Komponenten der Vorrichtung 10 sind vorliegend mit einem als Tragestruktur dienenden Rahmen 14 gekoppelt oder an diesem befestigt.
Die Vorrichtung 10 weist eine (in 1 teilweise verdeckte) Führung 16 sowie eine Umformeinheit 18 auf, durch die das Leiterstück 12 geführt wird. Die Umformeinheit 18 kann mittels mehrerer Schwenkeinrichtungen und mehrerer Ausgleichseinrichtungen relativ zur Führung 16 bewegt werden, wodurch sich das durch die Führung 16 und die Umformeinheit 18 geführte Leiterstück 12 zu einem bspw. haarnadelförmigen Wicklungselement umformen lässt. Dies wird nachfolgend im Einzelnen erläutert, wobei auf die in 1 eingezeichneten Raumachsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) Bezug genommen wird. Die X-Achse erstreckt sich entlang der Längsrichtung des Leiterstücks 12, die Y-Achse erstreckt sich orthogonal hierzu nach oben (in 1 senkrecht nach oben) und die Z-Achse erstreckt sich orthogonal zur X-Y-Ebene (in 1 nach schräg links unten).
Wie bereits angedeutet, weist die Vorrichtung 10 eine Führung 16 auf (in 1 teilweise verdeckt), die eine Auslassöffnung 20 aufweist (siehe 7). Die Öffnungsränder 22 der Auslassöffnung 20 sind ausgebildet und angeordnet, um das Leiterstück 12 beim Durchtritt durch die Auslassöffnung 20 von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig (von vier Seiten her) zu kontaktieren (in 7 nur angedeutet) .
Wie ebenfalls zuvor angedeutet, weist die Vorrichtung 10 eine Umformeinheit 18 auf, die in Transportrichtung des Leiterstücks 12 (X-Achse) unmittelbar auf die Auslassöffnung 20 folgend angeordnet ist und eine Umformöffnung 24 umfasst. An dem Rand oder den Rändern der Umformöffnung 24 sind vier Umformabschnitte 26 angeordnet, die dazu ausgebildet und angeordnet sind, um das Leiterstück 12 beim Durchtritt durch die Umformöffnung 24 von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig, also von vier Seiten her, an seiner Außenseite 13 zu kontaktieren. Die vier Umformabschnitte 26 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Umformöffnung 24 weitestgehend rechteckig ausgebildet ist.
Die Vorrichtung 10 weist mindestens eine Schwenkeinrichtung und mindestens eine Ausgleicheinrichtung auf, die derart mit der Umformeinheit 18 zusammenwirken, dass die Umformabschnitte 26 relativ zu den Öffnungsrändern 22 um mindestens eine Schwenkachse 28 verschwenkbar und entlang mindestens einer Ebene 30 bewegbar sind, deren Normalenvektor die Schwenkachse 28 ist (in 7 veranschaulicht).
Im Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 10 eine erste Schwenkeinrichtung 32, eine zweite Schwenkeinrichtung 34, eine dritte Schwenkeinrichtung 36, eine erste Ausgleichseinrichtung 38 und eine zweite Ausgleichseinrichtung 40 auf.
Die erste Schwenkeinrichtung 32 weist eine erste, innere Aufhängung 42 auf, an der die Umformeinheit 18 befestigt, bspw. verschraubt ist. Die innere Aufhängung 42 ist um eine sich entlang der Transportrichtung des Leiterstücks 12 erstreckende erste Schwenkachse (X-Achse) schwenkbar gelagert und mittels einer ersten Antriebseinrichtung 44 verschwenkbar. Hiermit kann das Leiterstück 12 um die Transportrichtung (X-Achse) herum umgeformt werden (Torsion des Leiterstücks 12 um die X-Achse). Da hierbei kein Versatz stattfindet (Mittellängsachsen der Auslassöffnung 20 und der Umformöffnung 24 sind kongruent bzw. liegen beide auf der X-Achse), ist an der ersten Schwenkeinrichtung 32 keine Ausgleichseinrichtung erforderlich.
Die innere Aufhängung 42 (Hauptscheibe 42) ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine Aussparung 43 auf, die zur Seite hin offen ist (Kreisringabschnitt). Durch die Aussparung 43 wird Raum für die Umformung des Leiterstücks 12 geschaffen (bspw. bei Biegungen um 180°). An der inneren Aufhängung 42 sind Befestigungsabschnitte 46 für die Umformeinheit 18 ausgebildet, die als Befestigungspunkte Bohrungen oder Durchgänge mit Innengewinden zur Schraubbefestigung aufweisen (ohne Bezugszeichen). Die innere Aufhängung 42 ist durch mehrere Lager 48 schwenkbar gehalten, die bezogen auf die Transportrichtung (X-Achse) bspw. um 120° versetzt sind. Diese Lager 48 sind an der mittleren Aufhängung 50 befestigt, wie weiter unten beschrieben.
Die innere Aufhängung 42 weist an ihrem Außenumfang einen radial abragenden Bund 52 auf, der mit einer in den Lagern 48 jeweils ausgebildeten Nut 54 korrespondiert. Die erste Antriebseinrichtung 44 kann einen Motor, bspw. einen (bürstenlosen) Elektromotor, aufweisen, der die innere Aufhängung 42 um deren Schwenkachse (X-Achse) antreiben kann. Die Antriebseinrichtung 44 und die innere Aufhängung 42 sind mittels einer Zahnradverbindung oder eines Schraubradgetriebes gekoppelt. Die Motorwelle der Antriebseinrichtung 44 und die Schwenkachse (X-Achse) sind parallel zueinander orientiert.
Die zweite Schwenkeinrichtung 34 weist eine zweite, mittlere Aufhängung 50 auf, die um eine zur Transportrichtung (X-Achse) orthogonale zweite (hier vertikale) Schwenkachse (Y-Achse) schwenkbar gelagert und mittels einer zweiten Antriebseinrichtung 56 verschwenkbar ist (Schwenkbewegung um die Y-Achse). Hiermit ist eine Umformung des Leiterstücks in einer Ebene möglich („2D-Umformung“, d.h. Umformung zu einem flachen Hairpin).
An der mittleren Aufhängung 50 sind die innere Aufhängung 42 und die daran befestigte Umformeinheit 18 gelagert. Die mittlere Aufhängung 50 (zweite Scheibe 50) ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine Aussparung 58 auf (flacher Kreisringabschnitt). Durch die Aussparung 58 wird Raum für die Umformung des Leiterstücks 12 geschaffen. An der mittleren Aufhängung 50 sind jeweils mittels einer Schraubverbindung die Lager 48 befestigt. Die erste Antriebseinrichtung 44 für die innere Aufhängung 42 ist ebenfalls an der mittleren Scheibe 50 befestigt, bspw. mittels Schraubverbindungen.
Die Schwenkbewegung (Rotation) der mittleren Aufhängung 50 ist direkt durch die Motorwelle (ohne Bezugszeichen) der zweiten Antriebseinrichtung 56 vorgegeben. Die zweite Antriebseinrichtung 56 weist einen Motor, bspw. einen (bürstenlosen) Elektromotor, auf, wobei die zweite Schwenkachse (Y-Achse) und die Mittellängsachse der Motorwelle kongruent sind. Die zweite Antriebseinrichtung 56 ist an einer äußeren Aufhängung 60 befestigt, wie nachfolgend beschrieben. Eine Befestigung der mittleren Aufhängung 50 an der äußeren Aufhängung 60 erfolgt mittels Lagereinheiten 62, die eine Schwenkbewegung um die zweite Schwenkachse (Y-Achse) ermöglichen. Die Lagereinheiten 62 weisen mehrere Befestigungsabschnitte 64, Bolzen 66 und Wälzlager (nicht dargestellt) auf.
Die dritte Schwenkeinrichtung 36 weist eine dritte, äußere Aufhängung 60 auf, die um eine zur Transportrichtung orthogonale dritte (hier vertikale) Schwenkachse (Z-Achse) schwenkbar gelagert und mittels einer dritten Antriebseinrichtung 68 verschwenkbar ist (Schwenkbewegung um die Z-Achse). Hiermit ist eine Umformung des Leiterstücks 12 in einer weiteren Ebene möglich („2D-Umformung“), bspw. einer bezogen auf den Rahmen 14 der Vorrichtung 10 vertikalen Ebene (X-Y-Ebene). Zusammen mit der zweiten Schwenkeinrichtung 34 ist somit eine dreidimensionale Umformung des Leiterstücks 12 zu einem Wicklungselement möglich („3D-Umformung“).
An der äußeren Aufhängung 60 sind die mittlere Aufhängung 50 und die innere Aufhängung 42 mit der daran befestigten Umformeinheit 18 gelagert. Die äußere Aufhängung 60 ist als Kreisringabschnitt ausgebildet und weist einen C-förmigen Querschnitt auf. An der äußeren Aufhängung 60 sind die Lagereinheiten 62 und die zweite Antriebseinrichtung 56 für die mittlere Aufhängung 50 befestigt.
Die Schwenkbewegung (Rotation) der äußeren Aufhängung 60 wird direkt durch die Motorwelle (ohne Bezugszeichen) der dritten Antriebseinrichtung 68 vorgegeben. Die dritte Antriebseinrichtung 68 weist einen Motor, bspw. einen (bürstenlosen) Elektromotor, auf, wobei die dritte Schwenkachse (Z-Achse) und die Mittellängsachse der Motorwelle der dritten Antriebseinrichtung 68 kongruent sind. Die dritte Antriebseinrichtung 68 ist mittels der ersten Ausgleichseinrichtung 38 und/oder der zweiten Ausgleichseinrichtung 40 an dem Rahmen 14 befestigt, wie weiter unten beschrieben.
Die Umformeinheit 18 ist als auswechselbare Werkzeugeinheit ausgebildet (siehe 4 bis 6). Hiermit kann die passende Umformeinheit 18 ausgewählt und an die Umformung angepasst werden.
Die Umformeinheit 18 weist eine plattenförmige Haltestruktur 70 (Grundplatte 70) mit Bohrungen/Durchgängen zur Befestigung an der inneren Aufhängung 42 auf. Die Umformeinheit 18 weist zwei Justiereinrichtungen 72, 74 zur Feineinstellung der Umformeinheit 18 in der Ebene der Grundplatte 70 auf. Hierzu weist die Umformeinheit 18 relativ zur Grundplatte 18 einstellbare Anschläge 76, 78 auf. Der Anschlag 76, 78 kann jeweils mittels einer Fixierschraube 80 relativ zur Grundplatte 70 justiert und fixiert werden. Im Anschlag 76, 78 können Bohrungen oder Durchgänge mit Gewinden zur Befestigung an der inneren Aufhängung 42 ausgebildet sein (ohne Bezugszeichen). Die Vorrichtung 10 kann mehrere unterschiedliche Umformeinrichtungen 18 bzw. Werkzeugeinheiten aufweisen, bspw. kann mit der Vorrichtung 10 ein Set unterschiedlicher Umformeinrichtungen 18 vorgehalten werden.
Die Umformabschnitte 26 der Umformeinheit 18 sind jeweils durch einen Stift 82 oder durch eine Rolle 84 gebildet, die optional mittels eines Wälzlagers 86 an der Umformeinheit 18 gelagert sein können. Auf Grund der rechteckigen Querschnittsform des Leiterstücks 12 sind jeweils vier Umformabschnitte 26 vorgesehen.
Zur Bereitstellung einer konstruktiv einfachen Umformeinheit 18 können die Stifte 82 (ohne Wälzlager) an oder in der Grundplatte 70 befestigt werden (siehe 5). Wird der Leiterstück 12 durch die Umformöffnung 24 geführt, drehen sich die Stift 82 nicht oder nur geringfügig mit. Konstruktiv höherwertige Lösungen lassen sich durch Ausführungen mit Wälzlagern erreichen. So können die Stifte 82 mittels Wälzlagern 86 an bzw. in der Grundplatte 70 gelagert werden (siehe 4a). Ebenso können Rollen 84 mittels Wälzlagern 86 an bzw. in der Grundplatte 70 gelagert werden (siehe 6a). Die Rollen 84 bzw. die Wälzlager 86 können mittels Schrauben 88 an Lagerböcken 90 befestigt werden, die an der Grundplatte 70 befestigt sind.
Wie bereits angedeutet, weist die Vorrichtung 10 als Tragestruktur einen Rahmen 14 auf, wobei die dritte Schwenkeinrichtung 36 mittels der ersten Ausgleichseinrichtung 38 und der zweiten Ausgleichseinrichtung 40 mit dem Rahmen 14 gekoppelt ist.
Die erste Ausgleichseinrichtung 38 weist einen entlang einer bezogen auf den Rahmen 14 horizontalen Richtung verfahrbaren ersten Schlitten 92 auf, der mittels einer vierten Antriebseinrichtung 94 antreibbar ist, so dass die Umformeinheit 18 entlang der Schwenkachse der dritten Schwenkeinrichtung (Z-Achse) bewegbar ist. Dadurch kann der bezogen auf das Leiterstück 12 seitliche Versatz (Versatz in Z-Richtung) als Effekt der Schwenkbewegung um die Y-Achse kompensiert werden.
Der erste Schlitten 92 kann mittels vier Linearführungen 96 (bspw. mit Käfigkugel) mit dem Rahmen 14 gekoppelt sein. Zwei Linearführungen 96 sind an einem oberen Rahmenabschnitt 14' befestigt und zwei Linearführungen 96 sind an einem unteren Rahmenabschnitt 14'' befestigt. Der erste Schlitten 92 kann durch die vierte Antriebseinrichtung 94 entlang der Linearführungen 96 bewegt werden. Die vierte Antriebseinrichtung 96 kann einen Motor, bspw. einen (bürstenlosen) Elektromotor, aufweisen und am Rahmen 14 fixiert sein. Mit der Motorwelle ist eine Spindel 98 (Kugelrollspindel 98), gekoppelt, die mit einer am ersten Schlitten 92 befestigten Mutter (Spindelmutter; nicht dargestellt) zusammenwirkt. Die Motorwelle der vierten Antriebseinrichtung 96 ist mittels einer Metallbalgkupplung 100 mit der Spindel 98 gekoppelt.
Die zweite Ausgleichseinrichtung 40 weist einen entlang einer bezogen auf den Rahmen 14 vertikalen Richtung verfahrbaren zweiten Schlitten 102 auf, der mittels einer fünften Antriebseinrichtung 104 antreibbar ist, so dass die Umformeinheit 18 entlang einer zur Schwenkachse der dritten Schwenkeinrichtung 36 (Z-Achse) orthogonalen Achse bewegbar ist (Y-Achse). Dadurch kann der bezogen auf das Leiterstück 12 vertikale Versatz (Versatz in Y-Richtung) als Effekt der Schwenkbewegung um die Z-Achse kompensiert werden.
Der zweite Schlitten 102 ist mittels zwei Linearführungen 106 (bspw. mit Käfigkugel) mit dem Rahmen 14 gekoppelt. Der zweite Schlitten 102 kann mittels der fünften Antriebseinrichtung 104 entlang der Linearführungen 106 angetrieben werden. Die fünfte Antriebseinrichtung 104 weist einen Motor, bspw. einen (bürstenlosen) Elektromotor, auf und ist am Rahmen 14 fixiert. Mit der Motorwelle der fünften Antriebseinrichtung 104 ist eine Spindel 108 (Kugelrollspindel 108) gekoppelt, die mit einer am zweiten Schlitten 102 befestigten Mutter (Spindelmutter; nicht dargestellt) zusammenwirkt. Die Motorwelle ist mittels einer Metallbalgkupplung 110 mit der Spindel 108 gekoppelt.
Umformeinrichtung 10 umfasst weiter eine Erfassungseinrichtung 200 bzw. mehrere Erfassungseinrichtungen 200, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie eine durch den Umformvorgang resultierende Ist-Form des Leiterstücks 12 mittels maschinellem Sehen erfasst, wenn das Leiterstück 12 die Umformeinheit 18 passiert hat. Die Erfassungseinrichtung 200 im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erfassung von 3-dimensionalen Formdaten des umgeformten Leiterstücks 12. Die Erfassungseinrichtung 200 erfasst die Form dabei bevorzugt auf optischem Weg. Es können Linienscanner, Streifenlichtsysteme oder stereoskopische Messeinrichtungen verwendet werden.
Umformeinrichtung 10 umfasst weiter eine Kontrolleinrichtung 300, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die mittels der Umformeinheit 18 auf die Leiterstücke 12 ausgeübten Umformeinflüsse vorzugeben. Mit anderen Worten die Kontrolleinrichtung 300 steuert die Umformeinrichtung 10 und gibt die Verschwenkstellungen der Schwenkeinrichtungen 32,34 und 36 vor sowie die jeweilige Ausgleichsbewegung durch die Ausgleichseinrichtungen 38 und 40. Hierzu steuert die Kontrolleinrichtung 300 die den jeweilige Schwenkeinrichtungen 32,34 und 36 und Ausgleichseinrichtungen 38, 40 zugeordneten Antriebseinheiten 44, 56, 68, 94, 96 und 104 an. Verbindung 310 mit den Antriebseinheiten sind in 1 symbolisch angedeutet, diese können auf verschiedene Art und Weise ausgebildet sein, bspw. kabelgebunden oder auch kabellos.
Das Verfahren zum Formen eines vorzugsweise haarnadelförmigen Wicklungselements (Hairpin; Steckspule) aus einem Leiterstück 12, das entlang einer Längsrichtung (X-Achse) länglich erstreckt ausgebildet ist und eine sich entlang der Längsrichtung erstreckende Außenseite 13 aufweist läuft, am Beispiel der Verwendung der Umformeinrichtung 10, folgendermaßen ab:

Umformen eines Leiterstücks 12 in eine Ist-Form. Mit anderen Worten das Leiterstück 12 wird mittels der Umformeinrichtung 10 aus seiner geradlinigen Ausgangsform in eine Ist-Form, die beispielsweise der in 8 dargestellten Hairpin Form entspricht, umgeformt.

Dabei übt die Umformeinrichtung 10 Umformeinflüsse auf das Leiterstück 12 aus, um dieses umzuformen. Diese Umformeinflüsse werden mittels dem Verschwenken der Umformeinheit 18 gegenüber der Führung 16 bzw. deren Auslassöffnung 20 bewirkt. Zusätzlich können die oben beschriebenen translatorischen Ausgleichsbewegungen vorliegen, um einen Versatz zu der Führung und der Umformeinheit 18 zu vermeiden.
Erfassen der Ist-Form des Leiterstücks 12 mittels der Erfassungseinrichtung 200. Die Erfassungseinrichtung 200 ist in der Lage ein 3-D Profil des Leiterstücks zu erstellen. Das Vermessen der Ist-Form des Leiterstücks kann direkt beim Austreten aus der Umformeinheit 18 erfolgen. Es ist auch denkbar eine Erfassungseinrichtung 200 zu verwenden, die den fertig hergestellten Hairpin dreidimensional vermisst und dadurch seine Ist-Form ermittelt.
Das Verfahren umfasst weiter das Ermitteln einer Abweichung zwischen der Ist-Form und einer gewünschten Soll-Form. Diese Ermittlung der Abweichung kann über die gesamte Erstreckung des fertig ungeformten Leiterstücks 12 erfolgen oder, beispielsweise wenn eine Erfassungseinrichtung 200 verwendet wird, die den Hairpin vermisst, sobald er die Umformeinrichtung 18 verlässt, auch lokal bzw. abschnittsweise.
Das Verfahren umfasst weiter das Anpassen der beim Umformen verwendeten Umformeinflüsse basierend auf einer ggf. ermittelten Abweichung zwischen der Ist-Form und der Soll-Form. Auch dieses Anpassen kann im Abschluss an die vollständige Umformung des Leiterstücks in einen Hairpin erfolgen oder lokal bzw. abschnittsweise, sobald eine Abweichung von der gewünschten Soll-Form erkannt wird.
Konkret erfolgt im vorliegenden Beispiel zunächst ein Durchführen des Leiterstücks 12 durch die Führung 16. Die Öffnungsränder 22 der Auslassöffnung 20 kontaktieren beim Durchtritt des Leiterstücks 12 die Außenseite 13 des Leiterstücks 12 von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig (von vier Seiten her).
Das aus der Führung 16 austretende Leiterstück 12 wird durch die (in Transportrichtung des Leiterstücks 12) direkt auf die Auslassöffnung 20 folgende Umformeinheit 18 mit der Umformöffnung 24 geführt. Die Umformabschnitte 26 kontaktieren die Außenseite 13 des Leiterstücks 12 von zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen her beidseitig (von vier Seiten her) .
Das Umformen des Leiterstücks 12 erfolgt durch Bewegen des Leiterstücks 12 durch die Umformöffnung 24 hindurch bei gleichzeitigem Verändern der Orientierung der Umformabschnitte 26 relativ zu den Öffnungsrändern 22 der Führung 16 bzw. der Auslassöffnung 20. Dabei werden die Umformabschnitte 26 (oder mit anderen Worten die Umformeinheit 18 insgesamt) im Laufe des Umformvorgangs relativ zu den Öffnungsrändern 22 um die entsprechende Schwenkachse Schwenkachse 28 verschwenkt und entlang mindestens einer Ebene 30 bewegt, deren Normalenvektor die Schwenkachse 28 ist.
Bei der Änderung der Orientierung der Umformabschnitte 26 relativ zu den Öffnungsrändern 22 der Führung 16 wird der Umformabschnitt 26 an der Innenseite des am Leiterstück 12 auszubildenden Bogens (Innenradius) in seiner Relativposition gegenüber den Öffnungsrändern 22 der Führung 16 nicht verändert, er verbleibt vielmehr in seiner Relativposition gegenüber den Öffnungsrändern 22. Dadurch wird der sich durch die Schwenkbewegung ergebende „Lochversatz“ praktisch ausgeglichen.
Dieser Aspekt ist in 7 veranschaulicht. Die Ausgangsstellung der Umformeinheit 18 bzw. der Umformabschnitte 26 (durchlaufender Leiterstück 12 würde keine Umformung erfahren) ist in 7 mit durchgezogenen Linien gezeichnet. Eine mögliche Umformstellung der Umformeinheit 18 bzw. der Umformabschnitte 26 (durchlaufender Leiterstück 12 wird wie dargestellt umgeformt) ist mit gestrichelten Linien gezeichnet. Würde die Orientierung der Umformeinheit 18 relativ zu den Öffnungsrändern 22 ausgehend von der Ausgangsstellung (durchgezogene Linien) ohne Kompensation des Lochversatzes erfolgen, würde die Umformeinheit 18 um eine das Leiterstück 12 zentrisch schneidende Schwenkachse verschwenkt werden, was zur Folge hätte, dass das Leiterstück 12 durch die Umformabschnitte 26 von zwei gegenüberliegenden Seiten her belastet werden würde (nicht dargestellt). Es entstünde ein Versatz zwischen Führung 20 und Umformöffnung 24.
Um dies zu vermeiden, wird die Umformeinheit 18 nicht nur verschwenkt, sondern in der Schwenkebene 30, deren Normalenvektor die Schwenkachse 28 ist, translatorisch in Richtung auf die Innenseite der Umformung (Innenradius) hinbewegt (veranschaulicht durch Pfeil 31). Dies erfolgt derart, dass der an der Innenseite des Bogens angeordnete Umformabschnitt 26' seine Relativposition zu den Öffnungsrändern 22 während der Umformung nicht verändert. Die überlagerte Schwenkbewegung und translatorische Ausgleichsbewegung sind also quasi derart aufeinander abgestimmt, dass der Umformabschnitt 26' beim Verschwenken gegenüber den Öffnungsrändern 22 keine Relativbewegung ausführt.
Durch das Verschwenken der Umformabschnitte 26 wird das Leiterstück gebogen bzw. tordiert. Die ausgeübten Biege- bzw. Torsionsmomente stellen dabei die auf das Leiterstück 12 ausgeübten Umformeinflüsse dar.
Die Erfassungseinrichtungen 200 erfasst die Form des Leiterstücks, wenn es aus der umformen Einheit 18 heraustritt.
Die von der Erfassungseinrichtung 200 erfassten Form-Informationen, die Ist-Form des Leiterstücks, werden an die Kontrolleinrichtung 300 übermittelt. Die Kontrolleinrichtung 300 führt einen Vergleich zwischen den durch die Erfassungseinrichtung 200 erfassten Form-Informationen, der Ist-Form des Leiterstücks nach dem Umformvorgang, und der gewünschten Soll-Form durch. Wird ein Abweichen festgestellt, so passt die Kontrolleinrichtung 300 die Umformeinflüsse an. Mit anderen Worten sie verändert die für eine bestimmte Biegung oder Torsion vorgesehene Schwenkstellung der Umformabschnitte 26 bzw. sie verändert die für eine bestimmte Biegung oder Torsion vorgesehenen Biege oder Torsionsmomente, die auf das Leiterstück 12 ausgeübt werden sollen.
Diese Anpassung der Umformeinflüsse (Biege- und Torsionsmomente kann während dem Umformvorgang eines Leiterstück erfolgen, sodass der Rest des Leiterstücks mit den neu ermittelten Umformeinflüssen bearbeitet wird oder er kann im Anschluss an den kompletten Umformvorgang erfolgen, so dass das nächste Leiterstück den korrigierten Umformeinflüssen ausgesetzt wird.
8 zeigt einen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Hairpin 140. Der Hairpin 140 weist zwei parallel erstreckte und geradlinig ausgebildete Schenkel 150 auf sowie einen aus der Ebene der Schenkel 150 heraustretenden Verbindungsabschnitt 160. Verschiedene Biege- und Torsionsmomente wurden beim Herstellen des Hairpins 140 auf das zuvor geradlinig ausgebildete Leiterstück 12 ausgeübt.
9 illustriert eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Schritt 400 erfolgt ein Umformen eines Leiterstücks 12 in eine Ist-Form unter Verwendung einer Umformeinrichtung 10, die Umformeinflüsse auf das Leiterstück 12 ausübt, um dieses umzuformen.
In einem Schritt 410 erfolgt, im vorliegenden Beispiel nach Abschluss des Schritts 400, ein Erfassen der Ist-Form des Leiterstücks 12 mittels einer Erfassungseinrichtung 200, insbesondere einer Erfassungseinrichtung 200 zum maschinellen Sehen.
In einem Schritt 420 erfolgt, im vorliegenden Beispiel nach Abschluss des Schritts 410, ein Ermitteln einer Abweichung zwischen der Ist-Form und einer gewünschten Soll-Form.
In einem Schritt 430 wiederum erfolgt, im vorliegenden Beispiel nach Abschluss des Schritts 420, ein Anpassen der beim Umformen verwendeten Umformeinflüsse basierend auf einer ggf. ermittelten Abweichung zwischen der Ist-Form und der Soll-Form. Nach Abschluss des Schritts 430 wird mit einem weiteren Leiterstück 12 ein weiterer Umformvorgang in einem weiteren Schritt 400 durchgeführt.
Im Beispiel von 9 wird also die Anpassung der Umformeinflüsse nach Abschluss der Umformung des gesamten Leiterstücks 12 durchgeführt. Entsprechend kann auch die Ist-Form des Leiterstücks 12 entweder während dem Umformen oder nach dem Abschluss des Umformens erfasst werden.
10 illustriert eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Schritt 400 erfolgt ein Umformen eines Leiterstücks 12 in eine Ist-Form unter Verwendung einer Umformeinrichtung 10, die Umformeinflüsse auf das Leiterstück 12 ausübt, um dieses umzuformen.
In einem Schritt 410 erfolgt, im Beispiel von 10 während der Durchführung des Schritts 400, ein Erfassen der Ist-Form des Leiterstücks 12 mittels einer Erfassungseinrichtung 200, insbesondere einer Erfassungseinrichtung 200 zum maschinellen Sehen.
In einem Schritt 420 erfolgt, im Beispiel von 10 nach Abschluss des Schritts 410 und während der Durchführung des Schritts 400, ein Ermitteln einer Abweichung zwischen der Ist-Form und einer gewünschten Soll-Form.
In einem Schritt 430 wiederum erfolgt, nach Abschluss des Schritts 420 und während der Durchführung des Schritts 400, ein Anpassen der beim Umformen verwendeten Umformeinflüsse basierend auf einer ggf. ermittelten Abweichung zwischen der Ist-Form und der Soll-Form. Die Schritte 410 und 420 werden kontinuierlich während der Durchführung der Umformung, also während dem Schritt 400, durchgeführt. Sobald eine Abweichung zwischen der Ist-Form und der Soll-Form lokal festgestellt wird, werden die entsprechenden Umformeinflüsse im Schritt 430, der dann entsprechend eingeleitet wird, angepasst. Nach Abschluss des jeweiligen Schritts 430 wird das Leiterstück 12 weiter umgeformt, also der Schritt 400 fortgesetzt. Nach Abschluss des Schritts 400 wird mit einem weiteren Leiterstück 12 ein weiterer Umformvorgang in einem weiteren Schritt 400 durchgeführt.
Im Beispiel von 10 wird also die Anpassung der Umformeinflüsse während der Umformung des Leiterstücks 12 durchgeführt. Entsprechend wird auch die Ist-Form des Leiterstücks 12 während dem Umformen erfasst.
11 und 12 illustrieren ein Modell 500 zur Berechnung der Umformeinflüsse 540. Um die Umformeinflüsse 540 zu berechnen, berücksichtigt das Modell 500 wenigstens die Ausgangsform 510, die gewünschte Soll-Form 520 und Eigenschaftsparameter 530 des umzuformen Leiterstück 12 als Parameter.
Um die Umformeinflüsse 540 für einen ersten Umformvorgang zu ermitteln, können eine Schätzung oder in einem Testlauf ermittelte Initialwerte für die Eigenschaftsparameter 530 angesetzt werden.
Wird eine Abweichung 550 zwischen der gemessenen Ist-Form 560 und der Soll-Form 520 festgestellt, so werden die Eigenschaftsparameter 530 angepasst, so dass in einem weiteren Durchlauf der in 11 dargestellten Berechnung statt dem Initialwert für die Eigenschaftsparameter 530 angepasste Eigenschaftsparameter 530' verwendet werden.
Die Ermittlung der angepassten Eigenschaftsparameter 530' ist in 12 illustriert.
Die angepassten Eigenschaftsparameter 530' werden mittels des Models berechnet, wobei das Modell dabei wenigstens die Ausgangsform 510 und die im Umformprozess ausgeübten Umformeinflüsse 540 (die vorher gemäß 11 ermittelt wurden) sowie entweder die ursprünglich geplante Soll-Form 520 und die ermittelte Abweichung 550 oder die gemessene Ist-Form 560 berücksichtigt.
Das Modell 500 basiert dabei auf einem umkehrbaren mathematischen Zusammenhang zwischen den einzelnen Parametern.
Vorzugsweise wird dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Soll-Form zugrunde gelegt, die eine 3-dimensionale Erstreckung aufweist. Vorzugsweise umfasst die Soll-Form Biegeradien, die sich kontinuierlich über den Verlauf des Leiterstücks ändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009025988 A1 [0005]
US 2003/0029215 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen, Wicklungselementen aus Leiterstücken (12), insbesondere wobei die Leiterstücke (12) in einem Ausgangszustand entlang einer Längsrichtung (X) länglich erstreckt ausgebildet sind, wobei das Verfahren umfasst: Umformen eines Leiterstücks (12) in eine Ist-Form (560) unter Verwendung einer Umformeinrichtung (10), die Umformeinflüsse (540) auf das Leiterstück (12) ausübt, um dieses umzuformen; Erfassen der Ist-Form (560) des Leiterstücks (12) mittels einer Erfassungseinrichtung (200), insbesondere einer Erfassungseinrichtung (200) zum maschinellen Sehen; Ermitteln einer Abweichung (550) zwischen der Ist-Form (560) und einer gewünschten Soll-Form (520); Anpassen der beim Umformen verwendeten Umformeinflüsse (540) basierend auf einer ggf. ermittelten Abweichung (550) zwischen der Ist-Form (560) und der Soll-Form (520) .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Umformeinflüsse (540) während dem Umformen eines Leiterstücks (12) erfolgt und der weitere Umformvorgang mittels der angepassten Umformeinflüsse (540) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Umformeinflüsse (540) im Anschluss an das Umformen eines ersten Leiterstücks (12) erfolgt und ein Umformvorgang eines zweiten Leiterstücks (12) mittels der angepassten Umformeinflüsse (540) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinflüsse (540), die beim Umformen des Leiterstücks (12) verwendeten werden, basierend auf einem Model (500) ermittelt werden, wobei das Model (500) die Umformeinflüsse in Abhängigkeit von der Soll-Form (520) und von Eigenschaftsparametern (530) des Leiterstücks (12) vorgibt.
Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung zwischen Ist-Form (560) und Soll-Form (520), die dem Model (500) zugrundeliegenden Eigenschaftsparameter (530) des Leiterstücks (12) in einem Parameteranpassungsschritt derart angepasst werden, dass das Model (500) basierend auf den ausgeübten Umformeinflüsse (540) und den angepassten Eigenschaftsparametern (530) die Ist-Form (560) vorgibt, wobei für die weitere Umformung die angepassten Umformeinflüsse (540) basierend auf dem Model (500) und den angepassten Eigenschaftsparametern (530') sowie der Soll-Form (520) vorgegeben werden.
Verfahren nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Initialwerte für die in dem Model verwendeten Eigenschaftsparameter (530) dadurch ermittelt werden, dass unter Verwendung der Umformeinrichtung (10) ein Testumformvorgang mit vorgegebenen Testumformeinflüssen an einem Testleiterstück, das gleiche Eigenschaftsparameter (530) wie die später umzuformenden Leiterstücke (12) aufweist, durchgeführt wird und die resultierende Ist-Form (560) des Testleiterstücks erfasst wird und basierend auf der Ist-Form (560) des Testleiterstücks und den verwendeten Testumformeinflüssen die Eigenschaftsparameter (530) ermittelt werden und dem Model zur Ermittlung der Umformeinflüsse (540) als ein Ausgangspunkt zugrunde gelegt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (10) eine Freiformbiegeeinrichtung ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Leiterstücks (12) umfasst: - Durchführen des Leiterstücks (12) in einer Transportrichtung, die der Längsrichtung des (X) des Leiterstücks entspricht, durch eine Führung (16), wobei die Führung (16) eine Auslassöffnung (20) aufweist, deren Öffnungsränder (22) beim Durchtritt des Leiterstücks (12) die Außenseite (13) des Leiterstücks (12) von zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen her beidseitig kontaktieren; - Durchführen des aus der Führung (16) austretenden Leiterstücks (12) durch eine auf die Auslassöffnung (20) folgende Umformeinheit (18), die eine Umformöffnung (24) umfasst, an deren Rand mehrere Umformabschnitte (26) angeordnet sind, wobei die Umformabschnitte (26) die Außenseite (13) des Leiterstücks (12) von zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen her beidseitig kontaktieren; und - Umformen des Leiterstücks (12) durch Bewegen des Leiterstücks (12) durch die Umformöffnung (24) hindurch bei gleichzeitigem Verändern der Orientierung der Umformabschnitte (26) relativ zu den Öffnungsrändern (22) der Führung (16), wobei die Umformabschnitte (26) im Laufe des Umformvorgangs relativ zu den Öffnungsrändern (22) um mindestens eine Schwenkachse (28, Y, Z), die orthogonal zur Transportrichtung verläuft, verschwenkt und entlang mindestens einer Ebene (30) translatorisch bewegt werden, deren Normalenvektor die Schwenkachse (28, Y, Z) ist, wobei bei der Änderung der Orientierung der Umformabschnitte (26) relativ zu den Öffnungsrändern (22) der Führung während des Umformens (16) der Umformabschnitt (26') an einer Innenseite eines am Leiterstück (12) auszubildenden Bogens in seiner Relativposition gegenüber den Öffnungsrändern (22) unverändert bleibt.
Vorrichtung (10) zum Formen von, insbesondere haarnadelartigen, Wicklungselementen aus einem Leiterstück (12), umfassend: eine Führung (16), wobei die Führung (16) eine Auslassöffnung (20) aufweist, deren Öffnungsränder (22) ausgebildet und angeordnet sind, um das Leiterstück (12) beim Durchtritt durch die Auslassöffnung (20) von zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen her beidseitig an seiner Außenseite (13) zu kontaktieren; eine Umformeinheit (18), die auf die Auslassöffnung (20) folgend angeordnet ist und eine Umformöffnung (24) umfasst, an deren Rand mehrere Umformabschnitte (26) angeordnet sind, wobei die Umformabschnitte (26) ausgebildet und angeordnet sind, um das Leiterstück (12) beim Durchtritt durch die Umformöffnung (24) von zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen her beidseitig an seiner Außenseite (13) zu kontaktieren; wobei die Vorrichtung (10) mindestens eine Schwenkeinrichtung (34, 36) und mindestens eine Ausgleichseinrichtung (38, 40) aufweist, die derart mit der Umformeinheit (18) zusammenwirken, dass die Umformabschnitte (26) relativ zu den Öffnungsrändern (22) um mindestens eine Schwenkachse (28, Y, Z) , die orthogonal zur Transportrichtung (X) verläuft, verschwenkbar und entlang mindestens einer Ebene (30) translatorisch bewegbar sind, deren Normalenvektor die Schwenkachse (28, X, Y, Z) ist und wobei die Vorrichtung (10) mindestens eine Schwenkeinrichtung (32) aufweist, die derart mit der Umformeinheit (18) zusammenwirkt, dass die Umformabschnitte (26) relativ zu den Öffnungsrändern (22) um mindestens eine Schwenkachse (X), die der Transportrichtung entspricht, verschwenkbar sind, wobei die Vorrichtung (10) weiter eine Erfassungseinrichtung (200) umfasst, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie eine durch den Umformvorgang resultierende Ist-Form (560) des Leiterstücks (12) mittels maschinellem Sehen erfasst, wenn das Leiterstück (12) die Umformeinheit (18) passiert hat.
Vorrichtung (10) nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Kontrolleinrichtung (300) umfasst, die ausgebildet und eingerichtet ist, um die mittels der Umformeinheit (18) auf die Leiterstücke (12) ausgeübten Umformeinflüsse vorzugeben, wobei die Kontrolleinrichtung (300) weiter ausgebildet und eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Vorrichtung (10) nach einem der beiden vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (200) eingerichtet und angeordnet ist, um die Ist-Form (560) eines umgeformten Leiterstücks (12) zu erfassen, wenn dieses aus den Umformabschnitten (26) der Umformeinheit (18) austritt.
Vorrichtung (10) nach einem der beiden vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (200) eingerichtet und angeordnet ist, um die Ist-Form (560) eines umgeformten Leiterstücks (12) zu erfassen, nachdem der Umformvorgang des Leiterstücks (12) abgeschlossen ist.