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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Einsetzen eines Befestigungselements und insbesondere auf ein Verfahren und Gerät zum Einsetzen von Befestigungselementen in ein Werkstück (z. B. ein Blechmaterial), ohne dass das Werkstück vorgebohrt oder gestanzt ist. Es kann beispielsweise bei selbstlochender Vernietung angewandt werden, wodurch ein Niet in ein Werkstück eingesetzt wird, ohne es voll zu durchdringen, so dass verformte Ende des Niets von einem gestauchten Kreisring des Blechmaterials eingekapselt bleiben oder festgepresst werden. Der Begriff „Festpressen” ist auch als „Pressverbinden” oder „Integralbefestigung” bekannt.
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Verfahren und Maschinen zum selbstlochenden Nieten sind im
US-Patent Nr. 4,615,475 (Nietek Pty. Ltd.) und dem
US-Patent Nr. 5,752,302 (Henrob Ltd.) beschrieben. Das letztere Dokument beschreibt eine hydraulisch betriebene Nietmaschine, bei der eine Pumpe unter Druck gesetztes hydraulisches Fluid an einen hydraulischen Hauptzylinder liefert. Ein Werkstück (im allgemeinen zwei oder mehr zu verbindenden Materialflächenkörper) wird unter der Nietmaschine auf einem Werkzeug gehaltert. Das hydraulische Fluid treibt einen Kolben längs in den Hauptzylinder, um einen Klemmzylinder vorzurücken und ihn in Kontakt mit dem zu nietenden Werkstück zu bringen, so dass dieses am Werkzeug festgehalten wird. Der Druck des hydraulischen Fluids wird so verstärkt, dass der Klemmzylinder eine vorbestimmte Klemmkraft am Werkstück anlegt. Dann treibt der Kolben einen Stanzstempel längs in den Klemmzylinder, so dass dieser zu einem in einem Magazin befindlichen Niet hin vorrückt. Wenn der Stanzstempel erst einmal am Niet in Angriff ist, wird er weiter vorgerückt, um diesen in das Werkstück zu treiben. Der Niet durchdringt die obere Fläche des Werkstücks und sein Schaft verformt sich während des Eintretens in das Werkstückmaterial. Wenn es sich bei dem Werkstück um ein Blechmaterial handelt, durchdringt der verformte Niet die oberen Bleche, aber nicht das untere Blech, und wird innerhalb eines gestauchten Kreisrings des Blechmaterials eingeschlossen.
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Selbstlochendes Nieten erfordert eine sehr genaue Steuerung der Kraft und Energie, die während des Eintreibens des Niets angelegt wird. Bei dem oben erwähnten Hydrauliksystem wird die Eintreibkraft unter Verwendung von Druckentlastungsventilen gesteuert, die so ausgelegt sind, dass sie den am Stanzstempel angelegten Druck beschränken. Solche Ventile neigen aber zu Schwankungen bei der Leistung als Ergebnis von Verschleiß oder Temperaturschwankung, und müssen deshalb regelmäßig überprüft und neu kalibriert werden. Im allgemeinen sind hydraulische Nietsetzer schwerlich genauso wirksam und effizient zu steuern wie andere Typen von Nietsetzern.
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Es ist auch bekannt, elektrische Nietsetzer zu verwenden, bei denen die Drehbewegung eines Servomotors in Längsbewegung eines Kolbens und/oder einer Klemmvorrichtung übersetzt wird. Die europäische Patentanmeldung Nr.
EP 0893172 (Emhart) beschreibt einen solcher Nietensetzer, bei dem eine elektrische Motorantriebseinheit an eine Übertragungseinheit angeschlossen ist, die wiederum einen Kolben und eine Klemmvorrichtung antreibt.
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Die Verwendung von Wälzschrauben in linearen Stellgliedern zur Umsetzung von Drehbewegung in Längsbewegung ist hinlänglich dokumentiert. Sie nehmen im allgemeinen eine von zwei Formen an: Außen- und Innenwälzschrauben. Eine Außenwälzschraube besitzt ein zentrales längliches Schraubenelement, das über mit Gewinde versehene Wälzelemente mit einer konzentrischen Außenmutter verbunden ist. Die Mutter wird an der Drehbewegung gehindert, so dass die Drehbewegung der zentralen Schraube zu einer linearen Bewegung der Mutter führt, Eine Innenwälzschraube besitzt einen rotierenden Hohlzylinder, der mit einem Innengewinde versehen ist, und eine mit Außennuten versehene Antriebswelle, die zumindest teilweise in der Bohrung des Zylinders aufgenommen und von mit Gewinde versehenen Wälzübertragungselementen der Antriebswelle in Eingriff genommen ist. Die Antriebswelle wird an der Drehbewegung gehindert, so dass eine Drehung des Zylinders zu einer linearen Bewegung der Welle führt. Beispiele von Innenwälzschrauben sind in den
US-Patenten Nr. 5,491,372 und
5,557,154 beschrieben. Diese Arten von Wälzschrauben sind in der Industrie bislang nicht in nennenswertem Ausmaß verwendet worden, da sie im Vergleich mit Außenwälzschrauben teuer in der Herstellung sind und wenig oder gar keine Vorteile bei Leistung und Belastungsvermögen bieten.
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Lineare Stellglieder der oben beschriebenen Art sind oftmals großvolumig. Wenn sie in Nietsetzern verwendet werden sollen, wäre es notwendig, über einen Motor mit um die 5 PS zu verfügen, um denselben Leistungsgrad und dieselbe Kraft und Geschwindigkeit wie ein hydraulischer Nietensetzer zu erzielen. Ein kleinerer Motor mit Untersetzungsgetriebe kann verwendet werden, führt aber zu einer Verlangsamung bei der Nieteintriebszykluszeit.
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Das
US-Patent 5,557,154 (Exclar Corporation) beschreibt ein elektrisch betriebenes lineares Stellglied. Eine Antriebswelle des Stellglieds wird durch einen Elektromotor und Übertragungswalzen zwischen ein- und ausgefahrenen Positionen bewegt Einer Ständerwicklung des Motors wird selektiv Energie zugeführt, um einen Anker aus einem länglichen Zylinder aus magnetischem Material zu drehen. Die Übertragungswalzen greifen an einem Gewinde an der Innenseite des Zylinders und mit kreisförmigen Ringen an einem Ende der Antriebswelle an. Unter der Steuerung einer Positionsrückkopplungsschaltung dreht der Motor den Anker, um die Antriebswelle um einen vorbestimmten Abstand ein- oder auszufahren.
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Elektrische Nietensetzer verwenden für gewöhnlich Lastmessfühler, um die Last zu überprüfen und anzuzeigen, wenn die gewünschte Kraft erreicht wurde. Alternativ wird eine Stromüberwachung oder -begrenzung für den Elektromotor verwendet. Solche Fühlervorrichtungen können unzuverlässig sein, da sich das Nietensetzstellglied langsam genug vorwärtsbewegen muss, um zu verhindern, dass das Stellglied während der Zeit, die es vom Erfassen der gewünschten Kraft bis zum Abschalten der Antriebskraft benötigt, überschwingt. Ohne genaue Steuerung der vom Stellglied zurückgelegten Wegstrecke, variiert die Nieteintriebstiefe von Zyklus zu Zyklus und führt zu Nietverbindungen mit unvorhersagbarer und schwankender Qualität.
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Es ist bekannt, die in einem Schwungrad mit Rotationsträgheit gespeicherte Energie zu verwenden, um einen elektrischen Nietensetzer anzutreiben. Die Trägheit eines Schwungrades lässt zu, dass Energie über eine Zeit vor dem Einsetzen des Niets gespeichert werden kann. Die Energie wird dann hergenommen, um den Niet in einer kurzen Zeit einzusetzen. Herkömmlicher Weise besitzen solche Nietensetzer ein oder zwei große Schwungräder, die durch einen Elektromotor in einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gehalten werden. Wenn ein Niet in ein Werkstück eingesetzt werden soll, wird eine Kupplung verwendet, um das Schwungrad an einen Stanzstempel anzuschließen, und ein Teil der im Schwungrad gespeicherten Energie wird in eine lineare Bewegung des Stanzstempels übertragen, wenn er vorrückt und den Niet eintreibt. Das Schwungrad hat eine zu große Größe im Verhältnis zu der Energie, die erforderlich ist, um einen Niet einzutreiben, und die Anordnung ist ineffizient. Typischerweise werden nur ca. 10% der Schwungradenergie gebraucht, um den Stanzstempel anzutreiben. Ist der Nieteinsetzzyklus beendet, löst sich die Kupplung vom Schwungrad, und der Motor wird verwendet, um seine ursprüngliche Winkelgeschwindigkeit wieder herzustellen. Die Einsetzkraft, die durch solche Nietensetzer angelegt wird, kann nur schwerlich genau gesteuert werden und berücksichtigt keine solche Faktoren wie Reaktionskräfte, die der Niet während des Einsetzens erfährt.
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Ein Beispiel einer von einem Schwungrad angetriebenen Vorrichtung zum Einsetzen von Befestigungselementen wie Niete ist in der
UK 1487098 beschrieben. Ein Stößel zum Eintreiben von Befestigungselementen wird durch ein Paar Schwungräder in einem Gehäuse längs zwischen aus- und eingefahrenen Positionen angetrieben. Ein Paar Elektromotoren treiben die Drehung der Schwungsräder an, bis sie eine vorbestimmte Geschwindigkeit erreichen. Wenn ein Befestigungselement eingesetzt werden soll, bringt ein Kupplungsmechanismus den Umfang der Schwungräder in Reibungskontakt mit dem Stößel, um ihn in der Längsrichtung zu beschleunigen. Ein Wegbegrenzungsanschlag hindert den Stößel daran, sich zu weit vom Gehäuse weg zu erstrecken. Die Vorrichtung ist infolge der großen Abmessung der Schwungräder und des Motors auch wieder großvolumig.
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Viele hydraulische und elektrische Nietensetzer verfügen über einen Innenanschlag, um den Weg des Stanzstempels auf einen Punkt zu begrenzen, wo er im wesentlichen bündig mit der Nase des Nietensetzers ist. In Versuchen, die von den Erfindern durchgeführt wurden, wurde jedoch festgestellt, dass deutliche Reduzierungen bei den Ermüdungseigenschaften der Nietverbindung von der Verwendung solcher Anschläge herrühren. Die beste Qualität von Nietverbindungen wird dann erzielt, wenn die von der Nase angelegte Nieteinsetzkraft und die Klemmkraft unabhängig voneinander gesteuert werden und nicht über einen Innenanschlag beim Abschluss des Nieteinsetzens miteinander verbunden sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Nachteile zu verhindern oder abzuschwächen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einsetzen eines Befestigungselements in ein Werkstück bereitgestellt, bei dem eine Drehbewegung eines sich längs erstreckenden Schraubenelements in eine lineare Bewegung einer Stellgliedgruppe für das Einsetzen des Befestigungselements durch dazwischen geschaltete Wälzübertragungselemente umgesetzt wird, wobei das Schraubenelement durch ein Antriebselement in Drehung versetzt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Bestimmung der Energie, die für das Einsetzen des Befestigungselements in das Werkstück erforderlich ist;
- (b) Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements, die erforderlich ist, um diese Energie an die Stellgliedgruppe für das Einsetzen des Befestigungselements zu liefern;
- (c) Positionieren eines Befestigungselements zum Einsetzen;
- (d) Steuern des Antriebselements, um das Schraubenelement bis zu der bestimmten Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, wobei die Stellgliedgruppe gleichzeitig durch das Schraubenelement zum Werkstück hin bewegt wird;
- (e) darauffolgendes Steuern des Antriebselements, um die Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements im wesentlichen in nicht weniger als der bestimmten Größe zumindest bis zum Einsetzen des Befestigungselements aufrechtzuerhalten;
- (f) die Stellgliedgruppe in Kontakt mit dem Befestigungselement bringen, um die Energie des sich drehenden Schraubenelements in Arbeit zu übertragen, die beim Einsetzen des Befestigungselements in das Werkstück verrichtet wird.
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Dieses Verfahren nutzt die Fähigkeit des Schraubenelements aus, dank seiner Trägheit in der Art eines Schwungrades große Mengen an kinetischer Energie zu speichern. Die Verwendung dieser Trägheit zum Einsetzen von Befestigungselementen, schafft die Notwendigkeit einer sorgfältigen Rückkopplungsregelung durch Rückgriff auf die Position der Stellgliedgruppe oder die von ihr angelegte Kraft aus der Welt. Die Energie, die erforderlich ist, um die feste Verbindung herzustellen, wird vor dem Beginn des Einsetzvorgangs bestimmt, und das Schraubenelement wird mit der bestimmtem Winkelgeschwindigkeit gedreht, um die Energie an den Nietensetzprozess zu liefern und berücksichtigt jegliche Verluste zwischen der Drehung des Schraubenelements und der linearen Bewegung der Stellgliedgruppe. Deshalb bestehen keine Einschränkungen für die Zykluszeit des Befestigungsprozesses, die durch Positions- oder Kraftüberwachung auferlegt werden. Die Verwendung des Schraubenelements schafft auf diese Weise die Notwendigkeit für separate großvolumige Schwungräder und Antriebe mit groß ausgelegter Kapazität aus der Welt. Die Einsetzvorrichtung ist daher relativ klein und kompakt. Da darüber hinaus die Stellgliedgruppe zum Stillstand gebracht wird, wenn die vom Schraubenelement übertragene Kraft in Arbeit umgesetzt wird, die beim Einsetzen des Niets verrichtet wird, besteht keine Erfordernis nach Wegbegrenzungsanschlägen für das Stellglied.
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Das Antriebselement ist idealer Weise ein Motor mit einer Servosteuerung, wobei die Winkelgeschwindigkeit einer Antriebswelle des Motors erfasst wird, wenn er im Einsatz ist. Codiervorrichtungen, die zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeit verwendet werden, sind stabiler als Kraft- oder Positionssensoren, und schaffen damit den Bedarf nach regelmäßiger Neukalibrierung aus der Welt. Die Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle des Motors, die erforderlich ist, um das Schraubenelement mit der bestimmten Winkelgeschwindigkeit anzutreiben, wird unter Berücksichtung des Übersetzungsverhältnisses und der Übersetzungseffizienz zwischen dem Antriebselement und dem Schraubenelement bestimmt.
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Die Winkelgeschwindigkeit kann aus dem polaren Trägheitsmoment des Schraubenelements und anderer damit drehender Teile bestimmt werden, wobei das Schraubenelement so ausgewählt wurde, dass es ein Trägheitsmoment innerhalb einer Spanne hat, die durch die Energie, die für das Einsetzen des Befestigungselements benötigt wird, und die Kapazität des Motors bestimmt ist.
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Die Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements kann durch das Antriebselement auf einem Wert aufrechtgehalten werden, der den bestimmten Wert überschreitet, und das Antriebselement kann vor oder während des Nietensetzens als Bremse verwendet werden, um sicherzustellen, dass die bestimmte Energiemenge als Arbeit in die befestigte Verbindung geschickt wird. Der Motor kann dazu umgekehrt als Generator betrieben werden. Die aus dem Bremsvorgang erzeugte Elektrizität kann für eine spätere Verwendung durch den Motor in einem Kondensator oder dergleichen gespeichert werden. Derselbe regenerative Bremsvorgang kann verwendet werden, wenn die Stellgliedgruppe nach dem Einsetzen des Befestigungselements eingefahren wird.
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Die zur Lieferung dieser Energie benötigte Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements wird vorzugsweise auch durch Bezug auf die Gewindesteigung des Schraubenelements, die Hublänge der Stellgliedgruppe, die zum Erreichen des Befestigungselements benötigt wird, und die Länge des Befestigungselements sowie das Massenträgheitsmoment des Schraubenelements bestimmt. Diese Parameter können deshalb auch dem Steuersystem zur Verfügung gestellt werden, um sicherzustellen, dass das Schraubenelement beschleunigt werden kann, um über die erforderliche kinetische Energie zu verfügen, bevor die Stellgliedgruppe mit dem Befestigungselement in Kontakt gebracht wird. Die Geschwindigkeit kann auch mit Bezug auf die Federkonstante eines Rahmens berechnet werden, der zum Einspannen des zu befestigenden Werkstücks verwendet wird. Die Federkonstante des Rahmens bestimmt das Ausmaß, in dem er sich während des Einsetzens des Befestigungselements von der Stellgliedgruppe weg durchbiegt.
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Die Stellgliedgruppe kann so konstruiert sein, dass sie das Werkstück vor, während und/oder nach dem Nietensetzen mit einer Klemmkraft beaufschlagt.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Befestigungselementeinsetzgerät zum Einsetzen des Befestigungselements in ein Werkstück bereitgestellt, das ein sich längs erstreckendes Schraubenelement umfasst, das durch ein Antriebselement um eine Achse drehbar ist, eine Stellgliedgruppe zum Einsetzen eines Befestigungselements, von der zumindest ein Teil dem Schraubenelement benachbart und mit einem Gewinde davon durch dazwischengeschaltete Wälzübertragungselemente verbunden ist, derart, dass eine Drehung des Schraubenelements in eine lineare Bewegung des Stellglieds umgesetzt wird, wobei ein Steuersystem eine Servosteuerung umfasst, um den Betrieb des Antriebselements und damit die Drehung des Schraubenelements zu steuern, und wobei ein Prozessor so ausgelegt ist, dass er die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Schraubenelements bestimmt, die erforderlich ist, um eine vorbestimmte Energiemenge an die Stellgliedgruppe zum Nietensetzen zu liefern, um das Befestigungselement einzusetzen, und den Motor mit Servosteuerung anzuweisen, die Antriebseinrichtungen anzusteuern, um das Schraubenelement bis auf die bestimmte Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, wobei die Stellgliedgruppe gleichzeitig durch das Schraubenelement auf das Werkstück zu bewegt wird, wobei die bestimmte Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements im wesentlichen in nicht weniger als der bestimmten Große zumindest bis zum Einsetzen des Befestigungselements aufrechterhalten wird.
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Das Antriebselement ist idealer Weise ein Motor mit einer Servosteuerung und einem Geschwindigkeitssensor zur Messung der Winkelgeschwindigkeit einer Antriebswelle des Motors. Dieser kann die Form eines Rotationssensors zum Messen der Winkelposition mit Einrichtungen zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit aus der Häufigkeit der Positionswechsel sein.
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Der Motor wird vorzugsweise als Rückgewinnungsbremse betrieben, um die Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements zu reduzieren, sollte sie einen bestimmten Wert überschreiten, und kann mit einer elektrischen Speichervorrichtung versehen sein, um elektrische Energie zu speichern, wenn er als Generator betrieben wird.
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Die Stellgliedgruppe umfasst vorzugsweise eine Antriebswelle, die mit dem Schraubenelement und den Übertragungselementen ein lineares Stellglied bildet, und einen Kolben zum Einsetzen von Befestigungselementen.
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Der Kolben wird vorzugsweise mittels einer linearen Lagerung am Drehen gehindert, die einen am Kolben befestigten Keil umfasst, der in einer Keilnut eines Gehäuses gleitbar ist, in dem der Kolben untergebracht ist.
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Die Antriebswelle der Stellgliedgruppe ist vorzugsweise mittels einer Kupplungsvorrichtung mit dem Kolben verbunden, die so betrieben werden kann, dass sich die Verbindung der Antriebswelle mit dem Kolben lost, wenn das Drehmoment in der Antriebswelle über einer vorbestimmten Größe liegt. Diese Anordnung trennt das Antriebselement vom Kolben und verhindert, dass das Drehmoment auf die lineare Lagerung übertragen wird.
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Die Kupplungsvorrichtung kann eine Kupplung mit einer Sollbruchstelle zwischen der Antriebswelle und dem Kolben umfassen. Die Sollbruchstelle ist vorzugsweise ein Abscherbolzen, der so ausgelegt ist, dass er bei der vorbestimmten Drehmomentgröße nicht abschert. Die Kupplung umfasst vorzugsweise ein Kupplungsglied mit im wesentlichen koaxialen Muffen zur Aufnahme der Antriebswelle und des Kolbens, wobei das Glied durch den Abscherbolzen mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei der Bolzen in Queröffnungen im Kupplungsglied und der Antriebswelle aufgenommen ist.
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Das Gerät ist vorzugsweise mit einer Klemmvorrichtung versehen, die von der Stellgliedgruppe angetrieben wird, um das Werkstück vor, während und/oder nach dem Nietensetzen mit einer Klemmkraft zu beaufschlagen.
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Das Schraubenelement kann Teil eines linearen Stellglieds mit Innen- oder Außenwälzschrauben sein, umfasst aber in einer bevorzugten Ausführungsform einen Zylinder mit einer mit Innengewinde versehenen Bohrung, in der zumindest ein Teil der Nieteinsetzservomotorgruppe aufgenommen ist.
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Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Plattenfestklemmverfahren bereitgestellt, bei dem zwei oder mehr Materialflächenkörper in verriegelnden Eingriff verformt werden, wobei das Flächenkörpermaterial zwischen einer Nase und einem Werkzeug einer Befestigungsvorrichtung angeordnet ist, bei der eine Drehbewegung eines sich längs erstreckenden Schraubenelements durch dazwischengeschaltete Wälzübertragungselemente in eine lineare Bewegung einer Stellgliedbaugruppe umgesetzt wird, wobei das Schraubenelement durch ein Antriebselement in Drehung versetzt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Bestimmung der Energie, die für das Verformen des Material erforderlich ist;
- (b) Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements, die erforderlich ist, um diese Energie an die Stellgliedgruppe zu liefern;
- (c) Steuern des Antriebselements, um das Schraubenelement bis zu der bestimmten Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, wobei die Stellgliedgruppe gleichzeitig durch das Schraubenelement zum Werkstück hin bewegt wird;
- (d) darauffolgendes Steuern des Antriebselements, um die Winkelgeschwindigkeit des Schraubenelements im wesentlichen in nicht weniger als der bestimmten Größe zumindest bis zur Verformung des Materials aufrechtzuerhalten;
- (e) die Stellgliedgruppe in Kontakt mit dem Material zu bringen, um die Energie des sich drehenden Schraubenelements in Arbeit zu übertragen, die beim Verformen des Materials verachtet wird.
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Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun ausschließlich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, darin ist:
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1 eine Längsschnittansicht einer Befestigungselementsetzvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht der in 3 gezeigten Verbindung; und
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3 eine in ihre Einzelteile zerlegte perspektivische Ansicht einer Verbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Kolben eines linearen Stellglieds, die Teil der Vorrichtung von 1 sind.
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Mit Bezug nun auf 1 der Zeichnungen besitzt die beispielhafte Befestigungselementsetzvorrichtung, die auf einem herkömmlichen C-Rahmen 1 montiert dargestellt ist, ein Nietsetzwerkzeug 2, das durch eine lineare Stellgliedgruppe 3 angetrieben ist, die wiederum von einer Antriebseinheit 4 angetrieben ist. Die Vorrichtung wird dazu verwendet, Niete 5 in ein Werkstück zu setzen (das nicht gezeigt ist, aber typischerweise aus zwei oder mehr Flächenkörpern eines Materials besteht, die zusammengefügt werden sollen), das zwischen dem Setzwerkzeug 2 und einem Werkzeug 6 auf dem C-Rahmen 1 angeordnet ist.
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Die Antriebseinheit 4 umfasst einen Elektromotor 10 mit einem Servosteuerungssystem. Die Antriebswelle 11 des Motors 10 ist über einen Endloszahnriemen 12 und Antriebsriemenscheiben 13, 14 parallel an die lineare Stellgliedgruppe 3 angeschlossen. Die lineare Stellgliedgruppe 3 setzt die Drehbewegung der Motorantriebswelle 11 und der Antriebsriemenscheiben 13, 14 in eine hin- und hergehende lineare Bewegung einer gereckten Antriebswelle 15 um, die an einen Kolben 16 des Nietsetzwerkzeugs 2 angeschlossen ist.
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Das Setzwerkzeug 2 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 20, in dem eine Klemmröhre 21 konzentrisch und gleitbar angeordnet ist. Ein koaxialer Nasenabschnitt 22 ist am Ende der Klemmröhre 21 befestigt und weist einen Nietzufuhrdurchgang 23 auf, durch den ein Niet 5 zum Werkstück geleitet wird. Der Niet wird von einem Stanzstempel, der vom Kolben 16 getragen ist, durch den Nietzufuhrdurchgang 23 bewegt. Der Stanzstempel 24 und der Kolben 16 sind für eine hin- und hergehende Axialbewegung innerhalb der Klemmröhre 21 und dem Zufuhrdurchgang 23 angeordnet und werden von der Antriebswelle 15 der linearen Stellgliedgruppe 3 angetrieben.
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Ein Stapel Tellerfedern 26 ist in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Kolben 16 und der Klemmröhre 21 vorgesehen. Diese Federn 26 bestimmen die Größe der Klemmkraft, die durch die Nase 22 während des Nietsetzvorgangs an das Werkstück angelegt wird. Oben an dem Federstapel befindet sich, konzentrisch mit dem Kolben 16, ein Federnhalterungsrohr 27, das innerhalb der Wendeln an einem Ende einer Druckfeder 28 aufgenommen ist. Das andere Ende der Feder 28 ist durch eine ringförmige Fläche gehaltert, die auf einer Kupplung 29 zwischen der Antriebswelle 15 des linearen Stellglieds und dem Kolben 16 definiert ist.
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Die lineare Stellgliedgruppe 3 präsentiert sich in der Form einer Innenwälzschraube, die einen langgestreckten Drehzylinder 30 mit einer Bohrung 31 mit Innengewinde entlang des größten Teils seiner Länge umfasst. Eise Eingangswelle 32 an einem Ende des Zylinders 30 ist durch eine Antriebsriemenscheibe 14 antreibend an den Zahnriemen 12 angeschlossen und drehbeweglich in Lagern 33, 34 gehaltert. Das andere Ende des Zylinders ist ebenfalls drehbeweglich durch Lager 36 gehaltert.
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Die Antriebswelle 15 der linearen Stellgliedgruppe 3 erstreckt sich koaxial in der Bohrung 31 des Zylinders 30, und das Ende, das sich distal vom Kolben 16 befindet, weist mehrere Ringnuten 35 auf. Zwischen der Gewindebohrung 31 des Zylinders 30 und dem mit Nuten versehenen Ende der Antriebswelle 15 befinden sich um den Umfang des mit Nuten versehenen Endes mehrere mit Gewinde versehene Übertragungswalzen 36. Diese koppeln den Zylinder 30 an die Antriebswelle 15 an und dienen dazu, die Drehbewegung des Zylinders in eine lineare Bewegung der Antriebswelle umzusetzen. Die Antriebswelle 15 ist somit für eine in Bezug auf den Zylinder 30 hin- und hergehenden Bewegung angeordnet, und jede solche Bewegung wird direkt auf den Kolben 16 des Nietsetzwerkzeugs 2 Übertragen. Der Einfachheit halber wird auf die Kombination aus Antriebswelle 15, Kolben 16 und Stanzstempel 24 im Folgenden als Stellgliedgruppe Bezug genommen.
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Nun mit Bezug auf die 2 und 3 ist die Antriebswelle 15 am Kolben 16 mittels der Kupplung 29 angeschlossen, die ein im wesentlichen ringförmiges Element mit koaxialen Bohrungen an jedem Ende umfasst, das so konstruiert ist, dass es die Enden der Antriebswelle 15 bzw. des Kolbens 16 aufnimmt. Die hin- und hergehende Bewegung der Antriebswelle 15 und des Kolbens 16 wird durch ein lineares Lager in der Form von zwei Keilen 41 unterstützt, die durch Schrauben 42 an diametral entgegengesetzten Stellen des ringförmigen Elements mit der Kupplung 40 verbunden sind. Die Keile 41 sind gleitbar in jeweiligen Keilnuten 43 aufgenommen, die im Gehäuse des Nietsetzwerkzeugs 2 ausgebildet sind. Das lineare Lager dient dazu, die Stellgliedgruppe am Drehen zu hindern. Das Ende der Antriebswelle 15 ist durch einen Querabscherbolzen 44 in seiner Bohrung in der Kupplung 29 festgehalten, wobei dieser Querabscherbolzen durch Öffnungen in beiden hindurchgeht. Unter normalen Betriebsbedingungen wird jegliche Wahrscheinlichkeit, dass sich die Antriebswelle 15 dreht, während sie im Zylinder 30 und dem Gehäuse 20 des Nietsetzwerkzeugs hin- und hergeht, durch die Reaktionskräfte der Keile 41 und Keilnuten 43 verhindert. Da diese Drehwahrscheinlichkeit durch die Reibungskräfte zwischen den Übertragungswalzen 36 und den Ringnuten 35 in der Antriebswelle 15 hervorgerufen werden, ist die damit zusammenhängende Kraftgröße relativ klein. Sollte jedoch die Antriebswelle 15 das Ende ihrer Wegstrecke in einer Richtung erreichen, so dass die Übertragungswalzen 36 an einem Ende des Zylinders 30 anstoßen, werden die Torsionskräfte schnell ansteigen, wenn sich der Zylinder 30 weiterdreht. Der Abscherbolzen 44 ist so ausgelegt, dass er bei einem bestimmten Drehmoment abschert, um dadurch die Verbindung zwischen der Antriebswelle 15 und dem Kolben 16 zu unterbrechen, wodurch eine Beschädigung der Vorrichtung verhindert wird. Der Zylinder besitzt an jedem Ende integrale Endanschläge 45, 46, um sicherzustellen, dass das Drehmoment von den Übertragungswalzen 36 und der Antriebswelle 15 an die Kupplung 29 übertragen wird, wenn die Antriebswelle 15 das Ende ihrer Wegstrecke erreicht.
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Eine Linearbewegung der Antriebswelle 15 aus dem Zylinder 30 heraus zwingt den Kolben 16 dazu, sich bezüglich des Gehäuses 20 des Nietsetzwerkzeugs 2 und zum Werkstück hin zu bewegen. Diese Bewegung wird über die Schraubenfeder 28 auf die Klemmröhre 21 und die Nase 22 übertragen, die relativ zum Gehäuse in derselben Richtung vorrücken, bis die Endfläche der Nase das Werkstück berührt, woraufhin die Klemmröhre 21 am weiteren Vorrücken gehindert wird. Fortgesetztes Ausfahren der Antriebswelle 15 bewegt dann die Kupplung 29, den Kolben 16 und den Stanzstempel 24 in Bezug auf die Klemmröhre 21 und die Nase 22 und führt zum Zusammendrücken der Schraubenfedern 28. Die Kraft, mit der die Klemmröhre 21 von der Feder 28 beaufschlagt wird, soll das Werkstück schlichtweg während des Nietsetzvorgangs in der richtigen Ausrichtung halten. Der zu setzende Niet 5 wird durch den Zufuhrdurchgang 23 getrieben und mit dem Werkstück in Kontakt gebracht. Weiteres Vorrücken der Stellgliedgruppe treibt den Niet 5 in das Werkstück. Während des Nietensetzens wird der Stapel Tellerfedern 26 zusammengedrückt und legt dadurch über die Klemmröhre 21 und die Nase 22 eine signifikante Klemmkraft an das Werkstück an. Auf diese Weise wird die Klemmkraft während des Nietensetzens schnell vergrößert, bis sie, wenn der Nietkopf bündig mit der Oberfläche des Werkstücks ist, ein Maximum erreicht. Wenn der Niet erst einmal gesetzt ist, wird die Drehbewegung der Motorantriebswelle umgekehrt, um so auch die Drehbewegung des Zylinders 30 umzudrehen und die Stellgliedgruppe bereit für den nächsten zu setzenden Niet einzufahren.
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Wie nachstehend noch beschrieben wird, ermöglicht es die Verwendung eines Innenwälzschraubenstellglieds in Kombination mit einem geeigneten Servosteuerungssystem, beim Setzen eines Niets eine gezielte Energiemenge zur Verfügung zu stellen. Und zwar besitzt eine Innenwälzschraube einen Drehzylinder, der im Vergleich zu einer Außenwälzschraube ein deutlich gröberes polares Trägheitsmoment aufweist, und somit in der Art eines Schwungrades gedreht werden kann, um eine hohe Energie in eine Nietverbindung abzugeben, ohne dass dabei ein großer Antriebsmotor benötigt würde. Als ein Beispiel haben Versuche ergeben, dass das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um herkömmliche Niete mit einem Motor mit einer Kapazität von 1,6 PS einzusetzen und bei einer Einsetzgeschwindigkeit, die schneller ist als bei Nieten, die mit einer herkömmlichen Vorrichtung unter Verwendung eines auf 5 PS ausgelegten Motors der Fall wäre.
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Das Servosteuerungssystem umfasst die Servosteuerung für den Motor 10, einen optischen Codierer zur Messung der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle (es können auch andere Formen von Winkelgeschwindigkeitssensoren verwendet werden), und einen Prozessor mit Speicher, der unter der Steuerung eines geeigneten Computerprogramms arbeitet. Das Programm arbeitet so, dass es Befehle an die Servosteuerung ausgibt, um die Drehgeschwindigkeit des Motorankers im Ansprechen auf Geschwindigkeitsrückkopplungssignale, die vom optischen Codierer eingehen, und anfänglichen, vom Benutzer eingegebenen Steuerparametern zu steuern. Zuerst gibt der Benutzer Daten ein bezüglich des Niets und Werkstücks (Größe, Material, Niettyp, Verbindungstyp, etc.), Daten bezüglich der Federkraft im C-Rahmen (die für den Betrag des Durchbiegens des C-Rahmens während des Nietensetzens stehen), und Daten bezüglich des linearen Stellglieds und des Motors, die verwendet werden. Das Computerprogramm ist so konfiguriert, dass es aus den eingegebenen Daten die Energie berechnet, die benötigt wird, um zur Ausbildung der gewünschten Verbindung den Niet in das Werkstück einzusetzen, und die Winkelgeschwindigkeit der Motorantriebswelle, die benötigt wird, um sicherzustellen, dass vor Beginn des Nietensetzens der Zylinder 30 auf eine Geschwindigkeit gebracht wird, die die berechnete Energie zur Nietverbindung bringen wird. Die Daten bezüglich des linearen Stellglieds werden durch eine spezielle Teilenummer gekennzeichnet, deren physikalische Parameter in einer Nachschlagetabelle im Speicher des Steuersystems hinterlegt sind. Die Parameter umfassen beispielsweise das polare Trägheitsmoment des Zylinders, die Gewindesteigung und die maximal mögliche Hublänge. Die Daten bezüglich des Niets und Werkstücks umfassen die für das Einsetzen erforderliche Hubdistanz und die Länge des Niets. Die Berechnung der erforderlichen Winkelgeschwindigkeit des Zylinders basiert auf der folgenden Gleichung: E = w2I/2
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Worin:
- E
- die zum Einsetzen des Niets erforderliche Energie ist,
- w
- die Winkelgeschwindigkeit des Zylinders ist; und
- I
- das polare Massenträgheitsmoment des Zylinders ist (einschließlich der inneren Laufringe der Traglager, der Antriebswelle, der Antriebsriemenscheiben und des Antriebsmotors).
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In die Kalkulation fließt ein Kompensationsfaktor mit ein, um den Wirkungsgrad zu berücksichtigen, mit der die Energie vom Zylinder 30 zum Stanzstempel 24 übertragen wird (Energie geht bei Reibung und Wärme, etc. verloren).
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Unter der Annahme, dass der Antriebsübertragungsriemen 12 und die Riemenscheiben 13, 14 zwischen dem Motor 10 und der Zylindereingangswelle 32 ein Übertragungsverhältnis von 1:1 bereitstellen ohne Verluste beim Wirkungsgrad, ist der berechnete Wert von w die Winkelgeschwindigkeit der Motorantriebswelle 11, die notwendig ist, um die gewünschte Energie zu liefern. So gibt die Servosteuerung Signale aus, um die Motorantriebswelle 11 auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen und sie auf diesem Tempo zu halten. Die Verwendung eines 1:1-Übertragungsverhältnisses mit Zahnriemenscheiben 13, 14 und Antriebszahnriemen 12 resultiert in beinahe 100% Wirkungsgrad, aber falls Verluste bei der Übertragung zu erwarten sind, können diese bei der Berechnung berücksichtigt werden.
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Es wird klar, dass die Energie, die zum Einsetzen des Befestigungselements notwendig ist, und die Winkelgeschwindigkeit des Zylinders anstelle von oder zusätzlich zur Berechnung empirisch bestimmt werden können.
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Die anfänglichen Umdrehungen der Motorantriebswelle 11 dienen dazu, den Zylinder 30 bis auf die gewünschte Winkelgeschwindigkeit zu beschleunigen, während die Stellgliedgruppe vorgerückt wird. Die Trägheit des Zylinders 30 ist dergestalt, dass die Winkelgeschwindigkeit langsam abnehmen würde, wenn man ihn weiter drehen ließe, aber die Winkelgeschwindigkeit wird vom servogesteuerten Motor aufrechterhalten, so dass der Zylinder 30 immer über die erforderliche Energiemenge verfügt, um das Einsetzen des Niets sicherzustellen, wenn er vom Stanzstempel 24 berührt wird. Die Daten bezüglich der erforderlichen Hublänge der Stellgliedgruppe, der Nietlänge und der Gewindesteigung des Zylinders 30 machen es dem Prozessor möglich, die Anzahl an Drehungen des Zylinders 30 (und somit der Motorantriebswelle 11) zu bestimmen, die zur Verfügung stehen, um ihn auf die berechnete Winkelgeschwindigkeit zu bringen, bevor die Stellgliedgruppe mit dem Nietensetzen beginnt. Das Nietverfahren macht somit keinen Gebrauch von Positionsrückkopplung, um das Nietensetzen zu steuern, sondern ist vielmehr so ausgelegt, dass die Winkelgeschwindigkeit des Antriebsmotors und somit des Zylinders 30 bis zum Beginn des Nietensetzens aufrechterhalten wird. Bei herkömmlichen elektrischen Nietsetzern ist ein Stellglied mit einem großen polaren Massenträgheitsmoment schwerlich zu steuern, was Positionsgenauigkeit anbelangt, insbesondere, wenn ein großer Unterschied zwischen den polaren Trägheitsmomenten des Stellglieds und des Antriebsmotors besteht. Der Versuch, ein Stellglied, das beim Gebrauch eine große Trägheit hat, präzise zu positionieren, stellt breitgefächerte Anforderungen an das Steuersystem. Das vorliegende Verfahren zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit des Zylinderteils des linearen Stellglieds, um dem Nietensetzprozess eine vorbestimmte Energiemenge zu liefern, ohne auf Position- oder Kraftsensoren zurückzugreifen, schafft diese Steuerprobleme aus der Welt.
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Die Verschiebung der Stellgliedgruppe kann aus dem Geschwindigkeitscodierer bestimmt werden (wobei die Verschiebung die Geschwindigkeit multipliziert mit der Zeit ist) und kann mit den angezeigten Geschwindigkeitswerten aus demselben Codierer ausgewertet werden. Das Tempo der Geschwindigkeitsabnahme der Motorantriebswelle bis zur Verschiebung liefert Prozessdaten, die mit Bezugsdaten verglichen werden können, um zu bestimmen, ob die sich ergebende Verbindung die gewünschte Qualität hat. Das steht im Gegensatz zu herkömmlichen Nietvorrichtungen, wo Kraftsensoren erforderlich sind, um dasselbe Ergebnis zu erzielen.
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Wenn der Stanzstempel 24 den Niet gegen das Werkstück bewegt, wird die im Drehzylinder 30 gespeicherte kinetische Energie über die Antriebswelle 15 und den Kolben 16 übertragen, um das Nietensetzen zu vollziehen. Der Einsetzprozess wirkt als Bremse und bringt den Zylinder 30 zum Stillstand, wobei seine Energie als Arbeit beim Einsetzen des Niets verbraucht wird. Falls die Servosteuerung versucht, die Winkelgeschwindigkeit der Motorantriebswelle 11 während des Nietensetzens aufrechtzuerhalten, wird das Drehmoment auch auf den Nietensetzprozess übertragen, obwohl es sich dabei um einen relativ kleinen Anteil der angelegten Gesamtkraft handelt. Dieses Drehmoment wird in eine ansatzweise lineare Bewegung des Kolbens umgesetzt, und die sich ergebende Kraft dient dazu, für einen begrenzten Zeitraum am Ende des Nietensetzvorgangs eine Klemmkraft aufrechtzuerhalten (die von der Klemmröhre und den Tellerfedern bereitgestellt wird). Während des Nietensetzvorgangs biegt sich der Schenkel des C-Rahmens 1, der das Werkzeug 6 trägt, vom Nietsetzwerkzeug im Ansprechen auf die Einsetzkräfte weg. Sofort nach dem Nietensetzen sucht der C-Rahmen in seine Gleichgewichtsposition zurückzukehren, und würde, wenn man dieses zuließe, mit dem Nietsetzwerkzeug kollidieren. Die Klemmkraft am Ende des Nietensetzens wirkt gegen diese Reaktionskraft des C-Rahmens und hindert die Stellgliedgruppe daran, zum unpassenden Moment zurückgestoßen zu werden. Das Servosteuerungssystem jedoch ist so programmiert, dass der Motor während der Reaktion des C-Rahmens umgekehrt wird, so dass die Federenergie in einer gedämpften Bewegung frei wird, ohne dass dabei eine große Menge Motorstrom zum Zurückhalten des C-Rahmens verwendet würde.
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In bestimmten Anwendungen kann der Motor so gesteuert werden, dass er mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die größer ist als diejenige, die zum Einsetzen des Niets notwendig ist. Dies kann erforderlich sein, wenn die Stellgliedgruppe (d. h. die Antriebswelle 15, der Kolben 16 und der Stanzstempel 24) schnell einen langen Leerhub durchlaufen müssen, um die Zykluszeit zu reduzieren. Unter solchen Umständen betreibt das Servosteuerungssystem den Motor als Bremse, um die Geschwindigkeit des Zylinders kurz vor oder auch während des Nietensetzprozesses auf die erforderliche Winkelgeschwindigkeit herabzusetzen. Dieselbe Aktion kann während schnellen Einfahrens der Stellgliedgruppe über eine große Entfernung notwendig werden. Wenn er als Bremse agiert, dient der Motor als Generator, und das Steuersystem kann so ausgelegt sein, dass es die erzeugte Elektrizität in einem oder mehr Kondensatoren speichert, um sie zu verwenden, wenn der Motor das nächste Mal beschleunigt wird.
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Es wird deutlich, dass die Zylinderkonstruktion von höchster Bedeutung in der vorliegenden Erfindung ist, und es ist notwendig, die richtige Konstruktion des Innenwälzschraubenstellglieds für die speziell in Frage kommende Befestigungsanwendung zu wählen, da die Energie, die durch die Vorrichtung zum Nieteinsetzprozess geliefert werden kann, hauptsächlich vom Trägheitsmoment des Zylinders und der Motorkapazität abhängt. Es wird deshalb vorausgesetzt, dass ein oder mehr kleine Schwungräder (eines ist bei 50 in 1 gezeigt) vorgesehen werden können, um optional an die Antriebsriemenscheiben oder die Antriebswelle des Zylinders angeschlossen zu werden, um die Vorrichtung gegebenenfalls zu „tunen”.
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In einer Abwandlung des oben beschriebenen Verfahrens kann eine Klemmkraft angelegt werden, nachdem der Niet gemäß den in unserer internationalen Patentanmeldung
WO 00/29145 beschriebenen Verfahren eingesetzt wurde.
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Es wird klar, dass zahlreiche Modifikationen an dem oben beschriebenen Verfahren und der oben beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne dass dabei der Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist, verlassen würde. Beispielsweise kann das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um jede geeignete Form von Befestigungselement in ein Werkstück einzusetzen, wo ein Widerstand gegen Einsetzen besteht. Zusätzlich kann das Verfahren und die Vorrichtung in einem Festklemmvorgang verwendet werden, bei dem zwei Materialflächenkörper in verriegelndem Eingriff verformt werden, um eine Pressverbindung zu bilden. Darüber hinaus kann die Kupplung zwischen der Antriebswelle 15 und dem Kolben 16 jede Form automatischer Kupplungsvorrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, die Verbindung zu trennen, wenn das Drehmoment in der Antriebswelle eine vorbestimmte Größe überschreitet. Schließlich ist es noch selbstverständlich, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf ein lineares Stellglied mit Außenwälzschraube sowie Innenwälzschraube angewandt werden kann. Falls eine Außenwälzschraube verwendet wird, ist es notwendig, ein Schwungrad mit wesentlicher Größe an einem Schraubenelement der Wälzschraube zu befestigen.
