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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Biegen schlanker Werkstücke mit einer Handhabungseinrichtung
mit zumindest sechs Freiheitsgraden (6 DOF), bei dem das Werkstück einseitig
eingespannt oder gehalten und durch Führung des Werkstückes oder
eines Werkzeuges mit der Handhabungseinrichtung durch Zusammenwirken mit
dem Werkzeug mit einem Biegemoment beaufschlagt wird, um eine vorgebbare
Form des Werkstückes
zu erreichen.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung
ist die Herstellung von gebogenen schlanken Werkstücken aus
plastisch verformbaren Werkstoffen, wie bspw. gebogene Drähte oder
Rohre. Das Verfahren findet überall
dort Anwendung, wo derzeit konventionelle Rollen-, Dorn- und Schnörkelbiegemaschinen
eingesetzt werden, aber auch in Bereichen, in denen die manuelle
Fertigung aufgrund der fehlenden Flexibilität heutiger Biegemaschinen noch
nicht verdrängt werden
konnte. Beispielhafte Anwendungsbereiche sind die Automobilindustrie
und deren Zulieferer, Systemlieferanten von Hydroform-Anlagen, der
Chemieanlagenbau, Werften und Rohrmöbelhersteller. Das vorliegende
Verfahren lässt
sich auch in Bereichen wie dem Kunstgewerbe oder dem Schlosserhandwerk
einsetzen.
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Zum Biegen von Rohren, Leitungen,
Profilen und Drähten
existieren bereits zahlreiche unterschiedliche Werkzeugmaschinen,
die entweder nach dem zu biegenden Medium benannt sind, wie Rohrbiegemaschinen,
Leitungsbiegemaschinen, Drahtbiegemaschinen oder Profilbiegemaschinen,
nach der Funktionsweise, wie Rollenbiegemaschinen oder Dornbiegemaschinen,
oder nach der gewünschten Geometrie
des Werkstücks,
wie Ringbiegemaschinen oder Schnörkelbiegemaschinen.
Bei den meisten bekannten Biegemaschinen wird das Werkstück durch
die Maschine hindurch bewegt und entweder durch aufgedrückte Rollen
kontinuierlich oder im Bereich des Austritts aus der Maschine durch
einen Dorn abschnittsweise verbogen. Die letztgenannten Dornbiegemaschinen
dienen der Herstellung von abschnittsweise gekrümmten Werkstücken, wobei
der Krümmungsradius
variieren kann. Die zum Verbiegen des Werkstücks benötigten Kräfte werden durch die Biegemaschine
aufgebracht. Die einzelnen Biegemaschinen sind dabei jeweils nur
für eine
bestimmte Biegeaufgabe einsetzbar. Soll das Werkstück in einer
anderen Form gebogen werden, muss eine andere, speziell dafür ausgebildete
Biegemaschine eingesetzt werden.
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Aus der
DE 43 10 773 C2 ist ein
Verfahren zum freien plastischen Biegen eines Werkstücks bekannt,
bei dem das Werkstück
einseitig eingespannt, mit dem Greifer eines von einer Steuerung
gelenkten Roboters gegriffen und durch Einprägen eines Biegemomentes in
einer Ebene gebogen wird. Mit diesem Biegeverfahren lassen sich
jedoch in Abhängigkeit von
der Geometrie des Werkstücks
nur ganz bestimmte Biegungen erzeugen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum
Biegen schlanker Werkstücke anzugeben,
das sich automatisiert durchführen
lässt und
das freie Biegen schlanker Werkstücke in einer Vielzahl von Geometrien
ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Beim vorliegenden Verfahren werden
die schlanken Werkstücke
mit einer Handhabungseinrichtung mit zumindest sechs Freiheitsgraden,
insbesondere einem 6-DOF
Roboter, gebogen. Bei dem Verfahren wird das Werkstück einseitig
eingespannt oder gehalten und durch Führen des Werkstückes oder
eines Werkzeuges mit der Handhabungseinrichtung nacheinander an
verschiedenen Abschnitten seiner Längsachse durch Zusammenwirkung
mit dem Werkzeug mit einem Biegemoment beaufschlagt, um eine vorgebbare
Form des Werkstückes zu
erreichen. Die zumindest verfügbaren
sechs Freiheitsgrade der Handhabungseinrichtung entsprechen dabei
den drei Translations- und drei Rotationsfreiheitsgraden.
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Durch die Führung des Werkstückes oder des
Werkzeuges derart, dass das Werkstück nacheinander an verschiedenen
Abschnitten seiner Längsachse
mit einem Biegemoment beaufschlagt wird, lassen sich mit den hierzu
erforderlichen mehreren Biegeschritten nahezu beliebig geformte
Werkstücke herstellen.
Das Verfahren ermöglicht
durch geeignete Ansteuerung der Handhabungseinrichtung ein sehr
vielseitiges freies Biegen, so dass die Biegeaufgaben, für die bislang
mehrere unterschiedliche Biegemaschinen benötigt wurden, mit einer einzigen Handhabungseinrichtung
gelöst
werden können.
Der zur Durchführung
des Verfahrens erforderliche Aufbau kann sehr schnell auch an andere
Biegeaufgaben angepasst werden. Ein einfacher Wechsel des Werkzeugs
bei entsprechend vorhandener Ansteuerungssoftware ist dazu häufig ausreichend.
Das Verfahren zeichnet sich daher durch einen hohen Integrationsgrad,
einen geringen Investitionsbedarf sowie eine hohe Flexibilität aus. Durch
die einfache Einspannung des Werkstücks oder Werkzeugs ergibt sich
eine unkomplizierte Bestückung
des vorliegenden Aufbaus, bspw. einer Roboterzelle. Ein kompliziertes
Einführen
des Werkstücks
wie bei gewöhnlichen
Biegemaschinen entfällt
somit. Zudem kann die Handhabungseinrichtung selbst das Werkstück holen
und weglegen, so dass eine Vollautomatisierung der Biegeschritte
möglich
ist. Aufgrund seiner sechs Bewegungsfreiheitsgrade kann die Handhabungseinrichtung
das Werkstück
von mehreren Seiten abschnittsweise verbiegen, so dass eine große Geometrievielfalt
resultiert. Durch die abschnittsweise Einprägung der Biegemomente wird
das Werkstück nach
und nach auf die gewünschte
Endform umgeformt. Dieser Umformprozess lässt sich sehr gut überwachen,
wobei durch eine größere Anzahl
von Biegeschritten eine optimale Annäherung an die Sollform des
Werkstücks
möglich
ist. Durch Einsatz geeigneter Werkzeuge, wie bspw. eines Abkantwerkzeuges
ist es auch möglich
in zumindest einem Abschnitt eine Abkantung um bspw. 90° zu erzeugen. Das
Verfahren ist somit flexibler als bisher bekannte Biegeverfahren.
Als schlanke Werkstücke
können
mit dem vorliegenden Verfahren bspw. Drähte, Leitungen, Rohre, Stangen,
Wellen sowie schlanke und lange Profile frei gebogen werden. Unter
freiem Biegen wird hierbei eine Umformung eines festen Körpers durch
eine Biegebeanspruchung verstanden, bei der die Endform des Werkstücks weitgehend
unabhängig
von der Form des Biegewerkzeuges ist.
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Die Steuerung der Handhabungseinrichtung erfolgt
beim vorliegenden Verfahren entweder mit einem auf Basis von Erfahrungen
oder mathematischen Beziehungen offline programmierten Programm
oder mit Hilfe von Online-Daten des Prozessfortschritts. Im Falle
einer Online-Überwachung
wird eine Auswerteeinheit verwendet, die während des Biegeprozesses aus
den Daten der gewünschten Endkontur
des Werkstücks
und den über
eine entsprechende Überwachungseinrichtung
erhaltenen Informationen über
den Bearbeitungsfortschritt Steuersignale für die Steuerung der Handhabungseinrichtung
und bei Verwendung eines aktiven Biegewerkzeugs mit eigener Antriebsenergie
auch Steuersignale für
das Biegewerkzeug generiert. Als Grundlage werden hierbei die technischen
Daten des Handhabungsgerätes
und gegebenenfalls des aktiven Biegewerkzeugs benötigt. Die Überwachungseinrichtung kann
bspw. Kameras, Laserscanner oder sonstige Sensorik einsetzen, mit
der die momentane Form des Werkstücks erfasst werden kann.
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Bei dem vorliegenden Verfahren werden durch
Zusammenwirken des Werkstücks
mit dem Werkzeug Biege momente auf das Werkstück ausgeübt, die zu der gewünschten
Verbiegung führen.
Die Kräfte
für diese
Biegemomente können
hierbei entweder über
die Handhabungseinrichtung oder im Falle des Einsatzes aktiver Werkzeuge, über die
Antriebe dieser Werkzeuge aufgebracht werden. Unter passiven Werkzeugen
werden hierbei Werkzeuge verstanden, die von der Handhabungseinrichtung
gegen das zu verformende Werkstück
gedrückt
werden, oder bei denen das Werkstück gegen die Werkzeuge gedrückt wird,
und die keine eigene Antriebseinheit besitzen, wie bspw. Dorne,
Ringe oder Rohre. Aktive Umformwerkzeuge sind Werkzeuge mit eigener
Antriebseinheit, wie bspw. angetriebene Abkantwerkzeuge oder mit
Druck beaufschlagte Walzwerkzeuge. Unabhängig davon, ob die Umformkräfte von
der Handhabungseinrichtung, bspw. einem Industrieroboter, oder von
einem durch die Handhabungseinrichtung bzw. den Roboter geführten Umformwerkzeug
mit eigener Antriebsenergie aufgebracht werden, können zusätzliche
kinematische Zwangsbedingungen eingeführt werden, da nicht immer
alle drei verfügbaren
Kräfte
und alle drei Momente auf das Werkstück eingeprägt werden müssen.
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Beim vorliegenden Verfahren kann
das Werkstück
einseitig fest eingespannt und das Werkzeug von der Handhabungseinrichtung
geführt
werden. Weiterhin ist es möglich,
durch feste Einspannung des Werkzeuges und Führen des Werkstückes durch
die Handhabungseinrichtung die gleichen Wirkungen herbei zu führen. Auch
der Einsatz mehrerer Handhabungseinrichtungen an Stelle der festen
Einspannung des Werkstückes
oder Werkzeuges ist selbstverständlich
möglich.
In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird als passives
Werkzeug ein rohrförmiges
oder ringförmiges
Werkzeug eingesetzt, das für
die Beaufschlagung des Werkstückes
an unterschiedlichen Abschnitten mit einem Biegemoment verschieden
weit über
das Werkstück geschoben
wird. An einer ersten Position wird dann eine erste abschnittsweise
Biegung des Werkstückes herbeigeführt. Anschließend wird
das Werkzeug an einen zweiten Abschnitt bewegt und dort eine weitere Biegung
des Werkstückes
bewirkt, usw. Auf diese Weise lassen sich sehr vielfältige Geometrieformen erzeugen.
Bei rohrförmigen
Werkstücken
kann auch ein stabförmiges
Werkzeug verschieden tief in das rohrförmige Werkstück eingeführt werden,
um die entsprechende abschnittsweise Biegung durchzuführen.
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Unter rohrförmig und ringförmig ist
in dieser Anmeldung nicht ausschließlich ein kreisförmiger Querschnitt
zu verstehen. Vielmehr können
die rohr- bzw. ringförmigen Werkzeuge
oder Werkstücke
auch eine andere Querschnittsform, bspw. einen rechteckigen Querschnitt
(Vierkantrohr), aufweisen.
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Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
die prinzipielle Vorgehensweise zum flexiblen Biegen schlanker Werkstücke;
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2 ein
Beispiel für
die Prozessüberwachung
beim Biegen schlanker Werkstücke
gemäß dem vorliegenden
Verfahren;
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3 verschiedene
Phasen beim Biegen eines fest eingespannten Rohres als Werkstück;
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4 verschiedene
Phasen beim Biegen eines vom Handhabungsgerät geführten Rundmaterials als Werkstück;
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5 verschiedene
Phasen beim Biegen eines fest eingespannten Drahtes als Werkstück;
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6 verschiedene
Phasen beim Biegen eines fest eingespannten Drahtes als Werkstück;
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7 ein
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens, bei dem ein ringförmiges Werkzeug eingesetzt wird;
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8 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein ringförmiges Werkzeug eingesetzt
wird;
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9 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein ringförmiges Werkzeug eingesetzt
wird;
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10 ein
Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein aktives Abkantwerkzeug
eingesetzt wird; und
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11 ein
Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein aktives Walzwerkzeug eingesetzt
wird.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Die 1 zeigt
ein Beispiel für
das vorliegende Verfahren zum flexiblen Biegen schlanker plastisch
verformbarer Werkstücke
anhand des zugrunde liegenden Konzeptes. Das unverformte Werkstück 1 wird
hierbei einseitig in eine Einspannvorrichtung 3 eingespannt.
Eine 6-DOF Handhabungseinrichtung 2 nimmt ein geeignetes
Biegewerkzeug 6 auf und prägt dem eingespannten Werkstück 1 mit diesem
Werkzeug 6 an unterschiedlichen Abschnitten Biegemomente
und Biegekräfte
ein, um die gewünschte
Form des Werkstückes
zu erzeugen. Über eine
Prozessüberwachung 5 wird
der Biegeprozess überwacht
und die Handhabungseinrichtung 2 zur möglichst exakten Annäherung an
die Sollform des Werkstückes 1 angesteuert.
Das Ergebnis ist das fertig umgeformte Werkstück 4.
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2 zeigt
ein Beispiel für
die Prozessüberwachung
des vorliegenden Verfahrens, die bspw. mittels Kameras, Laserscanner
oder anderer Sensorik realisiert werden kann. Die Daten dieser Prozessüberwachung
werden einer Auswerteeinheit 11 zugeführt, in der Sollwerte für die gewünschte Endform des
Werkstückes
sowie gegebenenfalls für
zu erreichende Zwischenformen abgespeichert sind. Auf Basis des
Vergleichs der in dem jeweiligen Abschnitt erreichten Form mit der
jeweiligen Sollform wird die Robotersteuerung 10 mit Steuersignalen
angesteuert, um dem zu erreichenden Endergebnis möglichst nahe
zu kommen. Ein- und
Ausgangssignale sowie benötigte
Parameter für
die Auswerteeinheit 11 sind in der 2b angedeutet. Die Auswerteeinheit 11 benötigt Daten über die
zu erreichende Endkontur des Werkstücks sowie technische Daten
des Handhabungsgeräts
und ggf. des Biegewerkzeugs. Der Auswerteeinheit 11 werden
von der Prozessüberwachung 5 Online-Informationen über den
Bearbeitungsfortschritt zugeführt,
die diese Daten entsprechend auswertet und Steuersignale für die Robotersteuerung
sowie ggf. das Biegewerkzeug – im
Falle eines aktiven Biegewerkzeugs – ausgibt.
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3 zeigt
ein Beispiel für
die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens, bei dem ein fest eingespanntes Rohr als
Werkstück 1 mit
einem vom Handhabungsgerät 2 geführten Rundmaterial
als Werkzeug 6 gebogen wird. In Phase I wird das Biegewerkzeug 6 bis
zu der gewünschten
Tiefe für
den Angriffspunkt in das Rohr eingeführt. In Phase II werden die entsprechenden
Biegekräfte
und -momente durch die Handhabungseinrichtung 2 erzeugt
und über
das Werkzeug 6 auf das Werkstück 1 eingeprägt. Phase III
zeigt die hierdurch erreichte Verformung. In Phase IV wird das Werkstück entlastet
und das Werkzeug 6 durch entsprechende Bewegung entlang
des Rohres zum nächsten
Angriffspunkt geführt.
Dort beginnt der Biegevorgang mit Phase I von neuem. Durch diese abschnittsweise
Umformung können
je nach Ort des Angriffspunktes sowie den eingeprägten Momenten und
Kräften
sehr vielfältige
Geometrien erzeugt werden.
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In gleicher Weise lässt sich
selbstverständlich
auch das Rohr durch die Handhabungseinrichtung 2 führen und
das Biegewerkzeug 6 fest einspannen.
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4 zeigt
ein weiteres Beispiel für
unterschiedliche Phasen bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens,
wobei in diesem Fall ein Rundmaterial das Werkstück 1 darstellt und
das Werkzeug 6 rohrförmig
ausgebildet ist. In Phase I dieses Beispiels wird hierbei das von
der Handhabungseinrichtung 2 geführte Werkstück 1 in das fest eingespannte rohrförmige Werkzeug 6 bis
zum gewünschten
Angriffspunkt eingeführt.
Anschließend
folgt in den Phasen II und III durch Einprägen von Biegekräften und -momenten
in das Werkstück 1 durch
Zusammenwirken mit dem Werkzeug 6 das gewünschte Biegen des
Werkstücks.
Die hierfür
erforderlichen Kräfte werden
auch in diesem Beispiel durch die Handhabungseinrichtung 2 aufgebracht.
In Phase IV wird schließlich
das Werkstück 1 in
eine andere Position innerhalb des rohrförmigen Werkzeuges 6 bewegt, um
an dieser neuen Position eine entsprechende Biegeverformung entsprechend
der Phasen I–III
zu bewirken. Auch bei diesem Beispiel lassen sich durch die abschnittsweise
Biegung sehr vielfältige
Geometrieformen des Werkstücks
erzeugen.
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5 zeigt
ein weiteres Beispiel für
die Durchführung
des vorliegenden Verfahrens, bei dem ein fest eingespannter Draht
als Werkstück 1 mit
einem Abkantwerkzeug 7 als Biegewerkzeug 6 verformt
wird. Das Abkantwerkzeug 7 wird von der Handhabungseinrichtung 2 geführt, wie
dies in Phase I der Figur veranschaulicht ist. Bei Erreichen des gewünschten
Angriffspunktes wird der Stempel des Abkantwerkzeuges 7 bis
zur Berührung
mit dem Werkstück 1 bewegt
(Phase II) und in Phase III das Abkantwerkzeug 7 mit der
Handhabungseinrichtung 2 entsprechend der gewünschten
Verformung bewegt. In Phase IV wird schließlich durch Abheben des Stempels
des Abkantwerkzeuges 7 das Werkstück 1 entlastet und
das Abkantwerkzeug 7 kann mit der Handhabungseinrichtung 2 an
die nächste
Position des Werkstückes 1 bewegt
werden. Dort beginnt der Prozess wieder von neuem.
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6 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem an Stelle des Abkantwerkzeuges ein
Walzwerkzeug 8 von der Handhabungseinrichtung 2 geführt wird.
Bei Erreichen des Angriffspunktes (Phase I) wird die angetriebene
Walze des Walzwerkzeugs 8 bis zur Berührung mit dem Werkstück bewegt
(Phase II). Anschließend
wir das Werkstück 1 durch
kontinuierlichen Vorschub der Walzen und Bewegung des Walzwerkzeuges 8 durch
die Handhabungseinrichtung 2 verformt. Im letzten Schritt
(Phase IV) wird das Werkstück
durch Abheben der Walze wiederum entlastet und das Walzwerkzeug 8 mit
der Handhabungseinrichtung 2 zu einem anderen Abschnitt
des Werkstückes
bewegt. Während
mit dem Abkantwerkzeug in der 5 eine
lokal begrenzte Umformung des Werkstücks erzielt werden kann, ist
mit dem Walzwerkzeug 8 eine Umformung sowohl über einzelne Abschnitte
als auch über
das gesamte Werkstück möglich.
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Die 7 – 9 zeigen Ausführungsformen des
vorliegenden Verfahrens, bei denen ein ringförmiges Werkzeug 6 eingesetzt
wird, das von der Handhabungseinrichtung 2 geführt wird.
Im Beispiel der 7 ist
das Werkstück 1 fest
eingespannt. Das Werkzeug 6 wird über das Werkstück geschoben,
um über
die Handhabungseinrichtung 2 nacheinander an den gewünschten
Abschnitten des Werkstückes 1 entsprechende
Biegekräfte
und Biegemomente auf das Werkstück
einwirken zu lassen.
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8 zeigt
ein Beispiel, bei dem das Werkstück 1 auf
einer Seite fest eingespannt und auf der anderen Seite über ein
Kugelgelenk 9 gelagert ist. Das ringförmige Werkzeug 6 wird
auch hier über
eine Handhabungseinrichtung 2 so geführt, dass es abschnittsweise
am Werkstück 1 angreift
und die entsprechenden Biegekräfte
und -momente einprägt. Bei
dieser Ausgestaltung wird auf einer Seite durch das Kugelgelenk 9 eine
momentfreie Einspannung realisiert, durch die sich andere Biegemöglichkeiten ergeben
als bei fester Einspannung auf beiden Seiten.
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9 zeigt
schließlich
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem das Werkstück 1 durch
zwei zusätzliche
Handhabungseinrichtungen 2 an Stelle einer festen Einspannung
gehalten wird. Durch diese Ausgestaltung werden zusätzlich zwei
ortsfeste kinematische Zwangsbedingungen erzeugt.
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Die 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele,
bei denen an Stelle eines passiven Umformwerkzeugs 6 ein
aktives Umformwerkzeug mit eigener Antriebsenergie eingesetzt wird.
Bei dem ersten Umformwerkzeug in 10 handelt
es sich um ein Abkantwerkzeug 7, bestehend aus Stempel
und Matrize, bei dem zweiten Umformwerkzeug in 11 handelt es sich um ein Walzwerkzeug 8,
bestehend aus drei gegeneinander drückenden Walzen. Die Wirkungsweise
derartiger Umformwerkzeuge wurde bereits im Zusammenhang mit den 5 und 6 erläutert.
Im Unterschied zu den dort vorgestellten Ausführungsformen werden hier die
Biegekräfte
und -momente zur Umformung des Werkstücks nicht durch die Handhabungseinrichtung 2,
sondern alleine durch die Antriebe der Umformwerkzeuge 7 bzw. 8 erzeugt.
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- 1
- unverformtes
Werkstück
- 2
- Handhabungseinrichtung
- 3
- Einspannvorrichtung
- 4
- fertig
verformtes Werkstück
- 5
- Prozessüberwachung
- 6
- Biegewerkzeug
- 7
- Abkantwerkzeug
- 8
- Walzwerkzeug
- 9
- Kugelgelenk
- 10
- Robotersteuerung
- 11
- Auswerteeinheit