DE112005002827B4 - Roboterhand sowie Verfahren zum automatischen Setzen eines Elements - Google Patents

Abstract

Roboterhand (3), die ein Bearbeitungswerkzeug (2) aufweist, das zur Ausübung einer hydraulisch veranlassten Bewegung ausgebildet ist, und die weiterhin eine Hydraulikeinheit (10) umfasst, die mit dem Bearbeitungswerkzeug (2) verbunden ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug (2) eine Setzeinheit (6) zur Befestigung eines Befestigungselements (18) an einem Werkstück umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Locherkennungseinheit (12) vorgesehen ist, die zur Erkennung der Position eines Lochs (29) für das Befestigungselement (18) ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Roboterhand eines Industrie-Roboters sowie ein Verfahren zum automatischen Setzen eines Elements, beispielsweise ein Bauteil oder ein Fügeelement, mit einer solchen Roboterhand.
• Industrie-Roboter werden in vielen technischen Bereichen im Rahmen von Prozess-Automatisierungssystemen eingesetzt. Der Roboter weist mehrere relativ zueinander bewegliche Roboterarme auf, die jeweils um eine Roboterachse beweglich gelagert sind. Moderne Roboter sind als 6-armige Roboter mit sechs Bewegungsachsen ausgebildet. Am letzten Roboterarm ist üblicherweise über einen Flansch die Roboterhand angeordnet, die ein Bearbeitungswerkzeug trägt. Ein derartiges Bearbeitungswerkzeug ist oder umfasst eine Werkzeugeinheit, beispielsweise ein Schweißwerkzeug, ein Greifelement oder auch ein Schraubwerkzeug sowie ein Niet-Setzgerät.
• Unter Werkzeugeinheit im vorliegenden Sinne wird insbesondere eine Nieteinheit zum Setzen von beispielsweise Blindnieten, eine Schraubeinheit zum Einschrauben eines Schraubelements oder sonstige Einpress- oder Einfügeeinheiten verstanden, mit denen die Elemente in Aufnahmen/Löcher des vorgelochten Werkstücks eingebracht werden.
• Bei der Verbindung zweier Bauteile mittels Blindniete wird üblicherweise der zu setzende Blindniet zunächst von vorne manuell einem Mundstück der Nieteinheit zugeführt. Anschließend wird der Blindniet mit Hilfe der Nieteinheit in eine Durchgangsbohrung (Nietloch) der zu verbindenden Bauteile eingeführt und der Blindniet wird gesetzt. Ein beim Setzvorgang abgerissener Blindniet-Restdorn wird üblicherweise in einem Auffangbehälter der Nieteinheit aufgefangen, welcher in Axialrichtung am hinteren Ende der Niet-Setzvorrichtung angeordnet ist.
• Die Blindniet-Technologie wird zunehmend insbesondere auch im Kraftfahrzeug-Bereich zur Verbindung von Bauteilen eingesetzt, welche bisher beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden wurden. Die Kraftfahrzeug-Fertigung ist in hohem Grade automatisiert und die Verbindung der Karosseriebauteile wird größtenteils mit Hilfe von Schweißrobotern vorgenommen, welche die Schweißpunkte automatisch anfahren und die Bauteile automatisch miteinander verschweißen.
• Für den Bearbeitungsvorgang mit dem jeweiligen Bearbeitungswerkzeug ist oftmals ein Hydraulikanschluss erforderlich. Zur Zuführung der unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit ist das Bearbeitungswerkzeug über Hydraulikleitungen mit einem Hydraulikaggregat verbunden. Hierbei ist es erforderlich, dass die Hydraulikleitungen beispielsweise über ein Roboter-Schlauchpaket entlang der Roboterarme zu der Roboterhand und schließlich zum Bearbeitungswerkzeug geführt werden. Aufgrund der starken Belastung durch die Bewegung der Roboterarme unterliegen diese Hydraulikleitungen einem hohen Verschleiß und es besteht zudem die Gefahr von Beschädigungen, beispielsweise durch Schleifen an scharfen Kanten.
• Aus der DE 43 35 668 A1 ist ein Nietsetzgerät mit automatischer Zuführung zu entnehmen, welches zum Einsatz auf Nietautomaten und Robotern vorgesehen ist. Der eigentliche Setzvorgang wird dabei hydraulisch betätigt. Hierzu ist die Versorgung über eine Hydraulikleitung vorgesehen.
• Aus der DE 43 10 953 A1 ist weiterhin eine Einpressvorrichtung zum Einpressen von Fügeteilen zu entnehmen, bei der ein C-förmiger Bügel mit einer Betätigungseinrichtung in Form einer Kolben-Zylinder-Einheit für eine hydraulische Betätigung versehen ist. Der C-förmige Bügel ist hierbei beispielsweise an einem Roboterarm befestigt.
• Aus der JP 8 323 680 A ist weiterhin ebenfalls ein hydraulisch betätigbares Werkzeug beschrieben, wobei eine Hydraulikpumpe an einem Manipulator angebracht werden kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere ein Karosseriebauteil, mit Hilfe eines an einer Roboterhand befestigten Bearbeitungswerkzeugs zu ermöglichen, das eine hydraulisch veranlasste zusätzliche Bewegung zu der Bewegung der Roboterhand ausführt.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Roboterhand, die ein Bearbeitungswerkzeug trägt, das zur Ausübung einer hydraulisch veranlassten Bewegung relativ zur Roboterhand ausgebildet ist und hierzu mit einer Hydraulikeinheit verbunden ist, die unmittelbar an der Roboterhand angeordnet ist.
• Durch die Anordnung der Hydraulikeinheit direkt an der Roboterhand sind keine aufwändigen und langen hydraulischen Zuführleitungen erforderlich und die Gefahr einer Beschädigung der Zuführleitungen ist gering. Die Roboterhand ist üblicherweise als leicht austauschbare Einheit über einen Adapter oder einen Flansch an einem letzten Roboterarm angeordnet. Durch die Anordnung der Hydraulikeinheit unmittelbar an der Roboterhand ist der wesentliche Vorteil erzielt, dass beim Austausch des Bearbeitungswerkzeugs, beispielsweise mit einer Roboter-Schweißhand, an der durch den Adapter definierten Trennstelle keine Trennung von Hydraulikleitungen erforderlich ist. Die Hydraulikeinheit selbst braucht lediglich mit einer elektrischen Versorgung verbunden zu werden. Es brauchen also keine Hydraulikleitungen entlang der einzelnen Roboterarme zu einer externen Hydraulikversorgung geführt werden. Die Hydraulikleitungen behindern nicht die Bewegungsfreiheiten des Industrie-Roboters. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich herrschen oftmals beengte Einbauverhältnisse, so dass das Nachführen von Hydraulikleitungen störend sein kann und auch zu einem hohen Verschleiß der Hydraulikleitungen führen kann.
• Das Bearbeitungswerkzeug dient zum Befestigen eines Bauteils oder eines Elements an einem Werkstück, insbesondere in ein vorgelochtes Werkstück. Das Bearbeitungswerkzeug ist bevorzugt eine Niet-Setzvorrichtung, die zum automatischen Setzen eines Niets, insbesondere eines Blindniets, ausgebildet ist. Alternativ hierzu ist das Bearbeitungswerkzeug beispielsweise ein Schraubwerkzeug, bei dem – ebenfalls wie bei der Niet-Setzvorrichtung – ein Befestigungs- oder Verbindungselement zur Verbindung zweier Werkstücke gesetzt, also geschraubt wird. Schließlich kann das Bearbeitungswerkzeug auch eine Stanzeinheit sein, mit der ein Loch gestanzt oder ein Stanzelement eingefügt wird. Die Bearbeitungswerkzeuge haben gemeinsam, dass sie für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang eine Axialbewegung und/oder eine Drehbewegung ausführen, welche zum Teil eine erhebliche Kraft erfordert, die über die Hydraulik aufgebracht wird. Aufgrund der unmittelbaren Anordnung der im Folgenden auch als Hydraulikaggregat bezeichneten Hydraulikeinheit an der Roboterhand, müssen diese gewissen Anforderungen genügen. Derartige Anforderungen sind insbesondere die Funktionsfähigkeit auch bei extremen Beschleunigungen bis zu einem Vielfachen, beispielsweise dem 20-fachen der Erdbeschleunigung, die Bereitstellung eines Hochdrucks beispielsweise bis zu 600 bar sowie eine kleine und kompakte Bauweise, damit die Roboterhand auch in beengten Arbeitsräumen einsetzbar ist.
• Ein Hydraulikaggregat, das diesen Anforderungen genügt, ist beispielsweise in der zeitgleich eingereichten PCT-Anmeldung WO 2006/056256 A2 mit dem Titel „Hydraulikaggregat sowie Verfahren zur Bereitstellung einer unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit” beschrieben, auf deren Inhalt hiermit verwiesen wird.
• Für einen vollautomatisierten Blindniet-Setzvorgangs ist weiterhin eine Locherkennungseinheit vorgesehen, die zur Erkennung der Position eines Nietlochs ausgebildet ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass zwar dem Industrie-Roboter eine Soll-Position des Nietlochs eingelernt wird, dass jedoch gewisse Toleranzen von wenigen Millimetern auftreten, so dass die Nieteinheit nicht exakt über dem Nietloch positioniert ist. Mit Hilfe der Locherkennungseinheit wird daher die exakte Position des Nietlochs erkannt und die Blindnieteinheit wird entsprechend nachgefahren.
• Um eine genaue Locherkennung zu ermöglichen, umfasst die Locherkennungseinheit bevorzugt eine Lichtquelle sowie eine optische Kamera und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder. Die Locherkennung erfolgt in dieser bevorzugten Ausgestaltung auf optischem Wege. Für die sichere Positionserkennung wird die Position des Lochs hierbei über eine Kantenerkennung des Lochrands bestimmt. Der Lochrand bietet eine einfach zu erkennende und klar abgrenzbare Struktur und ist daher besonders zur Erkennung der Position des Nietlochs geeignet.
• Zweckdienlicherweise ist hierbei die Lichtquelle ein Linienlaser, der zumindest drei Laserlinien erzeugt, die unter einem vorbestimmten Drehwinkel zueinander versetzt angeordnet sind. Durch die Verwendung eines Linienlasers wird zum einen das Bauteil mit einem Licht mit hoher Lichtintensität bestrahlt, so dass für die Kamera geeignete und definierte Verhältnisse vorliegen. Im Vergleich zu einer großflächigen Beleuchtung hat die Beleuchtung lediglich mit Linien auch den Vorteil, dass weniger störende Reflexionen auftreten. Durch die drehversetzte Anordnung der Linien und aus den ermittelten Punkten des Lochrands lässt sich dann die Position des Nietlochs berechnen.
• Ein weiterer besonderer Vorteil der Verwendung von einer linienartigen Ausleuchtung ist darin zu sehen, dass innerhalb des von den Linien überdeckten Bereichs eine Verschiebung möglich ist, dass also das Nietloch frühzeitig erkannt wird. Zweckdienlicherweise wird die Bestimmung der Position des Nietlochs kontinuierlich während des Verfahrens der Blindnieteinheit vorgenommen. Dies erlaubt ein besonders schnelles Anfahren an die exakte Nichtloch-Position.
• Zweckdienlicherweise umfasst die Hydraulikeinheit einen Elektromotor und zumindest eine über den Elektromotor betriebene Pumpe zur Druckerzeugung, wobei für die von der Pumpe angesaugte Hydraulikflüssigkeit ein Speicherraum mit einem variierbaren Ausgleichsvolumen vorgesehen ist, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei und insbesondere unter Druck stehend eingeschlossen ist.
• Durch die Anordnung des Speicherraums mit dem variierbaren Ausgleichsvolumen, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei angeordnet ist, wird das Eindringen von Luft in die Hydraulikflüssigkeit und das Aufschäumen derselben vermieden. Die beim Arbeitsvorgang des Bearbeitungswerkzeugs auftretende Änderung eines Hydraulikvolumens des Bearbeitungswerkzeugs führt zu einer Veränderung des Ausgleichsvolumens des Speicherraums. Im Unterschied zu herkömmlichen Hydraulikaggregaten wird hier also zum Volumenausgleich im Ausgleichsvolumen keine Luft verwendet. Bei dem hier vorgeschlagenen Hydraulikaggregat führen daher schnelle Bewegungen und insbesondere abrupte Beschleunigungen, beispielsweise Richtungsänderungen, nicht zu einem Aufschäumen der Hydraulikflüssigkeit.
• Zweckdienlicherweise weist hierbei die Hydraulikflüssigkeit im Speicherraum einen Überdruck gegenüber einem Umgebungsdruck auf. Hierdurch wird ein Aufschäumen sicher vermieden. Vorzugsweise liegt dieser Überdruck im Bereich von einigen 10⁵ Pa, insbesondere zwischen 3 und 50 × 10⁵ Pa.
• Um einen möglichst kompakten Aufbau des Hydraulikaggregats zu erzielen sind in einem Gehäuse des Aggregats der Elektromotor sowie die Pumpe angeordnet und der vom Gehäuse umgebene Innenraum bildet den Speicherraum, ist also mit Hydraulikflüssigkeit angefüllt. Der Elektromotor und die Pumpe sind daher in der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Hydrauliköl, angeordnet. Das Gehäuse ist insgesamt hermetisch nach außen abgedichtet. Durch diese Ausgestaltung ist ein separater Ausgleichsbehälter nicht erforderlich. Weiterhin sind keine Zuleitungen von Ausgleichsbehälter zu einer Ansaugseite der Pumpe erforderlich.
• Zur Ausbildung des variierbaren Ausgleichsvolumens ist gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung eine Ausgleichswand des Speicherraums nach Art eines Kolbens verschieblich und abgedichtet zu einer feststehenden Gehäusewand des Speicherraums angeordnet. Durch diese Ausbildung mit der mechanisch insbesondere steifen Ausgleichswand ist ein sehr robuster Aufbau erreicht. Die bevorzugte Ausgestaltung als ein Kolben hat zudem den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Die Druckerzeugungseinheit ist daher nach Art eines Kolbenspeicherraums ausgebildet. Alternativ zur mechanisch steifen Ausgestaltung ist die Ausgleichswand beispielsweise als elastische Membran ausgebildet.
• Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest zwei Pumpen einerseits zur Bereitstellung eines Niederdruck-Teilstroms sowie andererseits eines Hochdruck-Teilstroms der Hydraulikflüssigkeit vorgesehen. Es ist also ein zweistufiges Hydraulikaggregat vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalls unterschiedliche Druckstufen mit geringem Energieaufwand bereitgestellt werden. Somit werden unterschiedliche Druckanforderungen in einfacher Weise energiesparend bedient. Insbesondere bei einem Blindnietsetzvorgang braucht zu Beginn des Setzvorgangs kein hoher Druck bereitgestellt zu werden.
• Zweckdienlicherweise werden die zumindest zwei unterschiedlichen Pumpen gemeinsam vom Elektromotor betätigt. Es werden daher mehrere Hydraulik-Teilströme unterschiedlicher Drücke und/oder unterschiedlicher Fördermengen über ein- und denselben Elektromotor erzeugt, so dass mit nur einem Elektromotor und damit sehr Platz sparend die unterschiedlichsten Druckanforderungen erfüllt werden können. Insbesondere bei zwei- oder mehrstufigen Bearbeitungsvorgängen, bei denen innerhalb eines Arbeitsvorgangs unterschiedliche Druckanforderungen gestellt werden, ist diese Ausgestaltung von besonderem Vorteil. Beispielsweise müssen lange axiale Hübe bei nur geringem Druck sowie kurze Axialhübe bei hohem Druck ausgeführt werden, wie beispielsweise bei einem Blindniet-Setzvorgang.
• Bevorzugt werden die Pumpen gemeinsam über eine Exzenterwelle des Elektromotors betätigt und sind daher in etwa ringförmig um die Exzenterwelle angeordnet. Die Pumpen werden daher unmittelbar ohne Zwischenschaltung eines Getriebes vom Elektromotor betätigt. Bei der Bereitstellung von zwei Hydraulik-Teilströmen sind hierbei zweckdienlicherweise mehrere Pumpen für die Erzeugung des Niederdruck- sowie mehrere Pumpen zur Erzeugung des Hochdruck-Teilstroms vorgesehen, wobei bevorzugt abwechselnd eine Pumpe für den Hochdruck-Teilstrom und eine für den Niederdruck-Teilstrom einander benachbart sind.
• Vorzugsweise ist weiterhin eine Ventilanordnung zur Steuerung der zumindest zwei Teilströme vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass jeweils nur ein Teilstrom am Ausgang des Hydraulikaggregats bereitgestellt ist. Hierdurch sind keine externen Steuerventile außerhalb des Aggregats zum Umschalten von dem einen Teilstrom auf den anderen Teilstrom notwendig, so dass insgesamt ein kompakter Aufbau erreicht wird. Die Ventilanordnung ist hierbei insbesondere derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit der aktuellen Druckanforderung eine automatische Umschaltung zwischen den Teilströmen erfolgt.
• Um notwendige Energie zur Erzeugung des Drucks möglichst gering zu halten ist die Ventilanordnung weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass jeweils einer der Teilströme drucklos schaltbar ist. Es ist daher insbesondere vorgesehen, dass im Betrieb jeweils einer der Teilströme drucklos ist. Der Elektromotor braucht daher nur in einem Teilstrom Druck aufzubauen und kann daher leistungsschwächer und kompakt ausgebildet sein.
• Eine derartige Hydraulikeinheit ist insbesondere zur Erzeugung von Hochdruck bis zu etwa 600 bar ausgebildet. Durch den speziellen Aufbau ist sie extrem kompaktbauend. Weiterhin ist ihre Funktionsfähigkeit selbst bei extremen Beschleunigungen beispielsweise bis zum 20-fachen der Erdbeschleunigung gewährleistet.
• Im Hinblick auf die Ausgestaltung des Bearbeitungswerkzeugs zum Setzen eines Befestigungselements ist in einer zweckdienlichen Weiterbildung eine Setzeinheit zum Setzen des Befestigungselements sowie eine Zuführeinheit zur automatischen Zuführung des Befestigungselements zur Setzeinheit vorgesehen. Die Zuführeinheit umfasst hierbei ein Greifelement zur automatischen Aufnahme des Befestigungselements aus einer Bereitstellungseinheit sowie zur Zuführung zur Setzeinheit. Das Greifelement ist hierbei in Axialrichtung verschiebbar und/oder um die Axialrichtung drehbar. Durch diese Ausgestaltung ist ein vollautomatischer Setzvorgang zur Befestigung des Befestigungselements ermöglicht. Insbesondere bei der Ausgestaltung als Niet-Setzwerkzeug zum Setzen eines Blindniets wird das bisher manuell vorgenommene Bestücken eines Mundstücks der als Nieteinheit ausgebildeten Setzeinheit mittels der Zuführeinheit automatisiert. Der automatisierte Setzvorgang erlaubt insbesondere auch eine verbesserte Prozessüberwachung, da die Arbeitsabläufe des Industrie-Roboters bevorzugt automatisch überwacht werden. Es besteht keine Gefahr einer willentlichen oder versehentlichen Fehlbedienung beim Setzvorgang durch das Bedienpersonal.
• Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist das Greifelement an einem um die Axialrichtung rotierbaren Drehelement angeordnet, wobei zumindest ein Elektromagnet vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, dass durch eine magnetische Kraft ein auf das Drehelement einwirkendes Drehmoment erzeugt wird. Es wird daher unmittelbar auf das Drehelement eine magnetische Kraft ausgeübt. Eine mechanische Kraftübertragung über ein Getriebe oder dergleichen erfolgt nicht. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Drehbewegung zum einen sehr verschleißarm und zum anderen auch im Vergleich zu einem mechanischen Getriebe sehr schnell erfolgen kann, so dass sich geringe Taktraten erzielen lassen. Unter Taktrate wird hierbei die Zeitspanne zwischen zwei Setzvorgängen verstanden. Ein weiterer besonderer Vorteil des magnetischen Antriebs besteht darin, dass bei einer Behinderung des Drehelements oder des Greifelements durch ein Hindernis diese einfach stehen bleiben. Anders als bei einem mechanischen Zwangsantrieb entstehen hier also keine mechanischen Kräfte, die eine Beschädigung hervorrufen könnten. Zweckdienlicherweise ist hierbei das Drehelement nach Art einer Stange oder eines langgestreckten Elements ausgebildet. Insbesondere ist das Drehelement ein Rotor eines nach Art eines Elektromotors ausgebildeten Antriebs.
• Vorzugsweise ist das Drehelement hierbei zwischen zumindest zwei definierten Winkelstellungen drehbar. Die beiden Winkelstellungen entsprechen der Drehstellung zum einen für die Übernahme des Blindniets aus der als Nietzuführung ausgebildeten Zuführeinheit und zum anderen für die Übergabe des Blindniets an das Mundstück. Die Winkelstellungen sind hierbei durch die Anordnung der magnetischen Pole definiert. Ein Umpolen der jeweiligen Pole führt daher dazu, dass das Drehelement von der einen Winkelstellung in die andere Winkelstellung rotiert. Es sind daher keine mechanischen Anschläge oder Stoppelemente erforderlich. Vielmehr ist bereits der magnetische Antrieb derart ausgebildet, dass das Drehelement in vordefinierten Winkelpositionen zum Stehen kommt.
• Vorzugsweise ist eine dritte definierte Winkelstellung vorgesehen, die der Drehstellung für eine Übernahme eines Restdorns aus der Setzeinheit entspricht. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, auch den Restdorn wieder von der Nietzuführeinheit aufzunehmen und an eine Restdornabführeinheit, beispielsweise einen Sammelbehälter, zu übergeben.
• Zur Ausbildung des magnetischen Antriebs sind die magnetischen Pole um den Umfang des Drehelements verteilt angeordnet. Zweckdienlicherweise sind hierbei am Drehelement die Pole eines Permanentmagneten und um das Drehelement herum die Pole eines Elektromagneten angeordnet, die sich in einfacher Weise umpolen lassen. Da die Pole des Elektromagneten statisch angeordnet sind, lässt sich hier die Stromversorgung problemlos sicherstellen.
• Allgemein hat die Verwendung von Permanentmagneten den besonderen Vorteil, dass durch die Magnetisierung des Drehelements auf dieses – selbst bei abgeschaltetem Elektromagneten – eine permanente magnetische Kraft wirkt, die das Drehelement in einer definierten Drehstellung hält, beziehungsweise in die das Drehelement automatisch verfahren wird. Diese hierdurch bedingte magnetische Haltekraft ist bevorzugt derart eingestellt, dass das Drehelement ohne Halteelemente allein durch die magnetische Kraft in allen Betriebssituationen in einer definierten Drehstellung und damit in einer definierten Lage gehalten wird.
• Im Hinblick auf eine kompakte Ausgestaltung ist das Drehelement bevorzugt zugleich auch in Axialrichtung verschiebbar. Das Drehelement ist also in der Lage, eine überlagerte Bewegung sowohl in Axial- als auch in Rotationsrichtung auszuführen.
• Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist hierzu das Drehelement teleskopartig in einem Führungsrohr geführt, das insbesondere als Pneumatikzylinder ausgebildet ist. Innerhalb des Führungsrohrs sind hierbei insbesondere die Pole des Elektromagneten angeordnet. Insgesamt ist hierdurch ein einfacher und kompakter Aufbau erreicht.
• Für die Bewegung in Axialrichtung ist vorzugsweise ein pneumatischer Antrieb vorgesehen. Am Führungsrohr sind hierbei insbesondere entsprechende Pneumatikanschlüsse, Ventile und dergleichen vorgesehen. Zweckdienlicherweise wird das in dem Führungsrohr axial gelagerte Drehelement unmittelbar mit Druck beaufschlagt. Das Drehelement ist innerhalb des Führungsrohrs zu diesem abgedichtet, um einen Druckaufbau zu ermöglichen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Führungsrohr in einem rückwärtigen Bereich eine axiale Zwangsführung für das Drehelement auf, so dass eine Drehbewegung desselben verhindert ist. Bei der axialen Verschiebung des Drehelements bewegt sich dieses aus einer rückgezogenen Position in eine vordere Drehposition, in der dann die Drehbewegung stattfindet. Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, dass die Drehbewegung erst ab einer definierten Axialposition erfolgen kann und nicht etwa durch eine zu frühe Drehbewegung beispielsweise das Mundstück der Nieteinheit beschädigt wird. Im Hinblick auf möglichst kurze Taktzeiten besteht durch die Zwangsführung zudem die Möglichkeit, den magnetischen Antrieb frühzeitig zu aktivieren, wenn das Drehelement sich noch in der rückgezogenen Position befindet. Für die axiale Zwangsführung ist bevorzugt eine Nut-Federführung zwischen dem Drehelement und der Führungshülse ausgebildet.
• Zur Aktivierung des Magnetantriebs ist eine Steuereinheit vorgesehen. Diese aktiviert den magnetischen Antrieb insbesondere bereits dann, wenn die Nietzuführeinheit von der Nietzuführung einen Blindniet erhält. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Drehelement noch in seiner rückgezogenen Position, da in dieser Position der Blindniet von der Nietzuführung an die Nietzuführeinheit gegeben wird.
• Bei der Bestückung des Mundstücks der Setzeinheit mit dem Blindniet wird dieser üblicherweise mit seinem Restdorn voraus in Axialrichtung in das Mundstück eingeführt. Bei einer automatisierten Zuführung und einem automatisierten Setzvorgang ist es hierzu erforderlich, dass die Setzeinheit nach erfolgtem Setzvorgang vom Werkstück ausreichend weit zurückfährt, damit der Blindniet von vorne automatisch dem Mundstück durch eine Zuführvorrichtung zugeführt werden kann. Die Rück- und erneute Zustellbewegung erfolgt daher über eine vergleichsweise lange Wegstrecke und ist somit zeitintensiv.
• Um die Zykluszeit für den Setzvorgang demgegenüber zu verringern, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Setzeinheit, insbesondere das Mundstück, einen seitlichen Schlitz aufweist, und dass der Blindniet dem Mundstück seitlich, also senkrecht zu der Axialrichtung, zugeführt wird.
• Vorzugsweise weist weiterhin auch die Zuführeinheit einen seitlichen Schlitz auf, so dass der Blindniet aus einer Halteposition, in der er in der Zuführeinheit für die Übernahme durch das Greifelement bereitgestellt wird, seitlich herausgeführt werden kann. Im einfachsten Fall erfolgt die Zuführung aus der Halteposition heraus in das Mundstück hinein daher zweckdienlicherweise durch eine einfache Drehbewegung des Greifwerkzeugs um eine Drehachse, die parallel zur Axialrichtung des Setzwerkzeugs orientiert ist.
• Üblicherweise werden die Befestigungselemente von einer Vereinzelungsanlage über einen Zuführschlauch der Setzeinheit zugeführt. In der Regel erfolgt dies pneumatisch, indem die einzelnen Befestigungselemente einzelweise von der Vereinzelungsstation eingeschossen werden. Bei der Anordnung der Setzeinheit an einer Roboterhand besteht hierbei wieder das Problem der Zuführleitungen, die die Bewegung der Roboterhand, insbesondere in beengten Arbeitsräumen behindern. Zudem besteht auch hier die Gefahr von Beschädigungen durch Reiben an scharfen Kanten. Bei langen Zuführschläuchen, also eine großen Entfernung zwischen der Vereinzelungsstation und der Setzeinheit ist zudem ein hoher pneumatischer Druck erforderlich und/oder große Luftmengen erforderlich, die das zentrale Pneumatiksystem einer Fertigungsanlage erheblich belasten können. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass die Bereitstellungseinheit ein Magazin zur Bevorratung mehrerer Befestigungselemente aufweist. Die Befestigungselemente werden also unmittelbar am Roboter bevorratet. Es ist kein störender Zuführschlauch zu einer Vereinzelungsstation vorgesehen. Im Hinblick auf eine möglichst einfache Ausgestaltung umfasst das Magazin vorzugsweise zumindest einen Magazinschlauch, der zur aneinandergereihten Aufnahme mehrerer Befestigungselemente ausgebildet ist. Unter Magazinschlauch wird hierbei ein rohrförmiges Element oder eine Bohrung verstanden, in dem/der die einzelnen Befestigungselemente nacheinander aufgereiht werden können. Der Innendurchmesser des Magazinschlauches ist hierbei an den Außendurchmesser der Befestigungselemente angepasst, das heißt, der Innendurchmesser ist üblicherweise etwas größer als der Außendurchmesser der Befestigungselemente, um ein Verklemmen derselben im Magazinschlauch zu verhindern. Der Magazinschlauch ist hierbei ein Teilstück eines üblichen Zuführschlauches. Bei der Verwendung von Blindnieten als Befestigungselemente überlappen diese sich teilweise: Der nach vorne gerichtete Teilbereich des Blindniets, nämlich die Niethülse, ist neben dem rückwärtigen Teilbereich des vorausgegangenen Blindniets, nämlich dem Rest- oder Zugdorn angeordnet. Durch die Verwendung eines nach Art eines Zuführschlauchs ausgebildeten Magazinschlauchs brauchen für die Übergabe des Blindniets an das Greifelement keine besonderen Vorkehrungen getroffen zu werden. Vielmehr können übliche Greifelemente herangezogen werden, wie sie auch im Zusammenhang mit dem einzelweisen Einschießen über einen Zuführschlauch verwendet werden. Zur kontrollierten Beförderung in eine vordere Bereitstellungsposition innerhalb des Magazinschlauchs ist dieser während des Betriebs gemäß einer zweckdienlichen Ausbildung mit Druckluft beaufschlagt. Diese liegt hierbei entweder dauernd oder nur bei Bedarf an.
• Um einen möglichst großen Vorrat an Befestigungselementen bereitzustellen sind zweckdienlicherweise mehrere Magazinschläuche in einem verfahrbaren Schlauchhalter gehalten. Der Schlauchhalter ist hierbei insbesondere drehbar oder auch längs- oder querverschieblich gehalten, um jeweils einen der Magazinschläuche in eine Entnahmestellung zu bringen, in der die Befestigungselemente abgegeben werden.
• Ein automatisiertes Einbringen des Elements, insbesondere Fügeelement wie beispielsweise ein Blindniet, in ein vorgelochtes Werkstück mit Hilfe eines Roboters ist problematisch. Bedingt durch Positionsabweichungen der Werkzeugeinheit am Roboter oder Bauteiltoleranzen der Werkstücke kann es nämlich zu unerwünschten Abweichungen der Relativlage zwischen dem jeweiligen Element und dem vorbereiteten Loch kommen. So werden beispielsweise bei der Kraftfahrzeugfertigung mehrere vorgelochte Blechteile übereinandergefügt, so dass die Befestigungslöcher der Blechteile miteinander fluchten. Allerdings besteht die Gefahr, dass die Befestigungslöcher nicht optimal zueinander ausgerichtet sind. Auch weist der Roboter eine – wenn auch geringe – Anfahrungenauigkeit an eine eingelernte Sollposition auf.
• Derartige unerwünschte Abweichungen führen daher insbesondere zu einem Versatz der Längsachse des Elements zu dem Mittelpunkt des vorgelochten Lochs und/oder zu einer Winkelabweichung der Längsachse des Elements von der des vorgelochten Lochs. Derartige Abweichungen können die Verbindungsqualität zwischen dem Element und dem Werkstück erheblich beeinträchtigen.
• Um derartige Abweichungen automatisch beim Fügevorgang auszugleichen, ist gemäß einem weiteren Aspekt vorzugsweise eine Ausgleichseinheit vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass das Bearbeitungswerkzeug, insbesondere die Setz- oder Nieteinheit, in Axialrichtung orientiert derart gelagert ist, dass beim Setzvorgang eine Ausgleichsbewegung in einer x-y-Ebene senkrecht zur Axialrichtung ermöglicht ist. Die Nieteinheit ist daher in dieser Ebene nach Art einer elastischen Lagerung gehalten, die zum einen bei Bedarf ein Ausweichen aus der exakten axialen Ausrichtung erlaubt. Zum anderen sorgt diese Lagerung nach Art einer elastischen Lagerung dafür, dass die Nieteinheit nach dem Setzvorgang wieder in ihre exakte axiale Orientierung überführt wird.
• Die Ausgleichseinheit ermöglicht ein sicheres und zuverlässiges automatisiertes Einfügen von Elementen in vorgelochte Löcher in Werkstücken. Hierdurch wird als besonderer Vorteil eine automatisierte, zuverlässige und sichere Prozessüberwachung ermöglicht und bevorzugt auch eingesetzt. Hierzu werden über Sensoren relevante Daten jedes einzelnen Fügevorgangs ermittelt und ausgewertet. Bei Fehlern ergeht ein Fehlersignal. Mangelhafte Verbindungen beispielsweise aufgrund von Fehlern beim manuellen Setzen eines Blindniets sind dadurch ausgeschlossen. Durch die Ausgleichsbewegung in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung erfolgt eine Selbstausrichtung der Werkzeugeinheit automatisch, sobald eine unerwünschte relative Abweichung zwischen dem einzufügenden Element und dem Bohr- oder Fügeloch besteht. Sowohl für den Fall, dass die Längsachse des Elements zur Lochmitte versetzt ist, als auch für den Fall, dass die Längsachse des Elements zur Lochachse gekippt ist, treten beim Einfügen des Elements in das Loch Kräfte auf, die das Element in die richtige Lage bringen. Dadurch, dass eine Ausgleichsbewegung zugelassen wird, werden diese auftretenden Kräfte daher zur automatischen Selbstausrichtung ausgenutzt.
• Von besonderem Vorteil dieser Selbstausrichtung ist, dass beispielsweise Anfahrungenauigkeiten des Roboters an die tatsächliche Lochposition (Versatz der Längsachse des Elements zur Lochmitte) allein durch diese Selbstausrichtung ausgeglichen wird. Es ist daher kein aufwändiges Nachfahren des Roboters und insbesondere keine aufwändige Lochfindung erforderlich. Beides verlängert die Taktzeit in unerwünschter Weise. Voraussetzung für diese Selbstausrichtung ist lediglich, dass das Loch und/oder das Element eine Einführschräge oder Einführfase aufweist, und dass das Element zumindest derart genau an das Loch herangefahren wird, dass Einführschrägen des Elements und des Lochs sich zumindest teilweise überdecken bzw. dass die zumindest eine Einführschräge den Lochrand oder den Rand des Elements teilweise überdeckt, so dass bei einer axialen Zustellbewegung eine Kraft auf das Element mit einer radialen Kraftkomponente erzeugt wird. Diese radiale Kraftkomponente sorgt schließlich für die gewünschte automatische Verschiebung der Werkzeugeinheit in einer X-Y-Ebene senkrecht zur Axialrichtung.
• Zweckdienlicherweise ist hierbei ein Halteelement vorgesehen, welches die Nieteinheit in einer definierten Position innerhalb der Ebene senkrecht zur Axialrichtung orientiert hält und erst bei Einwirken einer vorbestimmten Kraft diese zur Ermöglichung der Ausgleichsbewegung frei gibt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Nieteinheit insgesamt vergleichsweise schwer ist, so dass das Halten der Nieteinheit in der axialen Orientierung eine hohe Haltekraft erfordert. Weiterhin liegt dieser Ausgestaltung die Überlegung zugrunde, dass beim Setzvorgang eine Ausgleichsbewegung möglichst kräftefrei erfolgen soll, dass also keine der Ausgleichsbewegung entgegenstehenden Rückstellkräfte auf den Blindniet wirken. Zur Ermöglichung der Ausgleichsbewegung ist in einer zweckdienlichen Weiterbildung ein Ausgleichselement vorgesehen, welches mit einer Halterung verbunden ist. Das Ausgleichselement ist hierbei in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung beweglich an der Halterung angeordnet und ist insbesondere ein Gleitelement, beispielsweise eine Gleitplatte, die zwischen zwei Führungen der Halterung insbesondere innerhalb vordefinierter Grenzen frei gleiten kann.
• Zweckdienlicherweise ist die Nieteinheit über ein Lager mit dem Ausgleichselement verbunden, die Nieteinheit selbst ist also am Ausgleichselement über das Lager gehalten. Das Lager ist hierbei derart ausgebildet, dass eine Kippbewegung der Nieteinheit gegenüber der Axialrichtung ermöglicht ist. Das Ausgleichselement selbst vollführt für die Ausgleichsbewegung keine Kippbewegung.
• Im Hinblick auf die Arretierung in Axialrichtung greift das Haltelement zweckdienlicherweise in das Ausgleichselement ein, und zwar insbesondere in Axialrichtung mit einer in Axialrichtung wirkenden Haltekraft. Diese wird hierbei zweckdienlicherweise von einem Federelement ausgeübt.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Rückholeinrichtung vorgesehen, die das Ausgleichselement nach einer erfolgten Ausgleichsbewegung wieder in seine Ruhe- oder Ausgangsposition bringt. Diese Rückholbewegung erfolgt hierbei insbesondere automatisch, sobald der Setzvorgang beendet ist und die auf die Werkzeugeinheit einwirkende Kraft, die die Ausgleichsbewegung hervorgerufen hat, wieder entfällt.
• Zweckdienlicherweise umfasst hierbei die Rückholeinrichtung das Halteelement. Dieses weist daher eine Doppelfunktion auf, nämlich zum einen hält es das Ausgleichselement in seiner Ausgangsposition und holt es zum anderen bei Bedarf wieder in die Ausgangsposition zurück.
• Aufgrund des in der x-y-Ebene verschieblichen Ausgleichselements und dem in Axialrichtung orientierten Halteelement wird auf dieses eine radiale Kraft über das Ausgleichselement ausgeübt, sofern eine Ausgleichsbewegung erforderlich ist. Um hier eine automatische Freigabe als auch Rückholung des Ausgleichselements zu ermöglichen ist zweckdienlicherweise das Haltelement mit einer kugel- oder kegelförmigen Spitze ausgebildet. Diese greift vorzugsweise in eine komplementäre kegelförmige Aufnahme im Ausgleichselement ein. Aufgrund dieser kegelförmigen oder schrägen Ausgestaltung wird bei Ausüben einer radialen Kraft auf das Halteelement eine in Axialrichtung wirkende Kraftkomponente erzeugt, die das Halteelement automatisch entgegen der über das Federelement ausgeübten elastischen Rückstellkraft zurückdrängt, so dass die Arretierung freigegeben wird. Umgekehrt wird durch diese Ausgestaltung eine automatische Rückholung erreicht, sofern das Halteelement wieder durch eine äußere Kraft in die Aufnahme hinein gedrückt wird.
• Für die Rückholung nach dem Setzvorgang muss die Nieteinheit wieder in die exakte axiale Orientierung gebracht werden, um für den nächsten Setzvorgang eine definierte Ausgangsposition zu haben. Aufgrund des vergleichsweise hohen Gewichts der Nieteinheit ist hierzu eine vergleichsweise hohe Rückholkraft erforderlich. Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Halteelement mit einer Druckeinheit verbunden ist, über die auf das Halteelement eine in Richtung zum Ausgleichselement wirkende Druckkraft ausübbar ist. Das Halteelement wird also mittels der Druckkraft gegen das Ausgleichselement verschoben. Aufgrund der kegelförmigen Ausgestaltung erfolgt hierbei eine automatische Rückführung des Ausgleichselements in die Ausgangslage. Somit wird die Nieteinheit in die Axialrichtung zurückgeholt. Um diese automatische Rückholung zu ermöglichen ist hierbei die Gleitbewegung des Ausgleichselements zweckdienlicherweise derart begrenzt, dass die zueinander korrespondierenden Kegelflächen der Ausgleichsplatte und des Halteelements sich noch in Radialrichtung überlappen, um die Rückstellkraft ausüben zu können.
• Im Hinblick auf einen möglichst kompakten Aufbau ist die Halterung zugleich als eine Zustelleinheit ausgebildet, die eine Zustellbewegung der Nieteinheit in Axialrichtung ermöglicht. Die Halterung verfährt daher in Axialrichtung, verschiebt dabei gleichzeitig die Ausgleichsplatte und mit dieser die Nieteinheit in Axialrichtung.
• Um ein schnelles und insbesondere flexibles Anfahren der tatsächlichen Nietloch-Position mit der Blindnieteinheit zu ermöglichen, ist gemäß einem weiteren Aspekt die Nieteinheit vorzugsweise mit einer Nachpositioniereinheit zur Feinpositionierung verbunden, welche eine Verschiebung der Nieteinheit innerhalb der Ebene senkrecht zur Axialrichtung erlaubt. Für die Feinjustierung werden daher die einzelnen Roboterarme nicht nachgefahren. Aufgrund der relativ großen Massen der Roboterarme ist dies mit vergleichsweise hohem Aufwand verbunden. Zudem kann in ungünstigen Positionen das Problem auftreten, dass für eine relativ geringe Positionsänderung mehrere Achsen des in der Regel 6-achsigen Industrie-Roboters verändert werden müssen. Durch den separaten Feinantrieb ist daher insgesamt ein sehr schnelles Anfahren an die tatsächliche Lochposition ermöglicht. Der Industrie-Roboter selbst braucht nur an seine eingelernten Soll-Positionen zu verfahren. Insgesamt lassen sich hierdurch geringe Taktzeiten erreichen.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum automatischen Setzen eines Befestigungselements, insbesondere eines Blindniets, gemäß Anspruch 28. Die im Hinblick auf den Industrie-Roboter angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
• Der vollautomatisierte Setzvorgang wird insbesondere durch das vorteilhafte Zusammenwirken folgender Bauelemente erreicht, die jeweils für sich gesehen eigenständige und erfinderische Teilaspekte unabhängig von den anderen Aspekten bilden:
• – Die Ausgestaltung der Hydraulikeinheit,
• – die Ausgestaltung der Zuführeinheit, insbesondere mit dem magnetischen Antrieb,
• – die Ausgestaltung der Ausgleichseinheit,
• – die Ausgestaltung mit dem seitlichen Zuführschlitz aus der Setzeinheit und/oder mit dem seitlichen Entnahmeschlitz an der Bereitstellungseinheit zur seitlichen Zuführung des Befestigungselements,
• – die Ausgestaltung des Magazins
• – die Anordnung und Ausbildung der Locherkennungseinheit sowie
• – die Anordnung einer separaten Nachpositioniereinheit zur Feinpositionierung Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Die einzelnen Bauteile werden hierbei im Zusammenhang mit einer Blindniet-Setzvorrichtung beschrieben. Die Verwendung der einzelnen Bauteile ist jedoch nicht auf eine Blindniet-Setzvorrichtung beschränkt. Es zeigen jeweils in teilweise schematischen und vereinfachten Darstellungen:
• 1 eine Seitenansicht eines Industrie-Roboters, dessen Roboterhand gebildet ist durch eine Blindniet-Setzvorrichtung,
• 2 eine Seitendarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Blindniet-Setzvorrichtung,
• 3 eine teilweise geschnittene Seitendarstellung einer Nieteinheit,
• 4a eine Nietzuführeinheit mit ausgefahrenem Greifelement,
• 4b eine Nietzuführeinheit mit eingefahrenem Greifelement,
• 4c eine Vorderansicht auf das Greifelement,
• 4d–4g Schnittdarstellungen durch die Nietzuführungseinheit an unterschiedlichen Längspositionen,
• 4h eine vergrößerte Schnittdarstellung durch die Nietzuführeinheit im Bereich eines Elektromagneten,
• 5 eine schematische Aufsicht auf ein Nietloch zur Erläuterung des Locherkennungssystems,
• 6 eine stark schematisierte Darstellung einer Blindniet-Setzvorrichtung,
• 7 eine Vorderansicht auf die geschlitzte Ausführung eines Mundstücks der Setzeinheit,
• 8 eine Vorderansicht auf Blindniet-Handhabungseinrichtung, über die die Blindniet-Zuführung als auch die Restdorn-Abführung erfolgt,
• 9 eine Seitenansicht eines Magazinschlauchs,
• 10 eine Vorderansicht eines Schlauchhalters und
• 11 eine stark vereinfachte Schnittdarstellung einer Hydraulikeinheit.
• In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Gemäß 1 ist als Bearbeitungswerkzeug eine Blindniet-Setzvorrichtung 2 als abgewinkelte Roboterhand 3 an einen mehrachsigen Industrie-Roboter 4 angeordnet. Die Setzvorrichtung 2 ist hierbei an der so genannten sechsten Achse des sechsachsigen Industrie-Roboters 4 austauschbar über Flansche 5A, B befestigt. Die Setzvorrichtung 2 umfasst eine Setz- oder Nieteinheit 6, eine Nietzuführeinheit 8, eine Hydraulikeinheit 10 sowie, eine Locherkennungseinheit 12. Bei der Ausführungsvariante gemäß 2 ist zusätzlich noch eine Nachpositioniereinheit 14 zur Feinpositionierung der Nieteinheit 6 innerhalb einer X-Y-Ebene vorgesehen, die senkrecht zu einer Axialrichtung 16 aufgespannt ist. Die Setzvorrichtung 2 ist insgesamt ein mechanisch steifes Gebilde. Lediglich die Nieteinheit 6 ist in gewissen Grenzen beweglich angeordnet. Der Industrie-Roboter 4 mit der Setzvorrichtung 2 ist zum vollautomatischen Setzen eines Blindniets 18 geeignet. Zur Zuführung des Blindniets 18 zu der Nietzuführeinheit 8 gemäß 1 ist als Bereitstellungseinheit 20 zur Bereitstellung und Zuführung der Niete 18 ein Schlauch vorgesehen. Über den Schlauch werden beispielsweise von einer hier nicht näher dargestellten Vereinzelungsstation Blindniete 18 einzelweise pneumatisch eingeschossen. Im Ausführungsbeispiel ist weiterhin die Nieteinheit 6 an ihrer Rückseite mit einem weiteren Schlauch verbunden, welcher ein Teil einer Restdornabführeinheit 22 ist und über den ein beim Setzvorgang anfallender Restdorn abgesaugt wird.
• Zum automatischen Setzvorgang wird der Blindniet 18 zunächst über die Bereitstellungseinheit 20 einem Greifelement 24 der Nietzuführeinheit 8 zugeführt und von diesem aufgefangen. Das Greifelement 24 wird anschließend in Axialrichtung 16 nach vorne verfahren, anschließend erfolgt eine Drehbewegung um eine parallel zu Axialrichtung 16 orientierte Drehachse 26, so dass der Blindniet 18 vor einem Mundstück 28 der Nieteinheit 6 positioniert ist. Anschließend wird das Greifelement 24 wieder in Axialrichtung 16 zurückverschoben und der Blindniet 18 wird mit seinem Nietdorn voraus in das Mundstück 28 eingeführt. Danach dreht das Greifelement 24 wieder ab, die Nieteinheit 6 wird zu einem hier nur als Strich schematisch dargestellten Werkstück 30 in Axialrichtung 16 zugestellt. Hierbei wird der Blindniet 18 mit seinem Schaft voraus in ein Nietloch 29 (vgl. 3) eingefügt, welches als Durchgangsbohrung durch zumindest zwei zu verbindende Werkstücke 30 ausgebildet ist. Der Blindniet 18 wird so weit eingefügt, bis er mit seinem Setzkopf auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Anschließend wird der im Mundstück 28 befindliche und von der Nieteinheit 6 fest umgriffene Nietdorn in Axialrichtung 16 mit Hilfe eines hydraulischen Antriebs nach hinten gezogen. Hierzu ist die Nieteinheit 6 mittels hier nicht näher dargestellten Hydraulikleitungen mit der Hydraulikeinheit 10 verbunden. Dabei bildet sich auf der dem Setzkopf abgewandten Seite des Blindniets 18 ein Schließkopf aus, so dass die beiden Werkstücke 30 miteinander fest verbunden werden. Sobald eine vorbestimmte Zugkraft überschritten wird, reißt der Nietdorn ab und wird als Restdorn über die Restdornabführungseinheit 22 abgesaugt. Anschließend fährt die Nieteinheit 6 wieder zurück und wird mittels des Industrie-Roboters 4 an die nächste, eingelernte Soll-Position verfahren, um den nächsten Setzvorgang durchzuführen.
• Für einen qualitativ hochwertigen Setzvorgang ist es erforderlich, dass der Blindniet 18 genau zum Loch 29 orientiert ist, und dass der Setzkopf plan auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Fährt der Roboter 4 das Loch 29 nicht exakt an, so dass der Blindniet 18 außermittig zum Loch 29 angeordnet ist, so muss die Längsachse des Blindniets 18 noch zentrisch zum Loch ausgerichtet werden, d. h. der Blindniet 18 muss noch lateral verschoben werden. Ist die Längsachse des Blindniets 18 gekippt also nicht parallel zur Lochachse ausgerichtet, so muss der Blindniet 18 achsparallel ausgerichtet werden, um eine plane Auflage auf dem Werkstück 30 zu gewährleisten. In diesem Fall ist es daher erforderlich, dass die Nieteinheit 6 insgesamt eine Kippbewegung um die Axialrichtung 16 ausführt. Dies ist in 2 dadurch illustriert, dass die Nieteinheit 6 einmal in exakter axialer Ausrichtung und einmal um einen Kippwinkel α versetzt dargestellt ist. Der Kippwinkel α beträgt hierbei beispielsweise 3°. Die Kippbewegung wird hierbei lediglich von der Nieteinheit 6 ausgeführt. Die restlichen Komponenten der Setzeinheit 2 sind ortsfest angeordnet. Insgesamt ist daher die Nieteinheit 6 nach Art einer elastischen Lagerung an einer Halterung 32 gelagert oder gehalten.
• Die Konstruktion und Wirkungsweise einer Ausgleichseinheit zur Ermöglichung der Ausgleichsbewegung ist aus 3 zu entnehmen. Die Nieteinheit 6 ist an einem als Gleitplatte 34 ausgebildeten Ausgleichselement über ein als Pendel- oder Gelenklager ausgebildetes Lager 36 befestigt. Das Lager 36 ermöglicht die Kippbewegung um die Axialrichtung 16 und damit relativ auch zur Gleitplatte 34. Die Gleitplatte 34 selbst ist senkrecht zur Axialrichtung 16 in der X-Y-Ebene zwischen zwei Führungswänden 38A, B der Halterung 32 verschieblich gehalten. Die Gleitplatte 34 kann innerhalb vorbestimmter Grenzen zwischen den beiden Führungswänden 38A, B in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung 16 gleiten. Die Gleitplatte 34 umschließt im Lagerbereich die Nieteinheit 6 ringförmig. Die beiden Führungswände 38A, B sind über einen Bolzen 40 miteinander fest beabstandet verbunden. Der Bolzen 40 ist durch die Gleitplatte 34 mit ausreichend großem Spiel durchgeführt.
• Im unteren Bereich ist durch die rechte Führungswand 38B ein Halteelement 42 geführt, welches mit einer kegelstumpfartigen Spitze 44 in eine kegelförmige Aufnahme 46 in der Gleitplatte 34 eingreift. Alternativ zur kegelartigen ist eine kugelartige Ausgestaltung vorgesehen. Das Halteelement 42 wird mittels Federkraft in die Aufnahme 46 gedrückt. Das Halteelement 42 schnappt daher nach Art eines Rastelements in die Aufnahme 46 ein. Hierzu ist ein Federelement 48 vorgesehen, welches auf das Halteelement 42 in Axialrichtung 16 eine Federkraft ausübt. Die Vorspannung des Federelements 48 ist einstellbar. Auf seiner der Aufnahme 46 abgewandten Rückseite weist das Halteelement 42 eine scheibenförmige Druckplatte 50 auf. Das Halteelement 42 ist daher insgesamt nach Art eines Druckkolbens ausgebildet, der an seiner vorderen Seite die Spitze 44 aufweist. Die Druckplatte 50 ist innerhalb einer nach Art eines Druckzylinders ausgebildeten und einen Druckraum 52 aufweisenden Druckeinheit 54 gleitend gelagert. Der Druckraum 52 ist in hier nicht näher dargestellter Weise an eine Druckluftleitung angeschlossen und kann bei Bedarf mit Druckluft beaufschlagt werden.
• Durch das Zusammenwirken der einzelnen Bauteile, nämlich die Führungswände 38A, B, die Gleitplatte 34, das Halteelement 42, die Lager 36 und die Druckeinheit 54, ist die die Ausgleichsbewegung ermöglichende Ausgleichseinheit geschaffen. Diese ist als eine einheitliche Komponente ausgebildet und weist ein gemeinsames Gehäuse für die einzelnen Bauteile auf. Insbesondere sind die Führungswände 38A, B Gehäusewände.
• Falls beim Setzvorgang der Blindniet 18 nicht achsparallel zu dem Nietloch angeordnet ist, wenn also der Setzkopf nicht plan auf der Oberfläche des Werkstücks 30 aufliegt, wird durch die beim Setzen auftretenden Kräfte der Blindniet 18 versuchen, sich achsparallel zu dem Nietloch 29 auszurichten. Über den Blindniet 18 wird daher eine Kraft auf das Mundstück 28 und damit auf die Nieteinheit 6 ausgeübt. Diese Kraft führt nun dazu, dass die Nieteinheit 6 auf die Gleitplatte 34 eine Kraft in Richtung senkrecht zur Axialrichtung 16 ausübt. Diese radial zur Axialrichtung 16 orientierte Kraft wird auf das Halteelement 42 übertragen. Durch die kegelförmige Ausgestaltung der Aufnahme 46 und der Spitze 44 ergibt sich eine resultierende Kraft in Axialrichtung 16, die das Halteelement 42 gegen die Federkraft des Federelements 48 nach hinten drückt, so dass die Gleitplatte 34 in der X-Y-Ebene verschiebbar ist. Die Federkraft und der Kegelwinkel sind hierbei insbesondere derart gewählt, dass die Gleitplatte 34 beispielsweise bei einem Drehmoment oberhalb von 10 Nm freigegeben wird.
• Nach dem Setzvorgang muss die Nieteinheit 6 wieder in die Orientierung in Axialrichtung 16 überführt werden. Um diese Rückführung sicher zu gewährleisten wird die Druckplatte 50 mit Druck beaufschlagt, so dass die Spitze 44 wieder in die Aufnahme 46 gepresst wird. Hierdurch wird die Gleitplatte 34 wieder in ihre Ursprungsposition zurückgezogen.
• Wie weiterhin aus 3 zu entnehmen ist, dient die Halterung 32 zugleich als Zustelleinheit für die Zustellung der Nieteinheit 6 in Axialrichtung 16. Hierzu umfasst die Halterung 32 eine Führungsstange 56, die in einer Schlittenführung 58 gehalten und hydraulisch in Axialrichtung 16 verschiebbar ist. Die Führungsstange 56 ist hierbei mit der rechten Führungswand 38B mechanisch fest verbunden und wirkt auf diese ein. Mit der rechten Führungswand 38B ist weiterhin das Gehäuse der Druckeinheit 54 verbunden, welches also mit der Führungswand 38B mitbewegt wird. Über die Führungsstange 56 wird also die Einheit – bestehend aus den beiden Führungswänden 38A, B, der Gleitplatte 34 sowie der Druckeinheit 54 – in Axialrichtung 16 verschoben.
• In 3 ist weiterhin eine kombinierte Laser-Kameraeinheit 60 dargestellt, die schräg zur Axialrichtung 16 orientiert in hier nicht näher dargestellter Weise an der Setzeinheit 2 befestigt ist. Die Einheit 60 weist als Lichtquelle einen Laser sowie eine optische Kamera auf, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind. Die Locherkennungseinheit 12 ist insbesondere in Zusammenhang mit der Anordnung der Nachpositioniereinheit 14 sinnvoll. Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Ausgleichseinheit ist darin zu sehen, dass auf die Nachpositionierung und Lochfindung verzichtet werden kann. Bevorzugt sind daher diese beiden Komponenten nicht vorgesehen, wenn die Ausgleichseinheit verwirklicht ist. Weiterhin ist in 3 das Greifelement 24 in der zurückgezogenen Position sowie in der vorderen ausgezogenen Position dargestellt. Aus der vorderen ausgezogenen Position, die auch als Drehposition bezeichnet wird, wird der Blindniet 18 durch eine Drehbewegung um die Drehachse 26 vor das Mundstück 28 gebracht.
• Der Aufbau der Nietzuführeinheit 8 sowie ihre Funktion wird nachfolgend anhand der 4a–4h näher erläutert. Wie aus den 4a und 4b zu entnehmen ist, umfasst die Nietzuführeinheit 8 ein äußeres als Pneumatikzylinder ausgebildetes Führungsrohr 62, in dem teleskopartig eine als Drehelement ausgebildete Hohlkolbenstange 64 in Axialrichtung 16 verschieblich gehalten und geführt ist. Die Hohlkolbenstange 64 ist als Doppelrohr mit einem Außenrohr 64a und einem Innenrohr 64b ausgebildet. Am vorderen Ende des Innenrohrs 64b ist das Greifelement 24 angeordnet. Die Hohlkolbenstange 64 ist zum Führungsrohr 62 über eine vordere als Kolbenring ausgebildete Kolbendichtung 66a und eine hintere Gleitdichtung 66b abgedichtet. Im Raum zwischen diesen beiden Dichtungen 66a, 66b im Bereich der hinteren Gleitdichtung 66b ist ein Pneumatikantrieb zur Verschiebung der Hohlkolbenstange 64 innerhalb des Führungsrohrs 62 in Axialrichtung vorgesehen. Hierzu ist ein Anschluss 68 angeordnet, über den eine Pneumatikleitung anschließbar ist.
• Zur Ausübung der Drehbewegung ist ein magnetischer Antrieb vorgesehen. Zur Ausbildung dieses magnetischen Antriebs ist am rückseitigen Ende des Innenrohrs 64b ein Permanentmagnet 70 angeordnet. Umlaufend um das Innenrohr 64b sind am Führungsrohr 62 ortsfest gehalten mehrere Magnetspulen 72 geeignet angeordnet, so dass um den Umfang des Innenrohrs 64b mehrere elektromagnetische Pole 74 ausgebildet sind, die bei Bedarf umgepolt werden können (vgl. hierzu insbesondere die 4e, 4f sowie 4h). Das Innenrohr 64b kann daher als ein Rotor eines Elektromotors angesehen werden.
• Bei der hier beschriebenen Doppelrohr-Ausgestaltung der Hohlkolbenstange ist in vorteilhafter Weise eine Entkopplung der Drehbewegung von der Axialbewegung erreicht. Alternativ hierzu kann die Hohlkolbenstange prinzipiell auch als einfaches Rohr oder einfache Welle ausgebildet sein. Bei der in 4h dargestellten Ausführungsvariante sind insgesamt vier elektromagnetische Pole 74 vorgesehen, wobei jeweils zwei Pole 74 um 180° versetzt einander gegenüberliegend angeordnet sind. Diese Anordnung der versetzt zueinander angeordneten Pole 74 definieren feste Winkelpositionen. Durch geeignete Ansteuerung der Magnetspulen 72 besteht daher die Möglichkeit, das Innenrohr 64b in fest definierte Winkelstellungen zu bringen. Das Innenrohr 64b und damit das Greifelement 24 werden daher in die jeweils gewünschte, fest definierte Drehposition entweder zur Übernahme des Blindniets 18 aus der Nietzuführung 20 oder zur Übergabe des Blindniets 8 in das Mundstück 28 gebracht.
• Wie aus der 4h zu entnehmen ist der Permanentmagnet 70 in einen Schlitz der Hohlkolbenstange 64 eingefügt und durchdringt daher diese. Im Bereich seiner Pole weist der Permanentmagnet jeweils eine Nase oder einen Vorsprung auf. Korrespondierend hierzu ist auch der Kern der Elektromagnete 74 mit einem entsprechenden Vorsprung versehen. Durch diese Ausgestaltung ist in diesem Bereich nur ein sehr kleiner Spalt erzielt, so dass der magnetische Fluss möglichst nicht unterbrochen ist. Zudem liegt durch die Verengung in diesem Bereich eine hohe magnetische Flussdichte vor, so dass eine große magnetische Haltekraft in der definierten Winkelstellung erreicht ist. Diese Haltekraft ist durch die Magnetisierung bereits alleine durch den Permanentmagneten 70 ausreichend groß, so dass das Innenrohr 64b bereits ohne Elektromagnet in der definierten Winkelstellung gehalten wird. Soll eine andere Winkelstellung eingenommen werden, so wird durch die Zuschaltung des Elektromagneten durch einen gegengerichteten Magnetfluss ein „Umpolen” hervorgerufen und das Innenrohr 64b dreht sich in die neue Sollposition.
• Bei der Querschnittsdarstellung gemäß 4e ist eine alternative Ausführungsvariante mit insgesamt drei Paaren von Polen 74 dargestellt, wodurch drei diskrete Winkelstellungen definiert sind. Die dritte Winkelstellung definiert hier eine Winkelstellung, bei der der Restdorn an definierter Stelle an die Restdornabführeinheit 22 angegeben wird. In den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 ist dies nicht erforderlich, da hier die Restdornabführung rückwärtig über eine Restdornabsaugung erfolgt.
• Am rückseitigen Ende der Holkolbenstange 64 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei um 180° zueinander drehversetzte Führungsstege 76 vorgesehen, die mechanisch fest mit dem Innenrohr 64b verbunden sind. Hierzu ist ein entsprechendes Element an der Rückseite der Hohlkolbenstange 64 befestigt. Korrespondierend hierzu ist das Führungsrohr 62 mit komplementär hierzu ausgebildeten Führungsnuten 78 versehen (vgl. 4g). Diese Führungsnuten 78 sind in einem rückwärtigen Bereich 80 ausgebildet. Die Führungsnuten 78 dienen zur axialen Führung des Führungsrohrs 62 in einer definierten Winkelposition, verhindern also eine Drehbewegung des Innenrohrs 64b. Prinzipiell ist auch ein einzelner Führungssteg 76 ausreichend. In einer hier nicht dargestellten Alternative ist zur Führung in einer weiteren definierten Winkelposition zumindest ein weiterer Führungssteg und korrespondierend hierzu eine weitere Führungsnut vorgesehen.
• Zur Steuerung des Bewegungsablaufs der Nietzuführeinheit 8 ist eine Steuereinheit 82 vorgesehen, die in 4c nur schematisch dargestellt ist. Diese ist mit einem hier nicht näher dargestellten Sensor verbunden, welcher erfasst, ob in der Auffangposition des Greifelements 24 ein Blindniet 18 bereits eingeschossen ist. Weiterhin ist die Steuereinheit mit den Magnetspulen 72 zu deren Ansteuerung verbunden. Auch wird über die Steuereinheit 82 der pneumatische Vorschub der nach Art einer Welle ausgebildeten Hohlkolbenstange 64 gesteuert.
• Sobald erfasst wird, dass sich ein Blindniet 18 in der Auffangposition befindet, werden die Magnetspulen 72 entsprechend gepolt, um die Hohlkolbenstange 64 von der unteren Winkelstellung in die obere Winkelstellung zu überführen. Da jedoch in der zurückgezogenen Position, in der der Blindniet 18 aufgefangen wird, der Permanentmagnet 70 sich im rückwärtigen Bereich 80 befindet, erfolgt noch keine Drehung. Gleichzeitig wird der Pneumatikantrieb aktiviert, so dass die Hohlkolbenstange 64 nach vorne in Axialrichtung 16 verfährt. Sobald der Permanentmagnet 70 den Bereich erreicht, in dem die Magnetspulen 72 angeordnet sind, erfolgt die magnetisch gesteuerte Drehbewegung bis zu einer definierten Drehposition, in der sich der Blindniet 18 vor dem Mundstück 28 der Setzeinheit 6 befindet. Da die Magnetspulen 72 ortsfest positioniert sind, erfolgt die Drehbewegung immer nur in ausgefahrener Stellung an der vorbestimmten Drehposition. Im nächsten Schritt wird der Blindniet 18 mit seinem Dorn durch ein axiales Zurückfahren in das Mundstück 28 eingeführt. Hierbei wird die Hohlkolbenstange 64 durch hier nicht dargestellte weitere Führungsstege in einer zweiten Winkelposition definiert in Axialrichtung 16 geführt.
• Wieder Bezug nehmend auf 2 wird nachfolgend das Nietlocherkennungssystem sowie dessen Zusammenwirken mit der Nachpositioniereinheit 14 zur Feinpositionierung der Nieteinheit 6 beschrieben. Zum automatischen Setzvorgang verfährt zunächst der Industrieroboter 4 in eine eingelernte Sollposition. Da aufgrund von Toleranzeffekten üblicherweise die eingelernte Sollposition nicht exakt mit der tatsächlichen Position übereinstimmt, da also die Nieteinheit 6 üblicherweise nicht exakt über dem Nietloch 29 orientiert ist, ist eine Feinpositionierung der Nieteinheit 6 erforderlich. Hierzu ist die Locherkennungseinheit 12 vorgesehen. Mit Hilfe der kombinierten Laser-Kameraeinheit 60 wird ein Bereich um die Sollposition mit drei drehversetzt zueinander angeordneten Laserlinien 83 ausgeleuchtet (vgl. hierzu auch 5). Mit Hilfe der in der Laser-Kameraeinheit 60 integrierten Kamera werden permanent Bilder aufgenommen und mit Hilfe einer Auswerteeinheit 84 ausgewertet. Zur Auswertung und Bestimmung der Position des Nietlochs 29 wird eine Kantenerkennung des Lochrands 88 durchgeführt. Sobald die Position des Nietlochs 29 erkannt wird, vergleicht die Auswerteeinheit 84 dies mit der aktuellen Ist-Position der Nieteinheit 6. Liegt eine Abweichung vor, so wird an die Nachpositioniereinheit 14 ein entsprechender Steuerimpuls übermittelt und die Nieteinheit 6 wird in die erforderliche tatsächliche Position nachgefahren. Zweckdienlicherweise wird bei dieser Feinpositionierung die Lochposition fortdauernd erfasst und überwacht, um im Bedarf nach Art einer Regelung in die Feinpositionierung eingreifen zu können.
• Die Nachpositioniereinheit 14 ist hierbei insbesondere als ein Linearantrieb mit zwei Freiheitsgraden in der X- und Y-Ebene ausgebildet. Sie ist alternativ oder in Ergänzung zu dem zu der 3 beschriebenen die Ausgleichsbewegung ermöglichende Lagerung vorgesehen.
• Bei der Setzvorrichtung 2 gemäß 6 weist das aus einem Stück gebildete Mundstück 28 einen seitlichen Zuführschlitz 90 auf, welcher sich entlang der Axialrichtung 16 der Nieteinheit 6 erstreckt. Die geschlitzte Ausführung des Mundstücks 28 ist aus der schematischen Darstellung gemäß 7 nochmals deutlich zu entnehmen.
• Die Nieteinheit 6 ist über die Halterung 32 an einer Lineareinheit 92 und über diese an der Bereitstellungseinheit 20 befestigt. Die Lineareinheit 92 ermöglicht eine Zustellbewegung der Nieteinheit 6 in Axialrichtung 16 unabhängig von einer Bewegung der Bereitstellungseinheit 20. Diese ist wiederum über die hier nicht näher dargestellte Nachpositioniereinheit 14 in der X-Y-Ebene verfahrbar.
• Die Nieteinheit 6 ist in der Halterung 32 zur Ermöglichung von Kipp- oder Ausgleichsbewegungen elastisch gehalten. Insbesondere weist die Halterung hier die zu 2 beschriebene Ausgestaltung auf.
• Die Bereitstellungseinheit 20 weist einen um die Drehachse 26 um 360° drehbar angeordneten Dreharm 96 auf, welcher im Ausführungsbeispiel zwei Greifelemente 24A, 24B aufweist (vgl. hierzu auch 8).
• Der Bereitstellungseinheit 20 wird rückseitig ein Zuführschlauch 98 zugeführt sowie ein Restdornschlauch als Restdornabführeinheit 22 abgeführt. Über den Zuführschlauch 98 wird jeweils ein Blindniet 18 mit seiner Blindniethülse voraus in eine Halteposition eingeschossen und dort gehalten, wie in 6 dargestellt ist. Der Blindniet 18 wird hierbei von einer im Dreharm 96 integrierten Fangeinrichtung aufgefangen. Die Fangeinrichtung ist im Ausführungsbeispiel im Greifelement 24B integriert bzw. das Greifelement 24B ist die Fangeinrichtung. Das Greifelement 24B greift daher den Blindniet 18 an seiner Blindniethülse. In der Halteposition des Blindniets 18 verbleibt der Blindnietdorn in der Bereitstellungseinheit 20. Diese weist im Bereich der Halteposition einen ersten Entnahmeschlitz 100 auf, aus dem der Blindniet 18 seitlich allein aufgrund einer Drehbewegung des Dreharms 96 herausgeführt werden kann. Gegenüberliegend zum ersten Entnahmeschlitz 100 ist ein weiterer Schlitz 102 vorgesehen, über den der Bereitstellungseinheit 20 ein Restdorn über das Greifelement 24A wieder zugeführt wird, nachdem der Blindniet 18 gesetzt wurde.
• Zur Zuführung des Blindniets 18 in das Mundstück 28 wird zunächst der Blindniet 18 in die Halteposition und damit in das Greifelement 24B eingeschossen und von diesem gegriffen. Anschließend erfolgt eine Drehbewegung des Dreharms 96 um die Drehachse 26, so dass der Blindniet 18 seitlich aus dem Entnahmeschlitz 100 herausgeführt wird und der Dreharm 96 nach oben in Richtung zum Mundstück 28 gedreht wird. Sofern eine vorherige Setzoperation erfolgte, liegt im Mundstück 28 ein Restdorn zur Abholung bereit. Dieser wird durch eine interne, hier nicht näher dargestellte Mechanik der Nieteinheit 6, insbesondere Federmechanik, nach dem eigentlichen Setzvorgang in Axialrichtung 16 nach vorne geschoben, so dass er möglichst weit aus dem Mundstück 16 heraussteht. Dieser Restdorn wird vom Greifelement 24A gegriffen. Anschließend fährt die Nieteinheit 6 in Axialrichtung 16 so weit zurück, dass der ergriffene Restdorn vor dem Mundstück 28 durch eine weitergehende Drehung weitergeführt werden kann. Hierbei ist nur eine geringe Rückstellbewegung der Nieteinheit 6 erforderlich.
• Anschließend kann die Nieteinheit 6 bereits wieder vorfahren und durch eine weitere Drehbewegung des Dreharms 96 wird der vom Greifelement 24B gehaltene Blindniet 18 durch den Zuführschlitz 90 dem Mundstück 28 seitlich zugeführt, ohne dass eine weitergehende Bewegung der Nieteinheit 6 in Axialrichtung 16 erfolgen muss.
• Durch eine Weiterdrehung des Dreharms 96 wird der vom Greifelement 24A gehaltene Restdorn der Bereitstellungseinheit über den weiteren Schlitz 102 seitlich zugeführt und aus dieser Position über den Restdorn-Schlauch abgesaugt und somit entsorgt. Alternativ hierzu wird der Restdorn unmittelbar von der Nieteinheit 6 abgesaugt oder in einem Restdornsammelbehälter gesammelt.
• Anstelle des einzelweisen Einschießens der Blindniete 18 aus einer Vereinzelungsstation in die Bereitstellungseinheit 20 ist ein Magazinschlauch 104 vorgesehen, wie er in 9 schematisch dargestellt ist. Der Magazinschlauch 104 ist insbesondere ein Teilstück eines herkömmlichen Zuführschlauchs und weist einen Innendurchmesser d1 auf, welcher an den durch den Setzkopf 18A des Blindniets 18 definierten Außendurchmesser d2 des Blindniets 18 angepasst ist. Hierbei ist d1 etwas größer als d2, um innerhalb des Magazinschlauchs 104 ein Verklemmen der Blindniete 18 zu vermeiden. An seinem vorderen Ende weist der Magazinschlauch 104 ein Halteelement 106 auf, welches eine Halte- oder Stoppposition für den Blindniet 18 bildet, welcher als nächstes vom Greifelement 24 gegriffen wird. Das Halteelement 106 ist hierbei derart ausgebildet, dass es die Entnahme des Blindniets 18 aus dem Magazinschlauch 104 nicht behindert. Hierzu besteht es beispielsweise aus mehreren Segmenten, die in radialer Richtungen gegen eine Federkraft auseinandergedrückt werden, wenn das Greifelement den Blindniet 18 nach vorne zieht. Die einzelnen Segmente des Halteelements 106 sind hierzu zur zentralen Achse des Magazinschlauchs 104 hin abgeschrägt ausgebildet. Durch die schräge Ausgestaltung ist zudem ein Einführtrichter für die Niethülse 18B des Blindniets 18 gebildet, mit der er voraus zugeführt wird. An den Setzkopf 18A schließt sich gegenüberliegend der Niethülse 18B noch der Nietdorn 18C an.
• Der Magazinschlauch 104 wird in einer Befüllstation automatisch oder auch manuell befüllt. Anschließend wird der Magazinschlauch 104 zur Bereitstellungseinheit 20 gebracht und dort in einem Schlauchhalter 108 eingesetzt, wie er beispielsweise in 10 dargestellt ist. Der Schlauchhalter 108 ist hierbei nach Art eines Haltesterns ausgebildet und weist um seinen Umfang verteilt mehrere Klemm- oder Rastöffnungen 110 auf, in die der jeweilige Magazinschlauch 104 ein-geklippst wird. Beim Betrieb wird jeweils einer der Magazinschläuche 104 in eine Entnahmeposition gebracht, aus der das Greifelement 24 die in diesem Magazinschlauch 104 bevorrateten Blindniete 18 entnimmt. Anschließend dreht das Halteelement 106, bis der nächste Magazinschlauch 104 in der Entnahmeposition ist. Anstelle des einzelweise Bestückens des Halteelements 106 mit mehreren Magazinschläuchen 104 ist zur Auffüllung des Magazins ein vollständiger Austausch der Einheit bestehend aus dem Halteelement 106 und den darin eingeklippsten Magazinschläuchen 104 vorgesehen.
• Wie aus 9 zu erkennen ist, überlappen sich die einzelnen Blindniete 18 durch eine Schrägstellung teilweise, und zwar derart, dass jeweils die Niethülse 18B den Nietdorn 18C des vorausgehenden Blindniets 18 überlappt. Hierdurch ist eine kompakte Anordnung des Blindniets 18 erreicht. Gleichzeitig ist aber jeder einzelne Blindniet 18 problemlos einzelweise über das Greifelement 24 zu entnehmen. Um die Blindniete 18 jeweils nach vorne zum Halteelement 106 zu befördern ist in hier nicht näher dargestellter Weise der Magazinschlauch 104 zum Anschluss an eine Druckluftversorgung vorgesehen. Hierzu weist der Magazinschlauch 104 an seinem rückwärtigen Ende beispielsweise einen Pneumatikanschluss auf, mit dem er an eine Pneumatik-Versorgung angesteckt wird. Der besondere Vorteil des Blindnietmagazins, insbesondere in der hier beschriebenen konstruktiv sehr einfachen Ausgestaltung eines Magazinschlauchs 104 ist darin zu sehen, dass das Magazin unmittelbar am Roboter, insbesondere an der Roboterhand angeordnet ist und somit eine aufwändige Zuführung über Zuführschläuche nicht notwendig ist. Da hier lediglich äußerst kurze Zuführwege über die Länge des Magazinschlauchs erforderlich sind, sind nur sehr geringe Druckluftmengen oder Luftdrücke erforderlich. Weiterhin ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass eine zentrale Befüllstation für das Magazin bestehend aus dem Schlauchhalter 108 und den Magazinschläuchen 104 vorgesehen ist, wobei von der zentralen Befüllstation aus mehrere Roboter 4 versorgt werden.
• Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass die leeren Magazinschläuche 104 nach Verbrauch der Blindniete 18 zugleich als Restdorn-Sammelbehälter herangezogen werden. Zu Beginn bei vollem Magazin ist daher ein Magazinschlauch 104 als Restdornschlauch als Leerschlauch vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung wird durch das Auswechseln des Magazins zugleich eine Restdornentsorgung automatisch vorgenommen und es entfällt eine separate Restdornentsorgung.
• Die in 11 stark vereinfacht dargestellte Hydraulikeinheit 10 weist insgesamt ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 124 auf, dessen Innenraum 125 einen Speicherraum für die Hydraulikflüssigkeit bildet und hermetisch abgedichtet ist. Das Gehäuse 124 ist an seiner linken Stirnseite durch einen nach Art eines Gehäusedeckels ausgebildeten Steuer- oder Funktionsblock 126 verschlossen. An der dem Funktionsblock 126 gegenüberliegenden rechten Stirnseite weist die Hydraulikeinheit 10 einen Ausgleichsblock 128 auf, welcher das Gehäuse 124 an der hinteren Stirnseite verschließt. Zwischen diesen beiden Blöcken 126, 128 ist ein Druckerzeugungsblock 130 angeordnet.
• Der Druckerzeugungsblock 130 ist im Wesentlichen gebildet durch einen als Wechselstrom-Servomotor ausgebildeten Unteröl-Elektromotor 134 sowie mehreren, als Kolbenpumpen ausgebildete Pumpen 136, die ringförmig um eine Exzenterwelle 138 angeordnet von dieser abwechselnd betätigt werden. Die Pumpen 136 werden daher vom Elektromotor 134 direkt ohne Zwischenschaltung eines Getriebes betrieben. An jede der Pumpen 136 schließt sich druckseitig eine als Kanal ausgebildete Druckleitung 144 an, die zu einer Ventilanordnung 145 im Funktionsblock 6 führt. Die Saugseite der Pumpen 136 ist jeweils mit dem Innenraum 125 verbunden, in dem sich das Hydrauliköl befindet. Um die Exzenterwelle 138 herum sind bevorzugt insgesamt sechs Pumpen 136 ringförmig angeordnet, wobei abwechselnd benachbarte Pumpen 136 für die Erzeugung zweier unterschiedlicher Druck-Teilströme vorgesehen sind, nämlich eines Niederdruck-Teilstroms 140 mit einem Druck in Höhe von etwa 200 × 10^–5 Pa sowie eines Hochdruck-Teilstroms 142 mit einem Druck in Höhe von etwa 500 × 10^–5 Pa.
• In dem als massiver Metalldeckel ausgebildeten Funktionsblock 126 sind eine Vielzahl von Kanälen zur Ausbildung von Hydraulikleitungen sowie Bohrungen für die Anordnung von Hydraulikventilen eingebracht, so dass der Funktionsblock 126 einen Ventilblock bildet mit integrierter Ventilanordnung 145.
• Sämtliche hydraulische Steuerelemente sind im Funktionsblock 126 integriert. Über den Funktionsblock 126 wird das an einem Ausgang 146 bereitgestellte Hydrauliköl gesteuert, das heißt, über den Funktionsblock 126 wird der Hydraulikdruck am Ausgang 146 gesteuert. Es sind nachfolgend keine hydraulischen Steuerelemente mehr erforderlich.
• Vielmehr lässt sich direkt am Ausgang 146 eine Hydraulikleitung anschließen und mit einem entsprechenden Hydraulikeingang mit der Nieteinheit 6 verbinden.
• Der Ausgleichsblock 128 umfasst eine durch das Gehäuse 124 gebildete, ringförmige oder zylindrische Gehäusewand, die einen zum Innenraum 125 offenen Zylinder 150 ausbildet. In diesem Zylinder 150 ist ein eine Ausgleichswand bildender Kolben 152 passgenau angeordnet. Der Kolben 152 ist zu der Innenwandung des Zylinders 150 abgedichtet und in Längsrichtung relativ zum Zylinder 150 verschieblich angeordnet. Der Kolben 152 ist als Hohlkolben ausgebildet, der sich ebenso wie der Zylinder 150 im Querschnitt gesehen stufenförmig erweitert. Der Hohlraum des Kolbens 152 bildet einen weiteren Druckraum 154, der über einen Pneumatikanschluss mit einem vorgebbaren Druck beaufschlagbar ist. Der weitere Druckraum 154 ist rückseitig durch eine ortsfeste Stirnwand des Gehäuses 124 begrenzt. Durch die dargestellte Ausgestaltung ist ein Druckverstärker und Medienwandler geschaffen. Zum Betrieb der Hydraulikeinheit 10 wird der Innenraum 125 komplett mit einer Hydraulikflüssigkeit angefüllt, insbesondere Hydrauliköl, so dass der Elektromotor 134 und mit ihm die Pumpen 136 im Hydrauliköl gelagert sind. Der gesamte Innenraum 125 ist gas- und luftfrei. Um dies sicher aufrechtzuerhalten, wird über den Druckerzeugungsblock 130 durch Anlegen eines entsprechenden Pneumatikdrucks im Druckraum 154 ein Gegendruck von etwa 5 – 15 × 10^–5 Pa erzeugt. Der gesamte Gehäuseinnenraum 125 steht daher unter einem Überdruck.
• Zur Bereitstellung der Hydraulikflüssigkeit am Ausgang 146 unter hohem Druck wird der Elektromotor 134 bedarfsweise gestartet. Das heißt, der Hydraulikdruck wird nur dann erzeugt, wenn tatsächlich Bedarf da ist, wenn also beispielsweise der Blindniet 18 bereits in das Blindnietloch 29 eingeführt ist und der Setzvorgang durch Ziehen am Nietdorn beginnt. Es ist kein Druckbehälter vorgesehen. Über den Elektromotor 134 wird die Exzenterwelle 138 in Drehbewegung versetzt, so dass abwechselnd und umlaufend die einzelnen Pumpen 136 betätigt werden, die jeweils eine vordefinierte Menge an Hydraulikflüssigkeit in die Druckleitung 144 und damit zum Funktionsblock 126 fördern.
• Da während des Betriebs die Hydraulikmenge im Innenraum 125 variiert, ist zur Vermeidung der Entstehung von Gasbläschen in der Hydraulikflüssigkeit das Volumen des Innenraums 125 variierbar. Das Volumen des Innenraums 125 bildet daher ein Ausgleichsvolumen und der Innenraum 125 bildet einen Speicherraum. Zur Variation des Volumens verfährt der Kolben 152 innerhalb des Zylinders 150 entsprechend den jeweiligen aktuellen Anforderungen automatisch.
• Beim Setzvorgang wird automatisch und bedarfsabhängig zwischen den beiden Teilströmen 140 und 142 mit Hilfe der Ventilanordnung 145 umgeschaltet, so dass am Ausgang 146 jeweils nur ein Teilstrom 140, 142 bereitgestellt ist. Der andere Teilstrom 142, 140 ist jeweils drucklos geschaltet.
• Das hier beschriebene Hydraulikaggregat zeichnet sich zum anderen durch seinen sehr kompakten Aufbau bei gleichzeitiger Erzeugung von sehr hohen Drücken aus. Zweckdienlicherweise weist das Hydraulikaggregat ein in etwa zylinderförmiges Gehäuse auf, welches eine Länge von lediglich etwa 30–40 cm bei einem Durchmesser von etwa 12 cm aufweist. Gleichzeitig ist das Hydraulikaggregat zur Bereitstellung insbesondere der zwei Druck-Teilströme vorgesehen, wobei der Niederdruck-Teilstrom beispielsweise für etwa 200 × 10⁵ Pa und der Hochdruck-Teilstrom vorzugsweise für 500 × 10⁵ Pa vorgesehen ist. Bereits mit einem gesamten Bauraum von 3.000 bis 10.000 ccm ist daher ein mobiles Hydraulikaggregat geschaffen, welches zwei Hydraulik-Teilströme mit 100 bis 300 bar und 300 bis 700 bar Druck ermöglicht. Das gesamte Volumen der Hydraulikflüssigkeit innerhalb des Hydraulikaggregats beträgt hierbei vorzugsweise lediglich etwa 500 ml. Das Hydraulikaggregat zeichnet sich insgesamt durch eine hohe Leistungsdichte bei geringem Energieeinsatz aus. Da keinerlei Druckbegrenzungsventile vorgesehen sind und das Hydraulikaggregat im Abschaltbetrieb betrieben wird, also nur dann wenn tatsächlich eine Druckanforderung besteht, treten nur geringe Energieverluste auf und der notwendige Energieeinsatz ist gering. Dies erlaubt die Verwendung eines vergleichsweise leistungsschwachen und kompakten Elektromotors.
• Bezugszeichenliste

2

Bearbeitungswerkzeug (Setzvorrichtung)

3

Roboterhand

4

Industrie-Roboter

5A, B

Flansch

6

Setzeinheit

8

Zuführeinheit

10

Hydraulikeinheit

12

Locherkennungseinheit

14

Nachpositioniereinheit

16

Axialrichtung

18

Befestigungselement (Blindniet)

18A

Setzkopf

18B

Niethülse

18C

Nietdorn

20

Bereitstellungseinheit

22

Restdornabführeinheit

24

Greifelement

26

Drehachse

28

Mundstück

29

Nietloch

30

Werkstück

32

Halterung

34

Ausgleichselement (Gleitplatte)

36

Lager

38A, B

Führungswände

40

Bolzen

42

Halteelement

44

Spitze

46

Aufnahme

48

Federelement

50

Druckplatte

52

Druckraum

54

Druckeinheit

56

Führungsstange

58

Schlittenführung

60

Laser-Kameraeinheit

62

Führungsrohr

64

Drehelement (Hohlkolbenstange)

64a

Außenrohr

64b

Innenrohr

66a

Kolbendichtung

66b

Gleitdichtung

68

Anschluss

70

Permanentmagnet

72

Magnetspulen

74

Elektromagnetische Pole

76

Führungsstege

78

Führungsnuten

80

Rückwärtiger Bereich

82

Steuereinheit

83

Laserlinien

84

Auswerteeinheit

88

Lochrand

90

Zuführschlitz

92

Lineareinheit

96

Dreharm

98

Zuführschlauch

100

Entnahmeschlitz

102

weiterer Schlitz

104

Magazinschlauch

106

Halteelement

108

Schlauchhalter

110

Klemmöffnungen

124

Gehäuse

125

Innenraum

126

Funktionsblock

128

Ausgleichsblock

130

Druckerzeugungsblock

134

Elektromotor

136

Pumpe

138

Exzenterwelle

140

Niederdruck-Teilstrom

142

Hochdruck-Teilstrom

144

Druckleitung

145

Ventilanordnung

146

Ausgang

150

Zylinder

152

Kolben

154

weiterer Druckraum

α

Kippwinkel

d1

Innendurchmesser

d2

Außendurchmesser

Claims (28)

1. Roboterhand (3), die ein Bearbeitungswerkzeug (2) aufweist, das zur Ausübung einer hydraulisch veranlassten Bewegung ausgebildet ist, und die weiterhin eine Hydraulikeinheit (10) umfasst, die mit dem Bearbeitungswerkzeug (2) verbunden ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug (2) eine Setzeinheit (6) zur Befestigung eines Befestigungselements (18) an einem Werkstück umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Locherkennungseinheit (12) vorgesehen ist, die zur Erkennung der Position eines Lochs (29) für das Befestigungselement (18) ausgebildet ist.
2. Roboterhand (3) nach Anspruch 1, bei der die Locherkennungseinheit (12) eine Lichtquelle und eine optische Kamera sowie eine Auswerteeinheit (84) zur Auswertung der von der Kamera aufgenommenen Bilder aufweist.
3. Roboterhand (3) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Locherkennungseinheit (12) derart ausgebildet ist, dass über eine Kantenerkennung des Lochrands (88) die Position des Nietlochs (29) bestimmt wird.
4. Roboterhand (3) nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Lichtquelle ein Zeilenlaser ist, der zumindest drei Laserlinien (83) erzeugt, die unter einem vorbestimmten Drehwinkel zueinander versetzt angeordnet sind.
5. Roboterhand (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Hydraulikeinheit (10) einen Elektromotor (134) und zumindest eine über den Elektromotor (134) betriebene Pumpe (136) zur Druckerzeugung aufweist, wobei für die von der Pumpe (136) angesaugte Hydraulikflüssigkeit ein Speicherraum mit einem variierbaren Ausgleichsvolumen vorgesehen ist, in dem die Hydraulikflüssigkeit gasfrei und insbesondere unter Druck stehend eingeschlossen ist.
6. Roboterhand (3) nach Anspruch 5, bei der die Hydraulikeinheit (10) ein Gehäuse (124) aufweist, in dessen Innenraum (125) der Elektromotor (134) und die Pumpe (136) angeordnet sind und der Innenraum (125) den mit der Hydraulikflüssigkeit angefüllten Speicherraum bildet.
7. Roboterhand (3) nach Anspruch 5 oder 6, bei der eine Ausgleichswand des Speicherraums nach Art eines Kolbens (152) verschieblich und abgedichtet zu einer feststehenden Gehäusewand des Speicherraums angeordnet ist.
8. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der zumindest zwei Pumpen (136) zur Bereitstellung eines Niederdruck-Teilstroms (140) sowie eines Hockdruck-Teilstroms (142) vorgesehen sind, die insbesondere gemeinsam vom Elektromotor (134) betätigt werden.
9. Roboterhand (3) nach Anspruch 8, bei der eine Ventilanordnung (145) vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass jeweils nur ein Teilstrom (140, 142) am Ausgang (146) bereitgestellt ist, während der andere Teilstrom (142, 140) insbesondere drucklos geschalten ist.
10. Roboterhand (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bearbeitungswerkzeug (2) eine Zuführeinheit (8) zur automatischen Zuführung des Befestigungselements (18) zur Setzeinheit (6) umfasst, wobei die Zuführeinheit ein Greifelement (24) für das Befestigungselement (18) aufweist, das zur automatischen Aufnahme des Befestigungselements (18) aus einer Bereitstellungseinheit (20) und zur automatischen Zuführung zur Setzeinheit (6) ausgebildet ist und hierzu in einer Axialrichtung (16) verschiebbar und/oder um die Axialrichtung (16) drehbar ist.
11. Roboterhand (3) nach Anspruch 10, bei der das Greifelement (24) an einem um die Axialrichtung (16) rotierbaren Drehelement (64) angeordnet ist, wobei zumindest ein Elektromagnet (72, 74) vorgesehen ist, der derart ausgebildet ist, dass durch eine magnetische Kraft ein auf das Drehelement (64) einwirkendes Drehmoment erzeugt wird.
12. Roboterhand (3) nach Anspruch 10 oder 11, bei der am Drehelement (64) ein Permanentmagnet (70) angeordnet ist.
13. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der das Drehelement (64) zugleich in Axialrichtung (16) verschiebbar ist.
14. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der das das Drehelement (64) in einem rückwärtigen Bereich (80), aus dem das Drehelement (64) aus einer rückgezogenen Position in eine vordere Drehposition axial verfahrbar ist, eine axiale Zwangsführung aufweist.
15. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Setzeinheit (6) einen seitlichen Zuführschlitz (90) zur seitlichen Zuführung des Befestigungselements (18) aufweist.
16. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die Bereitstellungseinheit (20) einen seitlichen Entnahmeschlitz zur seitlichen Entnahme des Befestigungselements (18) durch das Greifelement (24) aufweist.
17. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei der die Bereitstellungseinheit (20) ein Magazin (104) zur Bevorratung mehrerer Befestigungselemente (18) aufweist.
18. Roboterhand (3) nach Anspruch 17, bei der das Magazin (104) zumindest einen Magazinschlauch (104) umfasst, der zur aneinandergereihten Aufnahme mehrerer Befestigungselemente (18) ausgebildet ist.
19. Roboterhand (3) nach Anspruch 18, bei der der Magazinschlauch (104) mit Druckluft beaufschlagbar ist.
20. Roboterhand (3) nach Anspruch 17 oder 18, bei der mehrere Magazinschläuche (104) in einem verfahrbaren Schlauchhalter (108) gehalten sind, der derart ausgebildet ist, dass jeweils einer der Magazinschläuche (104) in einer Entnahmestellung ist, in der die Befestigungselemente (18) abgegeben werden.
21. Roboterhand (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Ausgleichseinheit vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass das Bearbeitungswerkzeug (2), insbesondere die Setzeinheit (6), in Axialrichtung (16) orientiert derart gelagert ist, dass eine Ausgleichsbewegung in einer senkrecht zur Axialrichtung (16) orientierten Ebene ermöglicht ist.
22. Roboterhand (3) nach Anspruch 21, bei der ein Halteelement (42) vorgesehen ist, das die Werkzeugeinheit (6) in einer definierten Position innerhalb der Ebene senkrecht zur Axialrichtung (16) orientiert hält und bei Einwirken einer vorbestimmten Kraft die Werkzeugeinheit (6) zur Ermöglichung der Ausgleichsbewegung freigibt.
23. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 21 oder 22, bei der die Setzeinheit (6) über ein Ausgleichselement (34) mit einer Halterung (32) verbunden ist, wobei das Ausgleichselement (34) in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung (16) beweglich an der Halterung (32) angeordnet ist.
24. Roboterhand (3) nach Anspruch 23, bei der die Setzeinheit (6) mit dem Ausgleichselement (34) über ein Lager (36) verbunden ist, das eine Kippbewegung gegenüber der Axialrichtung (16) erlaubt.
25. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei der eine Rückholeinrichtung (42, 54) vorgesehen ist, die insbesondere das Halteelement (42) aufweist und die auf das Ausgleichselement (34) eine Rückholkraft in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung (16) zur Rückholung des Ausgleichselements (34) in eine Ausgangsposition ausübt.
26. Roboterhand (3) nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei der die Halterung (32) als eine Zustelleinheit ausgebildet ist, die eine Zustellbewegung in Axialrichtung (16) ermöglicht.
27. Roboterhand (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Setzeinheit (6) mit einer Nachpositioniereinheit (14) zur Feinpositionierung in der Ebene senkrecht zur Axialrichtung (16) verbunden ist.
28. Verfahren zum automatischen Anordnen eines Elements (18) an einem Werkstück (30) mit einer Roboterhand (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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