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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine solche für Nietarbeiten, wie sie mit Taumelnietmaschinen oder Radialpunktnietmaschinen ausgeführt werden. Nietmaschinen der gattungsgemäßen Art sind seit längerer Zeit in Gebrauch, zugehörige Innovationen sind insbesondere in der IPC-Patentliteratur in Klasse B21 J 15/12 verzeichnet.
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Obwohl die Technik des Nieten als Fügeverfahren für Metallstücke seit Menschengedenken angewendet wird, ist sie auch heute noch ein besonders wichtiges Fertigungsverfahren. Es ist bekannt, dass z. B. die Beständigkeit einer Vollnietverbindung bei Dauerschwingbelastung jedem anderen Fügeverfahren überlegen ist.
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Charakteristisch für Nietvorgänge jedweder Art ist die Bereitstellung von vergleichsweise hohen mechanischen Kräften zur plastischen Verformung des verwendeten Nietmaterials. Dementsprechend werden Nietwerkzeuge für industrielle Verwendung robust und massiv ausgelegt. In der Vergangenheit wurden Nietmaschinen, insbesondere Taumelnietmaschinen, aus vergleichbarem Grund vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch angetrieben, um erforderliche Vorschubkräfte in Axialrichtung des Nietmaterials zur Verfügung zu stellen. Eine gleichzeitig erforderliche Drehbewegung für ein vorgesehenes Nietwerkzeug wird bevorzugt mittels elektrischem Drehantrieb erzeugt.
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Eine moderne Taumelnietmaschine wird in der
DE 20206575 U1 beschrieben. Diese Schrift wird im Folgenden auch abgekürzt als '575 bezeichnet. Auf diese Veröffentlichung wird vollumfänglich Bezug genommen, um Längen in der vorliegenden Anmeldeschrift zu vermeiden.
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Die in der
'575 gezeigte Taumelnietmaschine besitzt einen Werkzeugkopf (dortiges Bezugszeichen
7) mit eingebautem Elektromotor. Letzterer kann ein verdrehbares Nietwerkzeug in Form eines Nietkopfformers (Döpper) in Rotation versetzen. Der Werkzeugkopf kann relativ zu einem Niettisch und in Axialrichtung des zu verarbeitenden Nietmaterials bewegt werden. Gemäß der
'575 wird zur Erzeugung dieser Bewegung auf den Einsatz eines hydraulischen oder pneumatischen Antriebs verzichtet. Vielmehr ist ein elektrischer Gewindespindelantrieb vorgesehen, welcher den kompletten Werkzeugkopf in einer Hub- und Senkbewegung axial und relativ zum Niettisch verfährt.
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Wiewohl die in der
'575 beschriebene Erfindung gewisse Nachteile eines hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Werkzeugkopfes vermeidet, wird eine dort genannte Teilaufgabe, nämlich einen Nietvorgang in kürzestmöglicher Zeit auszuführen, noch nicht optimal gelöst. Dies liegt insbesondere daran, dass die Steuerung der Werkzeugkopf-Bewegung die beteiligten großen Massen inkl. Elektromotor berücksichtigen muß und der elektromotorische Antrieb für diese Bewegung eine geringere Leistungsdichte aufweist als z. B. ein pneumatischer Antrieb bekannter Art.
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Aufgabe:
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Taumel- oder Radialpunktnietmaschine zu schaffen, die im Vergleich zum Stand der Technik nicht nur wesentlich schnellere Zykluszeiten für Nietvorgänge ermöglicht, sondern auch kleine oder feine Nieten mit Materialstärken <0,2 mm und/oder Hohlnieten mit Durchmessern von ca. 0,5 mm prozesssicher d. h. ohne zulässigen Ausschuss vernieten kann.
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Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung, eine Taumel- oder Radialpunktnietmaschine zu schaffen, welche eine zu verarbeitende Niete vermessen kann, ohne diese dabei zu verformen und auch bevor der Taumelprozess beginnt.
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Parallel dazu besteht als Aufgabe für die Erfindung, eine Nietmaschine bereitzustellen, welche sich nicht nur gut für den rechner- bzw. CNC-gesteuerten Einsatz eignet, sondern darüber hinaus als rechnergesteuerte Mehrfunktions-Maschine umgerüstet werden kann, insbesondere für Bohrarbeiten.
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Als Gesamtaufgabe für die Erfindung besteht die Anforderung, eine neue Maschinentechnologie bereitzustellen, welche um ein Vielfaches feinfühliger, exakter, schneller und prozesssicherer verschiedenartige Nietvorgänge ausführt, als dies nach dem Stand der Technik bekannt ist und die bei Bedarf in einem CNC-Umfeld auch für andere Arbeitsaufgaben umgerüstet werden kann. Insbesondere soll die Erfindung gegebenenfalls auch zu einer Bohrmaschine mit einem Axial- und Drehantrieb umgerüstet werden können.
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Lösung:
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Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, dass eine elektromotorisch angetriebene Werkzeugmaschine mit zumindest zwei Elektromotoren vorgesehen ist, wobei der erste Elektromotor eine Rotations- oder Präzessionsbewegung eines zugehörigen Niet- oder Bohrwerkzeuges bewirkt und der zweite Elektromotor eine Längs- oder Axialbewegung des Niet- oder Bohrwerkzeuges bewerkstelligt, dabei aber sowohl der erste Elektromotor als auch der zweite Elektromotor in fester Postion relativ zum gemeinsamen Maschinengehäuse stehen und somit auch unverrückbar relativ zueinander angeordnet sind. Weiterhin sind die genannten Elektromotoren als Servomotoren ausgelegt und werden rechnergesteuert in einer differentiell zueinander arbeitenden Betriebsweise in kooperierende, aber jeweils eigenständige Rotation versetzt.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird weiterhin in optimierter Weise dadurch gelöst, dass vor Ausführung eines eigentlichen Nietvorganges (d. h. die mechanische unter Druck stattfindende Verformung des Nietschaftes zu einem Nietkopf) mindestens einer der beiden oben genannten Elektromotoren nicht nur als differentiell wirkender Aktuator, sondern gleichzeitig auch als Sensor, speziell differentiell wirkender Sensor, genutzt wird; und zwar vermittels mindestens einer Motorstrommessung. Auf diese Weise wird gemäß der Erfindung erkannt, ob und in welcher Intensität das zugehörige Niet- oder Bohrwerkzeug bereits Druck auf das zu verarbeitende Material, z. B. Nietmaterial, ausübt oder nicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dabei die Hauptwelle der Maschine bestehend aus einer das Niet- oder Bohrwerkzeug in Rotationsbewegung versetzende und Druck oder Axialkraft ausübende Arbeitsspindel in separate und getrennt voneinander funktionierende Einheiten aufgeteilt. Dabei sind gemäß der Erfindung nunmehr formschlüssige Verbindungselemente vorgesehen, mittels welchen das Niet- oder Bohrwerkzeug der Maschine verdrehfest aber axial beweglich relativ zum ersten Elektromotor verschoben werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es von Vorteil, eine mit Lagern, insbesondere Wälzlagern, ausgestattete Hohlwelle vorzusehen welche sowohl die antreibende Welle des ersten Elektromotors als auch die Druck oder Axialkraft ausübende Arbeitsspindel koaxial umschließt.
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Dabei wird gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung die genannte Hohlwelle mit einem Innengewinde ausgestattet, welches mit einer Gewindespindel in funktionaler Verbindung steht.
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Die genannte Gewindespindel kann dabei ein reguläres Schraub- oder Helixgewinde aufweisen. In einer speziellen, aufwendigeren Ausführungsform der Erfindung wird die genannte Gewindespindel nach Art einer Kugelumlaufspindel realisiert.
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Bei Verwendung der genannten Hohlwelle ist es ein weiterer Aspekt der Erfindung, diese in einer ersten Ausführungsform mit einer fest aufgebrachten Zahnriemenscheibe oder einem Kettenrad zu versehen. Diese(s) wird mittels Zahnriemen oder Kette und durch einen zugehörigen Antrieb per Elektromotor (Servomotor) und zugehörigem Zahnriemenrad oder Ritzel in Drehbewegung um die zugehörige Längsachse versetzt.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die beiden Elektromotoren der Nietmaschine als Servomotoren vorzusehen, welche exakt aufeinander abgestimmte Drehbewegungen ausführen. Dementsprechend findet bei identischen Drehzahlen der Servomotoren keine Axialbewegung der Arbeitsspindel relativ zum antreibenden Servomotor (Bezugsziffer 10, vgl. Beschreibung zur Zeichnung) statt. Hingegen wird bei voneinander abweichenden Drehzahlen beider Servomotoren – je nach Vorzeichen der Drehzahldifferenz – entweder eine vorwärts oder aber rückwärts gerichtete Axialbewegung relativ zum antreibenden Servomotor (Bezugsziffer 10) stattfinden. Die Drehbewegung der Arbeitsspindel wird in jedem Falle durch die Drehbewegung des antreibenden Servomotors (Bezugsziffer 10) vorgegeben und kann somit rechts- oder linksläufig sein.
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In einer ersten Ausführungform der Erfindung wird lediglich eine einzige, innerhalb einer Hohlwelle angeordnete schraubenförmige Gewindepaarung für die genannte Gewindespindel vorgesehen.
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In einer zweiten Ausführungform der Erfindung wird vorgesehen, zwei oder mehr schraubenförmige Gewindepaarungen innerhalb einer Hohlwelle zu verwenden, welche simultan in Aktion treten und auf diese Weise eine vorwärts oder rückwärts gerichtete Axialbewegung der Arbeitsspindel relativ zum diese antreibenden Servomotor bewirken. Die zwei oder mehr Gewindepaarungen können dabei gleiche oder aber auch unterschiedliche Helizität aufweisen, also als Rechts- und/oder Linksgewinde vorliegen. Mit besonderem Vorteil wird anstelle eines einheitlichen Steigungsmaßes für die Gewindepaarungen mehrere solcher Steigungsmaße verwendet. Dabei sieht eine besondere Ausführung der Erfindung einen relativen Unterschied dieser Maße von weniger als 25%, in speziellen Versionen bis zu weniger als 10%, vor.
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Die zweite genannte Ausführungsform der Erfindung ordnet die angegebenen schraubenförmigen Gewindepaarungen sogar koaxial innerhalb der Hohlwelle eines Hohlwellen-Servomotor an und ermöglicht eine raumsparende Maschine.
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Die gestellte Aufgabe der Erfindung wird anteilig auch dadurch gelöst, dass eine entsprechende Nietmaschine zur Herstellung einer Nietverbindung nicht nur mindestens zwei antreibende und als Aktuatoren wirkende Elektromotoren aufweist, welche einerseits ein Nietwerkzeug in dessen Axial- und Umfangsrichtung bewegen, sondern dass deren variable Betriebsströme andererseits auch gleichzeitig von mindestens einer Motorstromüberwachungs-Einrichtung gezielt überprüft werden. Auf diese Weise wird erkannt, ob, und mit welcher Intensität, das Nietwerkzeug Druck auf das Nietmaterial ausübt oder nicht.
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Weiterhin löst die Erfindung die anteilige Aufgabe, ein vergleichsweise vielfältig verwendbare Maschine bereitzustellen, dadurch, dass das Nietwerkzeug mit wenigen Handgriffen entfernbar und durch z. B. einen Bohrkopf mit Mehrbackenfutter, speziell 3-Backen-Futter, ersetzbar ist.
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Beschreibung
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Die Erfindung wird im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigt, dargestellt in schematischer Querschnittszeichnung
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1 eine bevorzuge Ausführungsform der Erfindung
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2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung
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Die in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Taumel- oder Radialpunktnietmaschine besitzt zwei Elektromotoren 10, 30, welche an oder innerhalb eines Gehäuses 100 fest montiert sind und somit auch fest relativ zueinander beabstandet sind. Im Zusammenspiel mit einer solchen Taumel- oder Radialpunktnietmaschine wird normalerweise ein Niettisch zur Aufnahme eines zu vernietenden Werkstückes und des entsprechenden, an sich bekannten Nietmaterials (auch Hohlnieten oder Niethülsen) vorgesehen. Dieser wird aus der Literatur als bekannt vorausgesetzt und ist nicht gezeigt.
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Die Taumel- oder Radialpunktnietmaschine gemäß 1 verformt das zu verarbeitende Nietmaterial in einem an sich bekannten Verformungsprozess, der eine Stauchung zu verarbeitender Nieten in einer axialen Richtung 1'–2' bewirkt bei zugehöriger radialer Verbreiterung, also senkrecht zur genannten axialen Längsrichtung 1'–2'.
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Ein zugehöriges Nietwerkzeug 50 enthält typischerweise einen Nietstempel (Döpper); es wird als bekannt vorausgesetzt, dass ein solches Nietwerkzeug nicht nur eine Drehbewegung um eine zugehörige Längsachse ausführen, sondern gleichzeitig entlang seiner Drehachse axial verfahren werden kann und dabei ggf. erhebliche Nietkräfte vermittelt.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Taumel- oder Radialpunktnietmaschinen ist die Antriebswelle, mit welcher das Nietwerkzeug 50 in Drehbewegung versetzt wird, nicht in wesentlichen einstückig ausgeführt. Vielmehr wird die Antriebswelle gemäß der Erfindung in zumindest zwei Teilwellen 13, 41 aufgeteilt. Wichtig ist dabei, dass die Teilwellen 13, 41 in axialer Richtung um einen signifikanten Betrag gegeneinander verschoben werden können. Außerdem ist gem. 1 vorgesehen, dass der zugehörige, das Nietwerkzeug antreibende Elektromotor 10 maschinenfest, also starr relativ zum Gehäuse 100, montiert ist. Die am Motor 10 angebrachte Teilwelle 13 kann also durch diesen in Drehbewegung versetzt werden, ist aber somit in Axialrichtung ebenfalls als maschinenfest zu betrachten. Motor 10 stellt zur Erzeugung der genannten Drehbewegung ein ausreichend dimensioniertes Drehmoment zur Verfügung, kann aber gleichzeitig zum Zwecke schneller Bewegungsabläufe mit entsprechend gering dimensioniertem Trägheitsmoment vorgesehen sein.
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Teilstück 13 der Antriebswelle besitzt ein in Axialrichtung verlaufenes und vergleichsweise langes formschlüssiges Verbindungselement 15, zum Beispiel ein Außen-Vierkant oder eine Außen-Verzahnung. Gleichzeitig steht das Verbindungselement 15 in Eingriff mit einem zugehörigen Formschluss 43. Dieser gehört zum, und befindet sich radial innen im, zweiten Teilstück 41 der Antriebswelle und kann z. B. als Innenvierkant oder als eine ebenfalls in Axialrichtung verlaufende Innen-Verzahnung ausgelegt sein. Teilstück 41 wird im Folgenden auch als Arbeitsspindel bezeichnet. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Antriebswelle der Taumel- oder Radialpunktnietmaschine in Richtung des Drehvektors, also in axialer Wirkrichtung, extendiert oder in Gegenrichtung effektiv verkürzt werden kann. Eine entsprechende axiale Relativbewegung wird also, wie in der Zeichnung dargestellt, direkt auf das Nietwerkzeug 50 übertragen.
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Es ist ersichtlich, dass Elektromotor 10 auf diese Weise von axial wirkenden Kräften entlastet werden kann. Anderseits ist nunmehr ein Mechanismus erforderlich, um das Nietwerkzeug mit den erforderlichen großen axial gerichteten Nietkräften zu beaufschlagen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch eine Vortriebseinheit, die zumindest besteht aus
- – einer schrauben- oder helixförmigen, koaxial angeordneten Gewindepaarung 28, 29 (radial innenliegendes Gewinde bzw. radial außen liegendes Gewinde),
- – einer Hohlwelle 20, in die das in Radialrichtung außenliegende Gewinde 29 eingebracht ist
- – einer Antriebseinheit zum Verdrehen der Hohlwelle 20, bestehend aus einem Elektromotor 30, insbesondere einem Servomotor, dessen Motorwelle 31, sowie zugehörigen formschlüssigen Antriebsmitteln, zum Beispiel in Form eines gezeigten Zahnriemens 38, Rette oder dergleichen, mittels deren eine Drehbewegung des Elektromotors 30 auf die Hohlwelle 20 schlupffrei übertragen werden kann, beispielsweise unter Verwendung von Zahnriemenscheiben 33, 36
- – Lagern (z. B. Radiallager 22,24 und/oder Schulterlager 21, 23,) zur verdrehbaren Beabstandung der Hohlwelle 20 relativ zur Arbeitsspindel 41, beziehungsweise zur Übertragung von Axialkräften zwischen Gehäuse 100 und Nietwerkzeug 50.
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Die Wirkungsweise der vorliegenden Innovation ist im Einzelnen folgende:
Elektromotor 10 und Nietwerkzeug 50 stehen vermittels des Formschlusses 15, 43 in drehfestem Eingriff. Das heißt, das Nietwerkzeug 50 dreht sich, fest angekoppelt, exakt mit der Welle 13 des Elektromotors 10. Von dieser Drehbewegung ist die Hohlwelle 20 jedoch abgekoppelt, da diese direkt von Elektromotor 30 angetrieben wird.
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Eine zusätzliche und dabei zeitgleiche axiale Bewegung des Nietwerkzeuges 50, z. B. eine Vorschubbewegung, wird gemäß der Erfindung durch folgendes bewirkt:
Solange Motorwelle 13 und Hohlwelle 20 synchron, also mit identischer Drehzahl rotieren, ist die Gewindepaarung 28, 29 unbeansprucht. Es findet dann keine Relativbewegung zwischen Außen- und Innengewinde statt. Für den Fall, dass Motorwelle 13 und Hohlwelle 20 mit unterschiedlicher Drehzahl rotieren, wird die Gewindepaarung 28, 29 beansprucht d. h. aufgrund der stattfindenden Schraubenwirkung wird Nietwerkzeug 50 axial verfahren und kann dabei erhebliche z. B. Vorschubkräfte entwickeln. Je nach Vorzeichen der Drehzahldifferenz wird Nietwerkzeug 50 also entweder in Richtung Niettisch oder zurück bewegt. Die auftretenden zugehörigen, ggf. erheblichen Reaktionskräfte werden durch Lagerung 21, 23 aufgefangen. – Die genannte axiale Relativbewegung kann dabei unabhängig von einem aktuellen Drehsinn von Elektromotor 10 erzwungen werden, und zwar indem der korrespondierende Drehsinn von Elektromotor 30 entsprechend eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 wird fakultativ ergänzt durch Motorstrommessungs-Einrichtungen 32' und/oder 32'', welche einen jeweiligen Motorstrom erfassen und damit das an der jeweiligen Welle abgegebene Drehmoment sensieren können. Diese indirekte Drehmomenterfassung kann gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung zu folgendem herangezogen werden: Bei Kontakt des Nietwerkzeugs 50 mit einem Niet und dessen anschließender Verformung findet eine Erhöhung des Motorstroms bzw. der Motorströme statt, also insgesamt eine Erhöhung der beteiligten Drehmomente. Anhand von vorher experimentell festgestellten Schwellwerten der Motorströme kann damit detektiert werden, ob das Nietwerkzeug 50 bereits in Kontakt mit einem Niet steht oder nicht. Im letzteren Falle kann dann die weitere Verformungsbewegung des Niets nach Drehzahl, Vorschubweg- und -geschwindigkeit sowie Vorschubkraft besonders feinfühlig und optimal gesteuert durchgeführt werden. – Der zweite Elektromotor 30 kann auch koaxial umschließend angeordnet werden, wie dies in der nachfolgenden Figur gezeigt wird.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der vorherig beschriebenen dadurch, dass anstelle einer einzigen Gewindepaarung nunmehr mindestens zwei vorhanden sind, e. g. 28A und 29 sowie 28B und 29'. Gleichzeitig ist Hohlwelle 20 als Bestandteil eines Hohlwellen-Servomotors 30 vorgesehen. Dieser Servomotor weist innerhalb seines Motorgehäuses 110 feststehende Statorspulen 30', 30'' sowie einen ggf. radial angelagerten Rotor 37 auf, der in Axialrichtung frei verschieblich ist und in an sich bekannter Weise mit einem mehrpoligen Permanentmagneten ausgestattet ist. Die weiteren Funktionselemente oder Bezugszeichen der 2 entsprechen weitgehend denen der 1.
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Die Vorrichtung der 2 kann im Vergleich zu der in 1 beschriebenen als mehrfach differentiell arbeitend bezeichnet werden. Eine erste differentielle Wirkungsweise zur mittels Servomotoren erzeugten, gleichzeitigen Dreh- und Vorschubbewegung wird in zu 1 vergleichbarer Weise mit geteilter Antriebsachse und formschlüssigen Verbindungselementen bereitgestellt. Auch in 2 werden zwei gehäusefest angeordnete Elektromotoren 10, 30 dargestellt, zur Bereitstellung eines Dreh- bzw. Axialantriebes; es ist eine geteilte Antriebswelle 13, 41 vorhanden die mittels formschlüssigen Verbindungselementen 15, 42 drehfest aber axial verschieblich verkoppelt sind. Ebenso kann vorgesehen werden, dass die Motorströme zum Sensieren der beteiligten Drehmomente herangezogen werden (Überwachungseinrichtungen nicht gezeigt). – Die in 2 gezeigte zweite differentielle Wirkungsweise beruht darauf, dass die Gewindepaarungen 28A, 29 beziehungsweise 28B und 29' wahlweise unterschiedlichen Drehsinn (also Rechts- bzw. Linksgewinde) aufweisen und/oder mit Vorteil sogar unterschiedliche Steigungsmaße aufweisen. Bei gleichem Drehsinn der Gewindepaarungen und vorgesehenem lediglich 10% Unterschied der Steigungsmaße sind also im Vergleich zur Maschine gemäß 1 zehnfach mehr Differenz-Umdrehungen der Hohlwelle 20 auszuführen, um eine Vorschubbewegung entsprechend nur einer Ganghöhe eines Gewindes zu erzielen. Hierdurch können bei relativ hohen Motor-Differenzdrehzahlen mit gutem Motorwirkungsgrad entsprechend höhere Axialkräfte erzeugt werden, gleichzeitig läßt sich die Vorschubbewegung für das Nietwerkzeug 50 noch exakter steuern.
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Durch die gezeigte innovative Vorrichtung wird eine Werkzeugmaschine, insbesondere Taumel- oder Radialpunktnietmaschine, bereitgestellt, die wesentlich leichter baut als herkömmliche Nietmaschinen mit pneumatischem oder hydraulischem Achsvorschub oder solchen mit in Achsrichtung separat bewegten Motoren. Bereits die Aufteilung der Antriebswelle in zumindest zwei Teilstücke läßt es zu, die Massen der bei der die Hub- und Drehbewegung eines Nietwerkzeuges 50 oder eines Werkzeugkopfes zu verfahrenden Maschinenteile signifikant zu reduzieren. – In besonderen Ausführungsformen der Erfindung werden die obig genannten Gewindepaarungen als Kugelumlaufspindeln realisiert, um anteilige Haft- und Gleitreibungskräfte auf Minimalwerte zu reduzieren, so dass eine besonders energiesparende Werkzeugmaschine bereitgestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20206575 U1 [0004, 0005, 0005, 0006]
