DE3932532A1 - Werkzeugeinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugeinheit, vorzugsweise für kraftintensive Fertigungsverfahren und insbesondere zum Anflanschen an Industrie-Robotern mit zwei Wirkorganen und mindestens einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb.

Derartige Werkzeugeinheiten besitzen, wenn sie in kraftintensiven Fertigungsverfahren, wie Durchsetzfügen, Nieten, Einpressen, Bördeln, Stanzen, Prägen, Punktschweißen u.dgl. eingesetzt werden, jeweils prozeßspezifische Wirkorgane bzw. Werkzeuge, von denen jedes nur für einen eingegrenzten Anwendungsbereich ausgelegt ist. Dies bedeutet, daß solche Werkzeugeinheiten in flexibel automatisierten Fertigungssystemen, die bspw. Industrieroboter einsetzen, ohne einen großen Umrüstaufwand für unterschiedlichste Anwendungen nicht einsetzbar sind. Außerdem sind bei derartigen kraftintensiven Fertigungsverfahren äußerst hohe Kräfte notwendig, was bedeutet, daß entsprechend hohe Reaktionskräfte auftreten, die von Industrierobotern nicht aufgenommen werden können, so daß es bisher nicht möglich war, derartige Vorgänge mit Industrierobotern zu bewältigen.

Bei einer aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 39 16 014.9 derselben Anmelderin beschriebenen Werkzeugeinheit ist eines der Wirkorgane an einem linear bewegbaren Bügel und das andere Wirkorgan an einem ortsfesten Bügel gehalten, wobei der hydraulische Antrieb für den bewegbaren Bügel außerhalb der Kraftwirkungslinie der beiden Wirkorgane angeordnet ist. Sollen mit dieser Werkzeugeinheit bspw. im Durchsetzfügeverfahren zwei Bleche miteinander verbunden werden, so muß zunächst die Werkzeugeinheit nach dem Überfahren der bzw. des Werkstückes so weit nach oben verfahren werden, daß das untere Wirkorgan an der Unterseite des Werkstücks anliegt, dann wird das obere Wirkorgan für die betreffende Verbindung nach unten verfahren, dann muß die Werkzeugeinheit durch Bewegen des oberen Wirkorgans nach oben wieder geöffnet und die gesamte Werkzeugeinheit zur Freigabe des Werkstücks etwas nach unten verfahren werden, damit die Werkzeugeinheit zu einem anderen Ort, bspw. desselben Werkstücks für eine weitere Fügeverbindung verfahren werden kann. Dies ist insbesondere dort äußerst zeitraubend, wo eine Vielzahl von Durchsetzfügeverbindungen an einem einzigen Werkstück vorgenommen werden sollen. Außerdem wird bei solchen Werkzeugeinheiten, die mit Wirkorganen bestückt sind, bei denen, wie bei Durchsetzfügewerkzeugen, Abstreifer notwendig sind, beim Drücken des oberen Wirkorgans auf das Werkstück das letztere um die Größe des Abstreiferhubs nach unten verbogen. Auch dies ist bei vielen Werkstücken nicht erwünscht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Werkzeugeinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz möglicher hoher Reaktionskräfte in bspw. Industrierobotern einsetzbar ist, die in auswechselbar gehaltener Weise für eine Vielzahl von unterschiedlichen kraftintensiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden kann und die einen schnellen Fertigungsablauf gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Werkzeugeinheit der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, entsprechend den jeweilig auszuführenden kraftintensiven Fertigungsverfahren ein entsprechendes Wirkorgan in schneller und einfacher Weise vorzusehen, so daß innerhalb eines automatisierten Fertigungssystemes durch Auswechseln des Wirkungsorganes eine Vielzahl von Kraftfügeverfahren durchgeführt werden können. Es ist insbesondere auch möglich, Fertigungsverfahren auszuführen, die sehr hohe Kräfte benötigen, da die auftretenden ebenfalls sehr hohen Reaktionskräfte innerhalb der Werkzeugeinheit aufgefangen werden können, was durch den in sich geschlossenen Kraftfluß möglich ist. Durch die Ausbildung der linear aufeinander zu bewegbaren Wirkorgane ist es möglich, an Taktzeit einzusparen und damit einen schnelleren Fertigungsablauf zu erreichen. Dies deshalb, weil nunmehr, wenn das betreffende Werkstück bspw. etwa mittig zwischen die beiden Wirkorgane gebracht ist, die beiden letzeren aufeinander zu gefahren und am Ende des Verbindungsvorganges wieder auseinandergefahren werden können, ohne daß es hierzu einer besonderen Bewegung der gesamten Werkzeugeinheit in dieser Richtung bedarf. Dadurch wird zusätzlich eine Bewegungsachse eingespart.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 wird eine einfache Maßnahme zum Auswechseln des Wirkorganes vorgesehen. Dabei kann es gemäß Anspruch 3 zweckmäßig sein, Bügel und Wirkorgane einstückig auszubilden.

Demgegenüber ist mit den Merkmalen des Anspruchs 4 erreicht, daß nicht nur die Wirkorgane für sich sondern auch die anderen Bauelemente ausgewechselt werden können, womit erreicht wird, daß unterschiedliche Werkstückorte und -positionen durch Verkürzen oder Verlängern der Kragarme und/oder der Aufnahmen in anpaßbarer Weise erreicht werden können.

Für eine einfache und zweckmäßige Führung der Wirkorgane bzw. ihrer Bügel am Antriebsgehäuse sind die Merkmale gemäß Anspruch 5 vorgesehen.

Eine vorteilhafte konstruktive Ausbildung der Antriebe ergibt sich durch die Merkmale des Anspruchs 6, wobei mit Hilfe der Merkmale des Anspruchs 7 gewährleistet werden kann, daß die Bügel in einfacher Weise mit den Kolbenstangen der Antriebe verbunden werden können.

Um bei dieser Werkzeugeinheit zu verhindern, daß bei einer gemeinsamen Ansteuerung der Antriebe aufgrund von Toleranzen oder dgl. das eine Wirkorgan eher am Werkstück zur Anlage kommt als das andere, sind die Merkmale gemäß Anspruch 8 vorgesehen. Damit können spezielle Steuerventile und deren Ansteuerung in Abhängigkeit von Wegmeßelementen vermieden werden, da die Federelemente bewirken, daß dann, wenn einer der Kolben eines Wirkorganes schneller in einer bestimmten Position ist als der andere, dieser von dem betreffenden Federelement aufgehalten wird, bis der Kolben des anderen Antriebs ebenfalls bis hierher bewegt worden ist. Werden beide Kolben von derselben Federkraft beaufschlagt, werden sich beide Kolben und damit beide Wirkorgane wieder in gleicher Weise dem Werkstück nähern. Dabei ist auch eine mögliche Durchbiegung des Werkstücks in die eine oder andere Richtung vermieden. Auch möglicherweise vorhandene Abstreiferwege, die an beiden gegenüberliegenden Wirkorganen gleich sind, werden kompensiert.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 ist erreicht, daß das Antriebsgehäuse in unterschiedlichen Stellungen zur Anpassung an die Werkstückebene an einem Roboterarm befestigt werden kann.

Um bei den unterschiedlichsten Fertigungsverfahren die Werkzeugeinheit in optimaler Weise einsetzen zu können, sind die Merkmale gemäß Anspruch 10 vorgesehen. Dadurch ist ohne weiteres in flexibler Weise eine optimale Auslegung von Kraft, Weg und Geschwindigkeit entsprechend dem betreffenden Kraftfügeverfahren möglich.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Fig. 1A in schematischer Seitenansicht mit den Wirkungsorganen verbundene Halter der Werkzeugeinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 1B und 1C eine Draufsicht gemäß Pfeil IB bzw. eine Unteransicht gemäß Pfeil IC der Fig. 1A,

Fig. 2A in teilweise geschnittener und schematischer Seitenansicht ein Antriebsgehäuse der Werkzeugeinheit gemäß der bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung,

Fig. 2B eine Unteransicht gemäß Pfeil IIB der Fig. 2A,

Fig. 3 eine der Fig. 2A ähnliche Ansicht, jedoch gemäß einer Variante des Antriebsgehäuses, und

Fig. 4 in schematischer Darstellung eine Steuerungseinrichtung für die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Werkzeugeinheit.

Die in der Zeichnung dargestellte Werkzeugeinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung dient insbesondere zum Einsatz bei Industrierobotern aber auch der Anwendung bei manuell geführten Werkzeugen. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Werkzeugeinheit in modularer Weise ausgebildet, d. h., durch auswechselbar gehaltene Bauteile der Werkzeugeinheit ist es möglich, entsprechend dem eingesetzten Modul unterschiedliche kraftintensive Fertigungsverfahren, wie bspw. Durchsetzfügen, Nieten, Einpressen, Bördeln, Stanzen, Prägen, Punktschweißen usw. durchzuführen. Dazu ist die erfindungsgemäße Werkzeugeinheit in hinsichtlich Kraft, Weg und Geschwindigkeit frei programmierbarer Weise ansteuerbar, so daß entsprechend dem eingesetzten Wirkungsorgan die Werkzeugeinheit an das durchzuführende Fertigungsverfahren angepaßt werden kann.

Die Werkzeugeinheit besitzt ein Werkzeugpaar 11 und ein Antriebspaar 12, die auswechselbar aneinander gehalten bzw. miteinander verbindbar sind. Das Antriebspaar 12 besitzt ein Gehäuse 13, das langgestreckt und im Querschnitt rechteckförmig ist und das einen zylindrischen Innenraum 14 besitzt. Der Innenraum 14, der an seinem oberen und unteren Ende von einem Deckel 18 bzw. einem Boden 17 verschlossen ist, ist diesen jeweils im Abstand gegenüberliegend mit Zwischenwänden 18 und 19 versehen. Jeweils zwischen Deckel 18 bzw. 17 und Zwischenwand 18 bzw. 19 ist eine Kammer 21 bzw. 22 gebildet, innerhalb welcher ein Kolben 23 bzw. 24 einer hier hydraulischen (oder pneumatischen) Kolben/Zylinder-Antriebseinheit auf- und abbewegbar geführt ist. Die beiden Kolben 23 und 24 mit ihren Kolbenstangen 28, 27 sind linear und einander gegenläufig bewegbar. Die mit Bohrungen 28, 29 versehenen freien Enden der Kolbenstangen 28, 27 bewegen sich innerhalb einer Zwischenkammer 31, die mit zwei diametral gegenüberliegenden, nur in Fig. 2B angedeuteten Schlitzen 34, 35 versehen ist. An einer Seitenfläche des Gehäuses 13 ist eine Führungsplatte 32 befestigt, die die beiden dazu senkrechten Außenflächen 33, 34 des Gehäuses 13 überragt. An der Außenfläche 33 ist oben und/oder unten ein Absolutwegmesser in Form bspw. eines Linearpotentiometers 38 vorgesehen. Sowohl an der der Führungsplatte 32 gegenüberliegenden Außenfläche als auch an der dem Deckel 18 zugewandten Stirnseite des Gehäuses 13 ist ein Flansch 37, 38 befestigt. Mit Hilfe eines der Flansche 37, 38 kann die Werkzeugeinheit an einem Arm eines Industrieroboters oder an einem manuell geführten Werkzeugarm befestigt werden.

Das Werkzeugpaar 11 besitzt zwei Schlitten 41, 42, die im Schnitt gesehen im wesentlichen groß U-förmig ausgebildet sind derart, daß sie an der Führungsplatte 32 stirnseitig geführt sind. Dabei über- bzw. hintergreifen Seitenwangen 43, 44 und einander gegenüberliegende Führungsleisten 48, 47 des Schlittens 41, 42 die Führungsplatte 32. Die genannten Längsschlitze 34, 35 in den Außenflächen 33, 34 des Gehäuses 13 werden von Verbindungsbolzen 39, 40 durchdrungen, die in die Bohrungen 28, 29 der Kolbenstangen 28, 27 und solcher der Schlitten 41, 42 einsteckbar sind. Auf diese Weise sind die Schlitten 41, 42 mit den Kolben 23, 24 in linearer Weise aufeinander zu und voneinander weg bewegbar, wobei sie sich längs des Antriebsgehäuses 13 bewegen.

Die Kammern 21, 22 der beiden Kolben/Zylinderanordnungen sind doppelseitig über Leitungen 61, 62, 63, 64 beaufschlagt, wobei in den Leitungen manuell oder elektrisch regelbare Drosseln 66 vorgesehen sind.

An jedem der Schlitten 41, 42 ist ein im wesentlichen L-förmiger Bügel unbewegbar gehalten. Der horizontal auskragende Arm 53, 54 des Bügels 51, 52 kann, wie in den Fig. 1 gestrichelt dargestellt, in unterschiedlicher Länge ausgebildet sein. Am freien Ende dieses auskragenden Armes 53, 54 ist in senkrechter und zum Schlitten 41, 42 paralleler Richtung eine Aufnahme 58 bzw. 57 für ein entsprechendes Wirkorgan 58, 59 gehalten, das an dieser Aufnahme 58, 57 befestigt ist. Dabei sind die beiden Wirkorgane 58 und 59 einander gegenüberliegend angeordnet und enden etwa in der unteren Ebene des Schlittens 41, 42.

Gemäß der Variante in Fig. 3 sind die doppelt wirkenden Hydraulikantriebe in jeder Richtung jeweils von einem in einer gemeinsamen Leitung 61′ bzw. 62′ zugeführten Medium druckbeaufschlagbar, wobei in jeder Leitung 61′, 62′ eine Drossel 66′ angeordnet ist. Außerdem ist innerhalb der Kammer 21, 22 jeweils mindestens eine Tellerfeder 71, 72 angeordnet, die sich einenends an der Innenfläche der Zwischenwand 18 bzw. 19 abstützt. Das andere Ende der Tellerfeder 71, 72, das die betreffende Kolbenstange 26, 27 umgibt, liegt somit der Unterseite des Kolbens 23, 24 gegenüber. Erreicht nun einer der das betreffende Wirkorgan 58, 59 bewegenden Kolben 23, 24 wegen der Beaufschlagung über eine gemeinsame Leitung bspw. aufgrund von Toleranzunterschieden, unterschiedlicher Reibung oder dgl. vor dem anderen Kolben 24, 23 die Tellerfeder 71, 72, so wird dieser Kolben in seiner weiteren Bewegung gehemmt, da die Antriebsflüssigkeit dann nur den anderen Kolben weiterbewegt. Erst wenn dieser ebenfalls an seiner Tellerfeder angelangt ist, werden beide Kolben 23 und 24 und damit beide Wirkorgane 58 und 59 wieder gemeinsam bewegt. Die Position der Tellerfedern 71, 72 entspricht einer Position, in der das Wirkorgan 58, 59 in einem nur noch sehr geringen Abstand von der Ober- bzw. Unterseite des zu bearbeitenden Werkstücks entfernt ist. Damit ist erreicht, daß beide Wirkorgane 58 und 59 gleichzeitig auf das zu bearbeitende Werkstück treffen. Außerdem ist bei solchen Wirkorganen, die einen Abstreifer besitzen, erreicht, daß sich auch die Abstreifwege von oberem und unterem Wirkorgan kompensieren und damit im wesentlichen keine Bewegung des Werkstücks in dieser Phase erfolgt.

Mit dieser Maßnahme ist außerdem erreicht, daß ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand die Wirkorgane aus beliebigen Höhenpositionen auf das Werkstück zu angefahren werden können und dennoch ein im wesentlichen gleichzeitiges Auftreffen der Wirkorgane auf das Werkstück gewährleistet ist. Bei der zuvor beschriebenen Variante gemäße Fig. 2A wäre es notwendig, die einzelnen Drosseln 66 in Abhängigkeit vom ausgeführten Weg des zugehörigen Kolbens anzusteuern.

Das Werkzeugpaar 11 ist in beiden Fällen derart angeordnet, daß jedes einzelne davon jeweils etwa U-förmig ausgebildet ist, so daß das Werkzeugpaar 11 insgesamt eine umlaufende Form bildet und damit für einen geschlossenen Kraftfluß sorgt. Dabei sind die Antriebe außerhalb der Kraftwirkungslinie der beiden Wirkorgane 58 und 59.

In nicht dargestellter Weise können Schlitten 41 bzw. 42, Bügel 51 bzw. 52, Aufnahme 56 bzw. 57 und Wirkungsorgan 58 bzw. 59 jeweils eine fest verbundene Einheit bilden. Es ist aber auch möglich, diese einzelnen Bauelemente derart auszugestalten, daß sie untereinander auswechselbar zusammengefügt sind, so daß bspw. lediglich ein anderes Wirkungsorgan 58 bzw. 59 für ein anderes Fertigungsverfahren eingesetzt werden muß oder daß lediglich ein entsprechender Bügel 51 bzw. 52 gegen einen anderen ausgetauscht werden muß, wenn dies die Werkstückform bzw. Werkstückposition erfordert.

Gemäß Fig. 4 sind die Leitungen 61 bis 64 (oder 61′ und 62′) zu einem Antriebssteueraggregat 67 geführt, das mit einer Prozeßsteuereinrichtung 68 elektrisch verbunden ist. Diese Prozeßsteuereinrichtung 68 ist hinsichtlich Kraft, Weg und Geschwindigkeit, die die Antriebe ausführen sollen, programmierbar, und zwar in Abhängigkeit von dem eingesetzten Wirkungsorgan bzw. dem damit durchzuführenden Fertigungsverfahren.

Claims (10)

1. Werkzeugeinheit, vorzugsweise für kraftintensive Fertigungsverfahren und insbesondere zum Anflanschen an Industrierobotern, mit zwei Wirkorganen und mindestens einem pneumatischen oder hydraulischen Antrieb, gekennzeichnet durch
zwei gegenüberliegende, entgegengesetzt linear wirkende Antriebe (21, 23, 26; 22, 24, 27) die in einem gemeinsamen Gehäuse (13) untergebracht und außerhalb der Kraftwirkungslinie der beiden Wirkorgane (58, 59) angeordnet sind;
zwei jeweils ein Wirkorgan (58, 59) haltende, einander gegenüberliegend angeordnete und längs des gemeinsamen Gehäuses (13) der Antriebe linear verschiebbar gehaltene Bügel (51, 52);
eine Verbindungsvorrichtung zwischen jedem Bügel (51, 52) und dem betreffenden Antrieb (21, 23, 26; 22, 24, 27), mittels der die Bügel mit den beweglichen Teilen der Antriebe lösbar verbindbar sind;
wobei die Bügel (51, 52) derart ausgebildet und zusammen mit dem Gehäuse (13) der Antriebe (21, 23, 26; 22, 24, 27) derart angeordnet sind, daß sich ein geschlossener Kraftfluß ergibt.

2. Werkzeugeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bügel (51, 52) mit ihrem Wirkorgan (58, 59) am Gehäuse (13) der Antriebe auswechselbar gehalten sind.

3. Werkzeugeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bügel (51, 52) und Wirkorgan (58, 59) einstückig sind.

4. Werkzeugeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (51, 52) aus einem Kragarm (53, 54), einer Aufnahme (56, 57) und einem Wirkorgan (58, 59) zusammengesetzt ist, welche Elemente jeweils aneinander auswechselbar gehalten sind.

5. Werkzeugeinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bügel (51, 52) mit einem Schlitten (41, 42) vorzugsweise auswechselbar verbindbar ist.

6. Werkzeugeinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß die Zylinder (21, 22) der vorzugsweise hydraulischen Antriebe im gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind, und daß zwischen den Zylindern in axialer Flucht eine Zwischenkammer (31) angeordnet ist, in der die freien Enden der Kolbenstangen (26, 27) der Hydraulikantriebe aufgenommen sind.

7. Werkzeugeinheit nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkammer mit diametral gegenüberliegenden Schlitzen (34, 35) versehen ist, die von Verbindungsbolzen der Verbindungsvorrichtung durchdrungen sind.

8. Werkzeugeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise hydraulischen Antriebe über jeweils eine gemeinsame Leitung pro Werkzeugsrichtung vom Arbeitsmedium beaufschlagt sind und mit in Richtung der Schließstellung der Werkzeugeinheit wirkenden Federlementen versehen sind.

9. Werkzeugeinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) der Antriebe mit mindestens zwei im wesentlichen senkrecht zueinander angeordneten Anflanschelementen (37, 38) versehen ist.

10. Werkzeugeinheit nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe (21, 23, 26; 22, 24, 27) hinsichtlich Kraft, Weg und Geschwindigkeit programmierbar ansteuerbar ausgebildet sind.