DE4004020A1 - Werkzeug zum schlagenden bearbeiten bzw. montieren von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug zum schlagen­ den Bearbeiten bzw. Montieren von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine schlagende Bearbeitung von Werkstücken erfolgt bei­ spielsweise beim Einpressen von Stiften in entsprechende Bohrungen, beim Nieten, Durchsetzfügen, Clinchen, Nageln, Tackern, Meißeln oder Entgraten. Die bekannten "handge­ führten" Werkzeuge zum schlagenden Bearbeiten bzw. Montie­ ren von Werkstücken sind lediglich für eine einzige Aufga­ be, also beispielsweise zum Einpressen geeignet. Es ist zwar prinzipiell möglich, derartige Werkzeuge zum schla­ genden Bearbeiten bzw. Montieren von Werkstücken an frei­ programmierbaren Positioniereinheiten, wie beispielsweise Industrierobotern anzubringen, die bekannten Werkzeuge sind jedoch nicht speziell auf den Einsatz mit freipro­ grammierbaren Positioniereinheiten ausgelegt, so daß bei­ spielsweise ihre Einbindung in eine computergestützte Fertigungslinie kaum möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum schlagenden Bearbeiten bzw. Montieren von Werkstücken, das an einer freiprogrammierbaren Positioniereinheit, wie beispielsweise einem Industrieroboter anbringbar ist, derart weiterzubilden, daß das Werkzeug auf die spezifi­ schen Belange der computergestützten Fertigung ausgelegt und insbesondere leicht an die jeweilige Handhabungsauf­ gabe anpaßbar ist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß ein universell für die verschiedensten schlagenden Bearbei­ tungs- bzw. Montagevorgänge verwendbares Werkzeug dadurch geschaffen werden kann, daß das Werkzeug in einen Grund­ teil und einen bearbeitungsspezifischen Vorsatzteil aufge­ teilt wird. In dem Grundteil ist als Schlageinheit eine pneumatische Kolben/Zylinder-Einheit angeordnet, deren Schlagzahl und Schlagleistung durch Steuerung des Be­ triebsdruckes durch die Steuereinheit einstellbar ist. Insbesondere kann dabei der Betriebsdruck der pneumati­ schen Kolben/Zylinder-Einheit gemessen und entsprechend der jeweiligen Applikation gesteuert bzw. geregelt werden. An den Grundteil sind bearbeitungsspezifische Vorsatzteile ansetzbar, die jeweils einen mit der Schlageinheit ver­ bindbaren Stößel aufweisen, der wiederum mit einer Füge­ teil-spezifischen Aufnahmeeinheit in Wirkverbindung steht. Durch die freie Programmierbarkeit der Schlagleistung und der Schlagfrequenz über den Arbeitsdruck in der pneumati­ schen Kolben/Zylinder-Einheit können die für den jeweili­ gen Fügefall optimalen Prozeßparameter eingestellt werden.

Damit ist es durch entsprechend ausgebildete Vorsatzteile möglich, das erfindungsgemäße Werkzeug ohne Wechseln des Grundteils zum Einpressen, Nieten, Durchsetzfügen, Nageln, Clinchen, Tackern, Meißeln, Entgraten sowie zu weiteren schlagenden Bearbeitungs- bzw. Montagevorgängen zu verwen­ den (Anspruch 10).

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Werkzeug sich selbsttägig dadurch rüsten kann, daß der Grundteil und der Vorsatzteil über einen Wechselflansch verbunden sind (Anspruch 2). Damit ist es beispielsweise möglich, daß der Industrieroboter, an dem der Grundteil angebracht ist, nacheinander Vorsatzteile einwechselt, die beispiels­ weise einen Einpreßvorgang oder einen Nietvorgang ermögli­ chen.

In jedem Falle erhält man durch den Aufbau des Werkzeugs aus prozeßspezifischen und prozeßneutralen Moduln, die über standardisierte Verbindungsschnittstellen beliebig appliziert werden können, ein hochflexibles, sich automa­ tisch selbstrüstendes Werkzeug, das mit geringem Aufwand und geringen Kosten an die unterschiedlichsten Bearbei­ tungsvorgänge anpaßbar ist.

In jedem Falle ist es von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 3 die Wirkungslinie der Schlageinheit in der Verlängerung der Handachse der Positioniereinheit liegt. Diese Ausbil­ dung hat gegenüber der Verwendung eines C-förmigen Bügels den Vorteil, daß große Reaktionskräfte mit einem ver­ gleichsweise kleinen Werkzeug abgestützt werden können, und daß der Fügepartner vom Werkzeug nicht umgriffen wer­ den muß.

Im Anspruch 4 ist eine Weiterbildung gekennzeichnet, bei der das Werkzeug Dämpfungselemente, beispielsweise Gummi- Metall-Elemente aufweist, so daß nur geringe Vibrationen und Schwingungen vom Werkzeug auf den Industrieroboter übertragen werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Dämpfungselemente unmittelbar am Werkzeug-Flansch vorgese­ hen sind (Anspruch 5), da durch dieser Ausbildung die Schlageinheit einerseits ihre Fügekraft voll "entfalten" kann und andererseits eine optimale Schwingungs- und Vi­ brationsentkopplung zwischen Industrieroboter und Werkzeug gegeben ist.

Bei der im Anspruch 6 angegebenen Weiterbildung, bei der die Vorsatzteile eine Stößel-Wechseleinheit, in der der Stößel des Vorsatzteils geführt ist, und eine Fügeteil- Aufnahmeeinheit aufweisen, die mit der Stößel-Wechsel­ einheit lösbar verbunden ist, wird die Flexibilität des erfindungsgemäßen Werkzeugs weiter erhöht, da ohne Wechsel des "eigentlichen" Vorsatzteils die verschiedensten Füge­ teile durch Einwechseln einer entsprechenden Aufnahme­ einheit gefügt werden können.

Dabei ist es wiederum von Vorteil, wenn die Fügeteil- Aufnahmeeinheit selbsttätig wechselbar ist (Anspruch 7) , da hierdurch ein selbsttätiges Rüsten des Werkzeuges er­ folgen kann.

Die im Anspruch 8 angegebene Weiterbildung, gemäß der der Grundteil einen Stößel aufweist, der mit dem Stößel des Vorsatzteils verbindbar ist, dient ebenfalls der Erhöhung der Flexibilität des Werkzeugs. Darüberhinaus ist durch diese Ausbildung der Einbau zu zusätzlichen Dämpfungsele­ menten möglich, so daß eine besonders effektive Schwin­ gungsentkopplung erfolgen kann.

Selbstverständlich ist es möglich, daß an dem erfindungs­ gemäßen Werkzeug zusätzliche Module von Hand oder selbst­ tätig angebracht werden können, die beispielsweise einen Schmierstoffauftrag, einen Toleranzausgleich oder eine weitergehende Schwingungsdämpfung ausführen (Anspruch 9).

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all­ gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes ausge­ bildetes Werkzeug, und

Fig. 2 einen typischen Montageaufbau unter Verwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs.

Das in Fig. 1 dargestellte Werkzeug weist einen Grundteil 1 und einen Vorsatzteil 2 auf. In dem Grundteil 1 ist als Schlageinheit eine pneumatische Kolben/Zylinder-Einheit 3 vorgesehen. Die Kolben/Zylinder-Einheit ist mit einem Schlagstößel 4 verbunden, der in einem Abschnitt 5 des Grundteils 1 geführt ist, der mit dem die Kolben/Zylinder- Einheit aufnehmenden Gehäuse 1′ des Grundteils über in einer Führung 6′ geführte Führungsstangen 6 verbunden ist, die von Dämpfungsfedern 7 umgeben sind.

Am vorderen Ende des Abschnitts 5 des Grundteils 1 ist eine Verriegelungseinheit 8 vorgesehen, die zum Befestigen des Vorsatzteils 2 dient. Im Vorsatzteil 2 ist ein füge­ teilspezifischer Stößel 9 geführt, an dessen vorderem Ende ein Stößel-Wechseleinheit 10 und eine Fügeteil-Aufnahme­ einheit 11, die mit dem Vorsatzteil lösbar verbunden ist, vorgesehen sind. Die Fügeteil-Aufnahmeeinheit 11 nimmt ein Fügeteil 12, beispielsweise einen zylindrischen Bolzen auf, das in ein nur schematisch dargestelltes Basisteil 13 eingepreßt werden soll.

Ferner befindet sich am Gehäuse 1′ des Grundteils ein Flansch, mit dem das Werkzeug über Dämpfungselemente 14 an einer nicht dargestellten Positioniereinheit anbringbar ist. Mit 15 ist eine Luftzufuhr für die Schlageinheit 3 bezeichnet, deren Betriebsdruck beispielsweise durch die Steuereinheit der Positioniereinheit einstellbar ist.

Ein möglicher Funktionsablauf bspw. für das Einpressen rotationssymmetrischer Teile unterschiedlicher Abmessungen sieht dabei wie folgt aus:
Die prozeßneutrale pneumatisch-schlagende Antriebseinheit 3, die produktspezifiscne Stößelwechseleinheit 10 und die pro­ duktspezifische Fügeteil-Aufnahmeeinheit 11 befinden sich in einer gemeinsamen axialen Wirkungslinie, aber auf un­ terschiedlichen Ebenen am Werkzeugbereitstellungsort. Durch eine einfache axiale Vorschubbewegung mit evtl. überlagerter Drehbewegung können nun von einem Industrie­ roboter die einzelnen Komponenten automatisch aufgenommen werden, so daß sich das Werkzeug selbsttätig rüstet. Nach Beendigung des jeweiligen Prozesses erfolgt die Ablage der entsprechenden Komponenten durch einen einfachen pneumati­ schen Entriegelungsmechanismus am Werkzeugbereitstellungs­ ort. Zur Durchführung eines anderen Fügeprozesses, wie z. B. Nieten kann nun an einem weiteren Bereitstellungsort das Rüsten des Werkzeugs erneut erfolgen. Die spezifischen Prozeßparameter für die unterschiedlichen Verbindungste­ chniken, wie beispielsweise Schlagleistung und Schlagfre­ quenz, können off-line über einen Zellenrechner an die Werkzeug- bzw. Industrierobotersteuerung übergeben werden, so daß neben dem hardwaremäßigen Rüsten auch ein "softwa­ re-mäßiges Rüsten" erfolgen kann.

Eine typische Montageaufgabe besteht beispielsweise darin, einen Zylinderstift in eine Bohrung in einem Stahlteil einzupressen. Dabei hat der Zylinderstift ein Übermaß von ca. 25 µm bei einem zu realisierenden Fügeweg von 40 mm.

Ein typischer Aufbau zur Durchführung einer derartigen Fügeaufgabe ist in Fig. 2 dargestellt. An einem 5-achsigen Vertikalknickarm-Industrieroboter 20 mit Punkt-zu-Punkt- Steuerung ist beispielsweise das in Fig. 1 dargestellte pneumatisch-schlagende Hammerwerkzeug 21 angebracht, das die erforderlichen Fügekräfte erzeugen und gleichzeitig die auftretenden Reaktionskräfte abstützen kann, ohne daß der Industrieroboter eine wesentliche Belastung dadurch erfahren würde.

Die Vorschubbewegung zur Realisierung des Fügewegs erfolgt­ dabei durch den Industrieroboter 20.

Die Leistung des erfindungsgemäßen Werkzeugs entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel der einer pneumatischen Presse mit 5000 N maximaler Fügekraft, wobei die Schlag­ leistung (und -frequenz) frei programmierbar ist, so daß für unterschiedliche Bolzen-Bohrung-Kombinationen die jeweils benötigte Schlagleistung eingestellt werden kann, die hat eine optimale Qualität der jeweiligen Verbindung zur Folge hat. Durch die Verwendung eines 5-achsigen Indu­ strieroboters 20 als Fügeeinheit sind Einpreßvorgänge nahezu in allen beliebigen Raumpunkten möglich. Die auf­ tretenden Schwingungen und Vibrationen werden durch Gummi­ metall-Elemente 14 (siehe Fig. 1) gedämpft, so daß nur geringe Vibrationen auf den Industrieroboter übertragen werden.

Der Industrieroboter arbeitet mit einem 4-achsigen Hori­ zontalknickarmgerät (SCARA) 22 mit Bahn-Steuerung zusam­ men, das sowohl die Bereitstellung des Fügeteils 12 an der Fügestelle als auch den Ausgleich der Positionsabweichun­ gen realisiert. Hierzu wird an der 4. Achse des SCARA- Roboters ein Greifer 15 mit horizontalem Greifweg ange­ bracht, durch den der Stift 12 über dem Basisteil 13 posi­ tioniert werden kann.

Ferner sind mit 16 ein Tisch und mit 17 eine Überwachungs­ einheit, die beispielsweise eine CCD-Kamera aufweisen kann, für die Durchführung des Fügevorgangs bezeichnet.

Die beiden Industrieroboter sind steuerungstechnisch nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander gekoppelt, so daß einerseits eine Kollissionsvermeidung und andererseits ein auf dem jeweiligen Montagevorgang abgestimmter Fügeablauf realisiert werden kann.

Mit dem als Ausführungsbeispiel dargestellten Werkzeug kann beispielsweise mit Dauerschlägen mit einer Frequenz von ca. 60 Hz ein Zylinderstift DIN 6325 6 m 6×40 über 40 mm in einer Taktzeit von 2-3 sec. gefügt werden, wobei die zum Fügen erforderliche Vertikalbewegung durch den Verti­ kalknickarm-Roboter 20 erfolgt.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens und insbesondere ohne Beschränkung der universellen Anwendbarkeit beschrieben worden. Selbstverständlich ist es beispielsweise jederzeit möglich, an dem erfindungsge­ mäßen Werkzeug zusätzliche Module, wie passive oder aktive Toleranzausgleichsmodule anzubringen, wie sie beispiels­ weise in einer am gleichen Tage eingereichten Anmeldung desselben Anmelders beschrieben sind.

Claims (10)

1. Werkzeug zum schlagenden Bearbeiten und Montieren von Werkstücken, das mittels eines Flansches an einer Positio­ niereinheit anbringbar ist, die durch eine Steuereinheit positioniert wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - das Werkzeug weist einen Grundteil (1) auf, in dem als Schlageinheit eine pneumatische Kolben/Zylinder-Einheit (3) angeordnet ist, deren Schlagzahl und Schlagleistung durch Steuerung des Betriebsdruckes durch die Steuerein­ heit einstellbar ist,
• - an den Grundteil sind bearbeitungsspezifische Vorsatz­ teile (2) ansetzbar, die jeweils einen mit der Schlagein­ heit verbindbaren Stößel (9) aufweisen, der wiederum mit einer Fügeteil-spezifischen Aufnahmeeinheit (11) in Wirk­ verbindung steht.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum selbsttätigen Rüsten der Grundteil (1) und der Vorsatzteil (2) über einen Wechsel­ flansch (8) verbunden sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungslinie der Schlag­ einheit (3) in der Verlängerung der Handachse der Positio­ niereinheit liegt.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug Dämpfungselemente (14) aufweist.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (14) an dem Werkzeug-Flansch vorgesehen sind.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsatzteile (2) eine Stößel- Wechseleinheit (10), in der der Stößel (9) des Vorsatz­ teils (2) geführt ist, und eine Fügeteil-Aufnahmeeinheit (11) aufweisen, die mit der Stößel-Wechseleinheit (10) lösbar verbunden ist.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeteil-Aufnahmeeinheit (11) selbsttätig wechselbar ist.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundteil (1) einen Stößel (4) aufweist, der mit dem Stößel (9) des Vorsatzteils (2) verbindbar ist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Module einwechsel­ bar sind, die beispielsweise einen Schmierstoffauftrag, einen Toleranzausgleich oder eine Schwingungsdämpfung durchführen.

10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Vorsatzteile zum Einpressen, Nieten, Durchsetzfügen, Nageln, Tackern, Meißeln oder Entgraten vorgesehen sind.