DE4125946A1 - Verfahren zum zusammenbauen von konstruktionen, insbesondere von luftfahrttechnischen konstruktionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbauen von Konstruktionen, insbesondere von luftfahrttechnischen Konstruk­ tionen, durch automatisches Vernieten. Die Befestigung der Teile erfolgt also durch automatisches Vernieten oder mit Hilfe anderer Befestigungsmittel, wobei man zwei miteinander gekoppelte Maschinen verwendet, die gleichzeitig an ein­ ander entgegengesetzten Seiten des Werkstücks arbeiten. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung werden die Maschinen an dem Arbeitspunkt oder Einsatzpunkt, an dem die Bearbeitung erfolgen soll, ausgerichtet, die Teile werden geklemmt, und alle erforderlichen Arbeiten werden ausgeführt, ohne daß man die Hauptachsen der Maschine bewegt oder verstellt. Nach der Erfindung ist demgemäß bei dem neuen Verfahren vorgesehen, daß am Arbeits- bzw. Einsatzpunkt ein Paar von Werkzeugmaschinen an einander gegenüberliegenden Seiten des zu bearbeitenden Werkstücks positioniert werden bzw. sich selbst positionieren, an den obigen Werkzeugmaschinen angebrachte preßdruckausübende Vorrichtungen in ihre Arbeits­ stellung vorgeschoben werden, in der sie das Werkstück fest­ klemmen, die zum Ausführen der verschiedenen Arbeitsopera­ tionen erforderlichen Werkzeuge der teilnehmenden Werkzeug­ maschinen ausgerichtet und in Arbeitsstellung gebracht werden, ohne daß die Klemmung des Werkstücks aufgehoben wird, und nach Beendigung des Arbeitszyklus das Werkstück freigegeben wird und die Werkzeugmaschinen zur nächsten Arbeitsstelle (Arbeits- bzw. Einsatzpunkt) vorgeführt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat eine spezifische, wenn auch nicht ausschließliche Anwendungsmöglichkeit auf dem Gebiet der luftfahrttechnischen Konstruktionen zum Zu­ sammenbau von Flugzeug-Aufbauten, z. B. während des Zusammen­ fügens von Flugzeugpaneelen, bei dem man beträchtlichen Schwierigkeiten begegnet. Diese Schwierigkeiten gehen auf die Tatsache zurück, daß verschiedene unterschiedliche Arbeits­ operationen ausgeführt werden müssen mit geringsten Toleran­ zen, an Werkstücken, bei denen es schwierig ist, sie zu positionieren und zu handhaben, z. B. beim Behandeln von Paneelen für den Flugzeugrumpf. Diese sind in der Tat Gegen­ stände von beträchtlicher Größe - ihre Länge und Breite kann eine Anzahl von Metern betragen -, wobei sie sehr dünn sind und auch gebogen bzw. gewölbt sind. Dennoch müssen sie am gebogenen und gewölbten Aufbau des Flugzeugs durch Nieten befestigt werden. Damit dies getan werden kann, müssen die zu bearbeitenden Werkstücke zunächst positioniert und sodann miteinander verklemmt werden, und es muß eine Reihe von Arbeitsoperationen, einschließlich Bohren, mög­ licherweise Entgraten und Senken der Bohrung, Aufbringen des Klebstoffes, das Einfügen der Niete und deren Verklinken bzw. Verpressen, ausgeführt werden.

Bis vor wenigen Jahren sind die obigen Arbeitsoperationen noch von Hand mit Hilfe von sogenannten Bohrmasken und -werk­ zeugen ausgeführt worden, die in der Lage waren, bei einer bestimmten Tiefe zu arbeiten. Lediglich in den letzten Jahren sind Werkzeugmaschinen entwickelt worden, die in der Lage sind, eine Reihe von Arbeitsoperationen automatisch und mit der notwendigen Präzision auszuführen. Maschinen dieser Art bestehen aus einem Aufbau, der entlang einer Triade oder Dreiergruppe von kartesischen Achsen beweglich ist, an dem ein Werkzeugträgerkopf mit Bewegungsfreiheit in zwei oder mehr Richtungen angebracht ist, an dem jedes Mal Werk­ zeuge oder die entsprechenden Endeffektoren angebracht werden. Jedes Mal, wenn die Endeffektoren ersetzt werden, müssen elektronische und mechanische Variablen (Nullpunkte) der Maschine neu eingestellt werden. Da dies eine Prozedur ist, die beachtliche Zeit in Anspruch nimmt, werden alle Arbeits­ operationen einer bestimmten Art mit bekannten automatischen Verfahren zuerst am Paneel ausgeführt, woraufhin das Paneel vom Träger oder der Unterstützung entfernt wird und gelagert wird, woraufhin dieselben Operationen am nächsten Paneel ausgeführt werden. Nach Beendigung wird die Maschine ange­ halten, der Endeffektor ersetzt, und die Paneele werden einer nach dem anderen wieder auf dem Support positioniert, so daß man mit der nächsten Operation beginnen kann. So z. B. müssen zunächst alle Bohrungen eines bestimmten Durch­ messers ausgeführt werden, dann wird der Endeffektor ersetzt, die Niete werden in die Stelle gebracht usw. Es ist offen­ sichtlich, daß diese Lösung eine Anzahl von Schwierigkeiten erzeugt, weil eine große Anzahl von Werkstücken bewegt und gelagert werden muß, die nur schwer zu handhaben sind und an denen nicht alle Arbeitsoperationen ausgeführt werden können.

In anderen Fällen werden zunächst alle Bohrungen gebohrt, dann wird der Klebstoff in jede Bohrung eingebracht, und schließlich werden die Niete eingesetzt. Dieses System führt jedoch ebenfalls zu Zeitverlusten beim Ersetzen der Endeffektoren, außerdem besteht die Möglichkeit, daß Fehler beim Wiedereinstellen oder Wiederpositionieren der Maschinen auftreten.

Weiterhin gibt es auch Maschinen, die alle Arbeitsoperationen an jedem Loch ausführen, bevor man zum nächsten Loch geht. Diese sind jedoch feststehende Maschinen, was bedeutet, daß die Werkstücke bewegt werden müssen und daß sie in die Maschine eingesetzt werden müssen, wenn man die Operationen ausführen will. Dieses Verfahren hat offensichtlich Grenzen insofern, als die Größe des Werkstücks durch die Größe der Maschine begrenzt wird, von dieser abhängt.

Aus diesem Grunde hat man den Wunsch gehabt, eine Möglichkeit zu schaffen, die es erlaubt, alle erforderlichen Arbeits­ operationen für das Anordnen des Befestigungsmittels nachein­ ander auszuführen, ohne daß man die Maschine anhalten oder gar bewegen muß. Zu dem oben genannten Zweck schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für den Zusammenbau von Konstruktionen oder Strukturen vor, insbesondere auf dem Arbeitsgebiet der Luftfahrttechnik, bei dem ein Maschinen­ paar verwendet wird, dessen Maschinen gleichzeitig, jedoch an einander entgegengesetzten Seiten des Paneels oder des zusammenzufügenden Werkstücks arbeiten.

Dieses Verfahren ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und in den nachfolgenden Unteransprüchen beschrieben. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bewegen sich die Maschinen von sich aus zum Arbeitspunkt oder Einsatz­ punkt, der in Linie mit der Bohrung ausgerichtet ist, sie klemmen dann die Teile zusammen und führen sodann alle erforderlichen Operationen aus, wobei das Werkzeug automa­ tisch ersetzt wird. Maschinen, welche die Endeffektoren automatisch ersetzen, sind in der italienischen Patentanmel­ dung 44 815 A/89 und deren entsprechender deutscher Patent­ anmeldung 40 17 351.8 derselben Anmelderin beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine beim erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzende Maschine in ihrer Gesamtheit in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Trägerplatte für die Endeffektoren, anzuwenden bei dem Werkzeugträgerkopf der Maschine nach Fig. 1, in einer Seitenansicht im Schnitt und in größe­ rem Maßstab,

Fig. 3 eine für die Anwendung des Verfahrens bestimmte Einheit, bestehend aus zwei paarweise einander zugeordneten Maschinen, die gleichzeitig auf das­ selbe Werkstück arbeiten, in schematischer Darstel­ lung, wiederum in kleinerem Maßstab,

Fig. 4 die Reihe von Operationen zum Einsetzen der Niete, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung durchge­ führt werden, in schematischer Darstellung,

Fig. 5 ein die erfindungsgemäße Anordnung und ihre Steue­ rung darstellendes Blockdiagramm und

Fig. 6 ein Blockdiagramm, das die aufeinanderfolgenden Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet ein Paar von Maschinen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Diese enthalten einen Träger 1, der sich entlang der Grundplatte 2 in Richtung der X-Achse bewegt. An diesem Träger ist ein Metallrohr 3 angeordnet, das entlang den Y- und Z-Achsen beweglich ist, die zusammen mit der X-Achse eine kartesische Triade bilden. Am Ende des Metallrohres oder -arms 3 ist ein Werk­ zeugträgerkopf 4 angeordnet, der Freiheit für Bewegungen in zwei Richtungen besitzt, die durch die Drehachsen A und C definiert sind. Der Werkzeugträgerkopf 4 hat Befestigungs­ möglichkeiten für das schnelle Anbringen einer endeffektoren­ tragenden Kupplungsplatte, wie sie im Schnitt in Fig. 2 gezeigt ist. Die am Werkzeugträgerkopf 4 angebrachte Kupp­ lungsplatte hat Bewegungsfreiheit in zwei Richtungen entlang von zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen V und W, wobei die letztere rechtwinklig zu der Ebene der Zeichnung in Fig. 5 ist. Diese Maschinen sind bereits bekannt, sie sind bereits beschrieben worden z. B. in der italienischen Patentanmeldung 44 804 A/88, veröffentlicht am 9. 9. 1989 (deutsche Patentanmeldung P 39 06 380.1), für Einzelheiten dieser Maschinen wird Bezug genommen auf diese Veröffent­ lichung. Für das bessere Verständnis der hier vorgetragenen Gedanken reicht es aus, wenn man weiß, daß eine Reihe von Endeffektoren an der Kupplungsplatte angebracht ist, von denen jeder mit einem Werkzeug versehen ist, dessen Achse parallel zur W-Achse verläuft. Die Endeffektoren werden jeder zum Arbeits- bzw. Einsatzpunkt hingeführt, indem man die Kupplungsplatten entlang der V-Achse bewegt, woraufhin die einzelnen Endeffektoren nach vorn bewegt werden entlang der W-Achse, wobei die Bewegungen gesteuert werden durch das CNC (rechnerunterstützte numerische Steuerung) der Ma­ schine, welches die Ausführung der betreffenden Aufgaben überwacht.

Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet ein Paar solcher Maschinen, die gleichzeitig an einander gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks arbeiten. Jede der Maschinen ist mit einer Kupplungsplatte ausgerüstet, an der eine Anzahl von Endeffektoren angebracht ist. Diese Endeffektoren können die gleichen für beide Maschinen sein oder unterschiedlich für jede Maschine, entsprechend der Art der auszuführenden Arbeitsoperation.

Bei dem besonderen Fall des Vernietens werden die Endeffek­ toren an einer der Maschinen mit Werkzeugen angebracht, die in der Lage sind, gegen das zu bearbeitende Werkstück anzudrücken, um es in der Stellung zu halten, außerdem mit Werkzeugen, die die Operationen des Bohrens und Senkens ausführen können, mit Werkzeugen zum Anbringen von Klebstoff und zum Einsetzen und Verpressen oder Verstemmen der Niete.

An der zweiten Maschine sind außer einer preßdruckausübenden Vorrichtung, die mit derjenigen der ersten Maschine zusammen­ wirken kann, Vorrichtungen vorgesehen, die zum Reinigen der Bohrung, zum Entgraten bzw. Abgraten dienen und eventuell auch prüfen können, ob ein Niet oder ein Gegenstück bzw. Amboß vorhanden sind.

In Fig. 4 ist ein Diagramm gezeigt, das eine Reihe von Arbei­ ten bei einem Nietoperations-Zyklus, bei dem das erfindungs­ gemäße Verfahren verwendet wird, darstellt. In dieser Zeich­ nung ist das zu bearbeitende Werkstück mit 5 bezeichnet. Die Zahlen 6 bis 10 bezeichnen die verschiedenen Endeffekto­ ren, die an der Maschine angebracht sind, während P und P′ die preßdruckausübenden Vorrichtungen sind. Die erste Phase des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, beide Maschine in Linie mit dem Arbeits- bzw. Einsatzpunkt zu bringen (Phase a). Beide Maschinen sind ausgerüstet mit preßdruckausübenden Vorrichtungen oder Druckvorrichtungen P und P′, die nach vorn bewegt werden, bis sie die zu be­ arbeitenden Teile, z. B. ein Paneel und der entsprechende Träger, an dem dieses angebracht werden muß, festklemmen (b). Die zur Zeit bekannten Druckvorrichtungen oder preß­ druckausübenden Vorrichtungen, die auch bei den hier in Frage stehenden Maschinenarten verwendet werden, besitzen bekannte Vorrichtungen, die es erlauben, daß der Preßdruck reguliert wird, also eingestellt werden kann, um Beschädi­ gungen des Werkstücks zu verhindern. Sobald die Teile ver­ klammert bzw. festgeklemmt worden sind, und wobei die Maschi­ nen ihre Stellung beibehalten bringt die erste der Maschinen (die wir als Haupt- oder Leit- bzw. Master-Maschine bezeich­ nen wollen) das Bohrwerkzeug (c) in die richtige Stellung in der Achse, und dann wird ihr Vorlauf entlang der W-Achse gesteuert, damit die Bohr- und Senkoperation durchgeführt werden kann (d). Das Werkzeug wird sodann zurückgezogen, während das Werkstück blockiert bleibt, und die zweite Ma­ schine (eine Tochtermaschine oder Nebenmaschine zur ersten Maschine) bewegt einen Endeffektor nach vorn, damit der Staub weggeblasen wird oder damit entgratet bzw. abgegratet wird (e). Die Master-Maschine oder Haupt-Maschine bringt sodann den zweiten Endeffektor (f) in die Stellung und steuert seinen Vorlauf zum möglichen Aufbringen des Klebstoffs (g). Am Ende dieser Operation wird der Endeffektor zurückgezogen (h), und die Haupt-Maschine bringt das dritte Werkzeug (i) in die Stellung für das Einsetzen des Niets. Der Niet wird sodann eingesetzt, wobei die Tatsache, ob er auch wirklich anwesend ist, von einem Endeffektor überprüft wird, der auf der zweiten Maschine, der Tochtermaschine, angeordnet ist, wonach der Niet verstemmt oder verklemmt wird (l). Schließlich wird das Werkzeug, das das Verstemmen oder Ver­ klinken des Niets durchgeführt hat (m), zurückgezogen, und das Werkstück wird freigegeben, da der Befestigungszyklus vollständig ist. Die Maschinen können sich nunmehr auf den zweiten Arbeits- oder Einsatzpunkt einstellen, und ein neuer Zyklus kann beginnen.

Ein charakteristischer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß alle für die Vervollständigung eines Arbeitszyklus erforderlichen Arbeitsoperationen ausge­ führt werden bei festgeklemmtem Werkstück und ohne daß die Achsen der Maschine bewegt bzw. verstellt werden.

Dies führt zu offensichtlichen Vorteilen, sowohl hinsichtlich der Zeitersparnis als auch hinsichtlich der erzielten größeren Präzision. Ein Diagramm des Steuersystems der Maschine ist in Fig. 5 dargestellt. Die Tätigkeit beider Maschinen wird mit Hilfe eines Haupt-Computers 10 gesteuert, mit dem ein Endanschluß 11 eines Operators, ein Drucker 12 und ein Platten­ system für das Speichern von Programmen sowie ein Sicherheits­ band-System verbunden sind. Der Haupt-Computer ist über ein Ethernet-Netzwerk, das ISO/OSI-Protokoll verwendet, mit den beiden Maschinen oder Robotern 15 und 16 verbunden und mit einem Steuergerät, das dem Lauf der Ausrüstung und der zu bearbeitenden Werkstücke und den relativen automati­ schen und semi-automatischen Mechanismen für das Positionie­ ren und für das Festhalten an dem Arbeits- oder Einsatz­ punkt zugeordnet ist.

Die numerische Steuerung jedes Roboters wird von dem Steuer­ gerät der Endeffektoren und vom Steuergerät 20 der Vorrich­ tung für die Zuführung der Niete vorgenommen, die ihrer­ seits Niete von einer Zuführstation 21 erhält. Jeder Roboter ist mit einem Sensor 18 kombiniert ("interfaced").

Bevor der Arbeitszyklus in Gang gesetzt wird und sobald das Steuergerät 17 bestätigt, daß das zu bearbeitende Werk­ stück positioniert ist, bewegt der Roboter den Fühler 18 nach vorn, und die Maschine stellt sich ein, entsprechend der Lage des durch den Fühler festgestellten Werkstücks.

Das Netzwerk, das die Roboter mit den Steuergeräten 19 und 20 verbindet, ist von der BITBUS-Art (ein INTEL-Markenname).

In Fig. 6 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das die Zuordnung und den Rang der verschiedenen Arbeitsphasen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zeigt. Die Bedeutung dieses Blockdiagramms ergibt sich klar für die Fachleute des Sektors.

Aus der obigen Beschreibung ergeben sich klar die Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung. Sobald die zusammenzu­ fügenden Teile in ihrer Lage festgestellt worden sind, können Arbeitsoperationen zum Einsetzen des Befestigungsmittels ohne Freigeben der Teile und ohne Bewegen der Maschinenachsen mit größerer Geschwindigkeit und Präzision ausgeführt werden.

Ein Fachmann kann eine Anzahl von Abänderungen und Varia­ tionen des Erfindungsgedankens erkennen, alle diese müssen jedoch als innerhalb der Grenzen der vorliegenden Erfindung befindlich gehalten werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Zusammenbauen von Konstruktionen, insbe­ sondere von luftfahrttechnischen Konstruktionen, durch auto­ matisches Vernieten, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) am Arbeits- bzw. Einsatzpunkt ein Paar von Werkzeugmaschi­ nen an einander gegenüberliegenden Seiten des zu bearbei­ tenden Werkstücks positioniert werden bzw. sich selbst positionieren;
• b) an den obigen Werkzeugmaschinen angebrachte preßdruck­ ausübende Vorrichtungen werden in ihre Arbeitsstellung vorgeschoben, in der sie das Werkstück festklemmen;
• c) die zum Ausführen der verschiedenen Arbeitsoperationen erforderlichen Werkzeuge der teilnehmenden Werkzeugmaschi­ nen werden ausgerichtet und in Arbeitsstellung gebracht, ohne daß die Klemmung des Werkstücks aufgehoben wird;
• d) nach Beendigung des Arbeitszyklus wird das Werkstück freigegeben, und die Werkzeugmaschinen werden zur nächsten Arbeitsstelle (Arbeits- bzw. Einsatzpunkt) vorgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Arbeitsoperationen eines Arbeitszyklus ausgeführt werden, ohne daß die Maschinenachse bewegt bzw. verstellt wird.

3. Verfahren zum Zusammenbauen von Konstruktionen, insbesonde­ re von luftfahrttechnischen Konstruktionen, durch automa­ tisches Vernieten, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Paar von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen am Arbeits- bzw. Einsatzpunkt an einander gegenüberliegen­ den Seiten des Werkstücks und in einander entgegengesetzten Positionen positioniert werden bzw. sich selbst positio­ nieren;
• b) von beiden Seiten wird auf das Werkstück durch an den Werkzeugmaschinen angeordnete Druckvorrichtungen Druck ausgeübt, um die Tafeln mit einem gesteuerten und kontrol­ lierten Klemmdruck zu klemmen;
• c) die Endeffektoren der ersten Werkzeugmaschine werden so bewegt, daß ein Bohrwerkzeug in Linie zur Bohrung ausgerichtet wird;
• d) das Werkzeug wird vorbewegt, um die Bohr- und Senkoperation auszuführen;
• e) das Werkzeug wird sodann zurückgezogen, und gleichzeitig wird ein an der zweiten Werkzeugmaschine angeordneter Endeffektor in seine Arbeitsstellung überführt, in der er die Entgrat- bzw. Abgratoperation ausführt;
• f) ein an der ersten Werkzeugmaschine angebrachter zweiter Endeffektor wird in Linie mit der Bohrung für den aufzu­ bringenden Klebstoff gebracht, und ein dritter an der ersten Werkzeugmaschine angebrachter Endeffektor dient dazu, den Niet zuzuführen;
• g) der Niet wird verklinkt bzw. festgepreßt bzw. verstemmt;
• i) das Werkstück wird freigegeben, und die Werkzeugmaschinen werden zum nächsten Arbeits- bzw. Einsatzpunkt vorgeführt.