DE4213421A1 - Taumelnietwerkzeug - Google Patents
TaumelnietwerkzeugInfo
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- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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Description
Die Erfindung betrifft ein Taumelnietwerkzeug, das
aus einem Taumelkopf mit integriertem Nietstempel,
einem Drehantrieb und einem linearen Vorschubantrieb
des Taumelkopfes besteht und besondere flexibel und
variabel einsetzbar ist.
Bei der Herstellung von Nietverbindungen ist neben
dem Pressen oder Schlagen auch das Taumelnietverfah
ren bekannt. Beim Taumelnieten wird der Schließkopf
durch eine rotatorische Bewegung des Nietstempels
überlagert mit gleichzeitiger axialer Vorschubbewe
gung, und dabei beschreibt der Nietstempel in Abhän
gigkeit von seinem Neigungswinkel zur Vorschubachse
(zwischen 2° und 5°) einen Kegel. Durch diese Über
lagerung der beiden Bewegungen wird der Nietschaft
nur örtlich umgeformt und dadurch eine deutliche Ver
ringerung der erforderlichen Umformkräfte erreicht.
Die bisher im Handel zu beziehenden Taumelnietmaschi
nen, die in verschiedenen Baugrößen und Leistungsstu
fen verfügbar sind, sind für einen flexiblen und va
riablen Einsatz, wie er bei der Bearbeitung von rela
tiv kleinen und mittleren Losgrößen erforderlich ist,
ungeeignet, da die Umrüstzeiten sehr hoch sind und
der manuelle Arbeitsaufwand ebenfalls groß ist.
Besonders große Schwierigkeiten ergeben sich bei der
eventuell erforderlichen Anpassung an verschiedene
Werkstückgeometrien, die in der Regel nur dadurch
gelöst werden kann, daß Vorrichtungen zum Halten der
Werkstücke so ausgelegt sind, daß das Werkstück ent
sprechend der Lage des Gegenhalters und dem Taumel
kopf des Nietwerkzeuges ausgerichtet und gehalten
werden.
In der Regel ergeben sich außerdem Schwierigkeiten
durch die relativ großen Massen der bekannten Tisch-
und Ständernietmaschinen, um die entsprechend großen
Reaktionskräfte beim Nietvorgang auffangen zu können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Taumelnietwerk
zeuge weiterzubilden, so daß sie in der Lage sind,
bei geringer Größe und Masse in kürzester Zeit und
ohne bzw. mit geringem materiellen Aufwand umgerüstet
werden können und in der Lage sind, sich weitestge
hend an die Werkstückgeometrie anzupassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn
zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannte
Merkmal gelöst. Besonders vorteilhafte Wirkungen er
geben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
Mit der Verbindung von Taumelnietwerkzeug und Indu
trieroboter ergibt sich eine wesentlich flexiblere
Verwendbarkeit, besonders in bezug auf die schnelle
und einfache Anpaßbarkeit an verschiedene Werkstück
geometrien und die Umrüstbarkeit, beim Verbinden von
Werkstücken, auch bei nur kleinen bis mittleren Los
größen.
Durch die Gestaltung des Taumelnietwerkzeuges mit dem
winkelförmigen Bügel, an dessen einem Schenkel der
Gegenhalter gehalten wird und an dessen anderem
Schenkel in einer Führung ein Schlitten, der zur Auf
nahme des Taumelkopfes und dessen Vorschubes und
Drehantriebes ausgebildet ist, linear bewegbar ist,
und durch die Aufbringung der Vorschubkraft mit hy
draulischen Mitteln, wobei die Kräfte am winkelförmi
gen Bügel und am Schlitten abgestützt sind, können
sowohl in Größe als auch in Masse das gesamte Werk
zeug und auch der Industrieroboter relativ klein ge
baut werden.
Günstig ist es außerdem bei der Verbindung von Werk
stückgeometrien, die nicht orthogonal zur Vorschubbe
wegung des Taumelkopfes liegen, daß eine Antriebswel
le am Schlitten oder am winkelförmigen Bügel an
greift, die mittels eines Drehantriebes das gesamte
Taumelnietwerkzeug in eine geneigte Lage bringen
kann, so daß die Vorschubbewegung orthogonal zur Ebe
ne der zu verbindenden Werkstücke ausgerichtet werden
kann. Hieraus resultiert eine wesentlich höhere Va
riabilität, besonders wenn das Taumelnietwerkzeug mit
Industrierobotern kombiniert wird, die über eine be
grenzte Anzahl von Freiheitsgraden verfügen. Der Ein
satzbereich des Werkzeuges kann dabei außerdem erwei
tert werden, indem die Drehantriebswelle zur Neigung
des Taumelnietwerkzeuges an Flanschen befestigbar ist
und je nach Bedarf und gewünschter Schwenkrichtung
die Antriebswelle ein Schwenken in verschiedenen Ach
sen ermöglicht. So kann z. B. ein entsprechender
Flansch an einem Schenkel des winkelförmigen Bügels,
auf dem sich der Gegenhalter befindet, auf dessen
gegenüberliegender Seite des Bügels vorhanden sein
und ein weiterer rechtwinklig zu diesem ausgerichte
ten am gleichen Bügel befestigt sein. Außerdem be
steht die Möglichkeit der Befestigung eines Antriebs
wellenflansches am anderen Schenkel des winkelförmi
gen Bügels oder am Schlitten. Dies kann auch dort in
bereits beschriebener Form erfolgen, so daß eine
Schwenkung des Werkzeuges in zwei Achsen nach dem
Umstecken der Drehantriebswelle von einem Flansch auf
den anderen möglich ist.
Durch die Kombination dieser Schwenkbarkeit mit den
Möglichkeiten des Industrieroboters kann der Einsatz
auch bei verschiedensten Werkstückgeometrien erfol
gen.
Ein schnelles und gut automatisierbares Umrüsten des
Werkzeuges entsprechend den erforderlich Nietarten
und Geometrien wird dadurch erreicht, daß der Taumel
kopf mit integriertem Nietstempel im Schlitten mit
einer lösbaren Arretierung gehalten wird und bei er
forderlichem Wechsel auf einfache Weise diese Arre
tierung gelöst wird. Dabei wird der Taumelkopf in
eine Lage gebracht, daß er ohne weitere Hilfsmittel
und zusätzlichen Aufwand allein durch das eigene Ge
wicht in eine entsprechende Aufnahme gleitet. Darauf
hin wird das Werkzeug weiterbewegt, so daß ein neuer
Taumelkopf aufgenommen und mittels der lösbaren Arre
tierung im Werkzeug gehalten wird. Der Gegenhalter
ist an einem Schenkel des winkelförmigen Bügels gegen
seitliches Verrutschen formschlüssig gehalten und
wird gleichzeitig kraftschlüssig, vorzugsweise durch
Unterdruck oder elektromagnetische Kräfte, gegen ein
unerwünschtes Herausfallen gehalten. Dadurch ist ein
einfacher Austausch auch des Gegenhalters in automa
tisierter Form möglich, und ein Verschleiß auch nach
häufigem Wechsel tritt nicht auf, da keine mechani
schen Teile vorhanden sind, die den Gegenhalter in
seiner Lage fixieren.
Sowohl die Vorschubbewegung als auch die Drehbewegung
des Taumelkopfes mit dem integrierten Nietstempel
wird mittels Fluiden realisiert. Dabei kann die Vor
schubbewegung über einen Druckzylinder, der den
Schlitten bewegt und gleichzeitig am winkelförmigen
Bügel abgestützt ist, bei geringem räumlichen Aufwand
und guter Regelbarkeit realisiert werden. Zur Rege
lung eignen sich besonders elektrisch bzw. elektro
nisch angesteuerte Regelventile, die die Vorschubge
schwindigkeit und die Fügekraft in gewünschter Form
beeinflussen. Auch für die Drehbewegung, die beim
Taumelnietverfahren die lineare Vorschubbewegung
überlagert, können Fluide als Antriebsmittel verwen
det werden. So kann beispielsweise ein Luftdruckmotor
am Schlitten oberhalb des Taumelkopfes angebracht
sein, der direkt mit einem Getriebe, das vorzugsweise
ein Planetensatz ist, eine Antriebswelle antreibt und
diese über eine Reibkupplung das Drehmoment direkt an
den Taumelkopf abgibt. Dadurch wird gesichert, daß
eine Zerstörung des Nietstempels bei Überlastung
durch die Verwendung und entsprechende Auslegung der
Reibkupplung verhindert wird.
Fluidantriebe haben weiterhin den Vorteil, daß sie
keine elektromagnetischen Felder hervorrufen, wie das
bei Elektromotoren der Fall ist, die die Meßergebnis
se von eingesetzten Sensoren verfälschen können. Sol
che Sensoren sind zur Bestimmung des Vorschubes am
Schlitten oder am winkelförmigen Bügel als Positions
sensor, zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit des
Nietstempels beispielsweise am Drehantrieb oder einer
anderen geeigneten Stelle des Schlittens angebracht.
Am Schenkel des winkelförmigen Bügels, an dem der
Gegenhalter befestigt ist, ist ein zusätzlicher
Druckkraftsensor vorhanden, der die Fügekraft mißt.
Mit Hilfe der Meßsignale dieser drei Sensoren ist
eine reproduzierbare, den verschiedenen Nietformen
und Nietmaterialien angepaßte Durchführung des Niet
vorganges möglich. Dabei werden die Meßsignale aller
drei Sensoren zeitsynchron einem Prozeßrechner zuge
führt, der diese mit in einer Prozeßdatei abgespei
cherten Prozeßparametern vergleicht und im Ergebnis
dieses Vergleiches Signale an die Regeleinrichtungen
zur Korrektur der Vorschubgeschwindigkeit mit gleich
zeitiger Fügekraftsteuerung und Steuerung der Drehge
schwindigkeit des Taumelkopfes mit integriertem Niet
stempel sowie der derzeitigen Roboterposition über
mittelt. Hierzu ist es erforderlich, daß entweder
programmgesteuert oder manuell das entsprechende
Nietmaterial und die zu realisierende Nietform mit
den dazugehörigen Nietstempeln in den Prozeßrechner
eingegeben werden. Dabei sollten Möglichkeiten beste
hen, die Prozeßparameterdatei zu ergänzen bzw. zu
verändern, um die Variabilität und Qualität ständig
auf höchstem Niveau zu halten.
Zusätzlich zu diesen bisher genannten drei Sensoren
kann an der Antriebswelle, die zur Schwenkung des
kompletten Taumelnietwerkzeuges in bereits beschrie
bener Form an diesem befestigt ist, ein Drehwinkelge
ber vorgesehen sein, dessen Signale zur Steuerung des
Drehantriebes dieser Welle ebenfalls über den Prozeß
rechner und einen entsprechenden Schrittmotor, der
direkt oder über ein zusätzliches Getriebe mit der
Antriebswelle verbunden ist, erfolgen.
Die Antriebswelle ist dabei in einem Gehäuse gela
gert, das gleichzeitig eine Flanschausbildung auf
weist, die zur Befestigung an Industrierobotern aus
gebildet ist. Die Anordnung des Flansches an diesem
die Antriebswelle aufnehmenden Gehäuse hat den Vor
teil, daß durch die Schwenkbarkeit des Taumelniet
werkzeuges eine größere Variabilität der Kombination
auch mit dem Industrieroboter erreicht wird.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausfüh
rungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt da
bei die Figur eine Seitenansicht eines erfindungsge
mäßen Taumelnietwerkzeuges.
Als Trägerelement dient dabei ein winkelförmiger Bü
gel 1, bei dem ein Schenkel als Träger des Gegenhal
ters 4 ausgebildet ist. Die Länge dieses Schenkels
beeinflußt zum einen den Einsatzbereich des Werkzeu
ges und ist zum anderen durch die auftretenden Füge
kräfte und die daraus hervorgehende Verformung des
Bügels 1 begrenzt. Am anderen Schenkel des winkelför
migen Bügels 1 ist eine Führung vorgesehen, in der
ein Schlitten 5 entsprechend der Vorschubbewegung des
Taumelkopfes 6 linear in Richtung des Gegenhalters 4
bewegbar ist. Ebenfalls in diesem Schenkel sind Hy
draulikleitungen in Form von Kanälen oder als aufge
setzte Rohre bzw. Druckleitungen vorgesehen, die den
Vorschub des Schlittens realisieren. Dabei wird die
Hydraulikflüssigkeit über ein Hydraulik-Servoventil 3
einem Kolben 12, der am Schenkel des winkelförmigen
Bügels 1 abgestützt ist, zugeführt und der Kolben
bewegt den Schlitten 5. Dabei werden über den Flüs
sigkeitsdruck und den entsprechenden Volumenstrom die
Vorschubgeschwindigkeit und gleichzeitig die Füge
kraft beeinflußt. Zur Bestimmung der Stellung des
Schlittens 5 ist an diesem Schenkel ein Linearpoten
tiometer 19 als Positionssensor vorgesehen. Zur Mes
sung der Fügekraft ist ein entsprechender Druckkraft
sensor 20 an dem anderen Schenkel des winkelförmigen
Bügels 1 angebracht. In diesem Beispiel handelt es
sich dabei um Dehnmeßstreifen, die die Verformung des
winkelförmigen Bügels 1 als proportionales Meßsignal
für die Fügekraft ausnutzen. Es können aber ebenso
piezoelektrische Elemente verwendet werden, die bei
spielsweise unterhalb des Gegenhalters 4 angeordnet
sind.
Am Schlitten 5 ist auf der Achse des Gegenhalters 4
der Taumelkopf 6 mit integriertem Nietstempel 7 mit
tels Kugeln, die in arretiertem Zustand in Aussparun
gen des Taumelkopfes 6 greifen, gehalten. Zum Aus
tausch des kompletten Taumelkopfes 6 ist es günstig,
wenn die Kugeln mit beispielsweise elektromagneti
schen oder mechanischen Mitteln aus den Aussparungen
gelöst werden und der Taumelkopf durch sein Eigenge
wicht in eine Aufnahme einer automatischen Wechsel
vorrichtung 8 gleitet, die sich im Aktionsbereich des
Taumelnietwerkzeuges und/oder des Industrieroboters
befindet. Anschließend wird das Taumelnietwerkzeug
entweder durch den angeflanschten Industrieroboter
oder durch eigenes Schwenken zur nächsten Aufnahme
bewegt. Ein neuer Taumelkopf mit anderer Nietstempel
form wird aufgenommen und entgegengesetzt zum bereits
beschriebenen Lösen mittels der wiederum in die Aus
sparung dieses neuen Taumelkopfes 6 eingreifenden
Kugeln gehalten.
Die Drehbewegung des Taumelkopfes wird in diesem Bei
spiel durch einen Druckluftmotor 9 realisiert, der
über einen Planetengetriebesatz 10 und eine Antriebs
achse 11 über eine in dieser Darstellung nicht er
kennbare Reibkupplung den Taumelkopf 6 direkt an
treibt. Zum Messen der Drehgeschwindigkeit des Tau
melkopfes ist ein Drehzahlsensor 18 am Schlitten be
festigt.
Zur Schwenkung des gesamten Taumelnietwerkzeuges -
unabhängig von den Möglichkeiten des mit dem Taumel
nietwerkzeug verbundenen Industrieroboters - kann ein
Schwenkantrieb vorgesehen sein, der entweder über
eine Antriebswelle 15 am winkelförmigen Bügel 1 oder
am Schlitten 5 angreift. In diesem Falle erfolgt der
Angriff der Antriebswelle 15 am Schenkel des winkel
förmigen Bügels 1, an dem der Schlitten 5 geführt
ist. Der Angriffspunkt kann aber je nach Bedarf und
Einsatzzweck auch in andere Bereiche oder sogar Rich
tungen verlagert sein. Die Antriebswelle 15 ist dabei
in einem Gehäuse 13 gelagert und aufgenommen, in dem
gleichzeitig ein Schrittmotor 14 integriert ist. In
vorteilhafter Weise ist ein Teil des Gehäuses 13 als
Aufnahmeflansch zur Befestigung am nicht dargestell
ten Industrieroboter ausgebildet. Dadurch kann die
Schwenkbewegung des Taumelnietwerkzeuges als zusätz
licher Freiheitsgrad zu den bereits vorhandenen Frei
heitsgraden des Industrieroboters addiert werden. Für
eine automatisierte Steuerung - auch der Schwenkbewe
gung - ist ein Drehwinkelsensor 16 an der Antriebs
welle 15 vorgesehen, dessen Meßsignal zur automati
sierten Steuerung über einen Prozeßrechner benutzt
werden kann.
Zur Ausnutzung der hohen Flexibilität des erfindungs
gemäßen Taumelnietwerkzeuges und der automatisierten
Anwendung bei guter Reproduzierbarkeit des Nietvor
ganges und der Möglichkeit des automatischen Umrü
stens bei kurzen Umrüstzeiten sind der Drehzahlsensor
18, das Linearpotentiometer 19, der bzw. die Dehnmeß
streifen 20 und der Drehwinkelsensor 16 über nicht
dargestellte Leitungen, die in günstiger Weise durch
die hohlgebohrte Antriebswelle 15 geführt sind, mit
einem ebenfalls nicht dargestellten Prozeßrechner
verbunden und liefern an diesen die entsprechenden
Signale für die Drehgeschwindigkeit des Taumelkopfes,
die Stellung des Schlittens 5, der Fügekraft und dem
Schwenkwinkel des gesamten Werkzeuges. Im Prozeßrech
ner werden diese Daten mit in einer Prozeßparameter
datei nietform- und nietmaterialabhängigen Sollwerten
verglichen und vom Prozeßrechner entsprechende Steu
ersignale an den Druckluftmotor 9 zur Regelung der
Drehzahl des Taumelkopfes 6, das Hydraulik-Servoven
til 3 zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit und
der Fügekraft und den Schrittmotor 14 zur Schwenkung
des gesamten Werkzeuges entsprechend der Geometrie
der zu verbindenden Werkstücke gegeben. Letzteres
kann jedoch nicht nur, wie bereits genannt, durch
Vergleich mit Sollwerten erfolgen, sondern auch mit
tels eines entsprechenden Steuerprogrammes erreicht
werden.
Dabei ist es erforderlich, die entsprechenden Daten
des Nietmaterial und der Nietformen entweder manuell
oder programmtechnisch in den Prozeßrechner einzuge
ben und außerdem entsprechende Anderungen in der Pro
zeßparameterdatei vornehmen zu können, wenn sich Pro
bleme im Fertigungsvorgang ergeben sollten oder neue
Formen und Materialien Verwendung finden.
Claims (15)
1. Taumelnietwerkzeug bestehend aus Taumelkopf mit
integriertem Nietstempel, Drehantriebseinheit
und linearem Vorschubantrieb des Taumelkopfes,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Taumelnietwerkzeug an einen Industriero
boter gekoppelt ist.
2. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein winkelförmiger Bügel (1)
an einem Schenkel einen Gegenhalter (4) aufnimmt
und an dem anderen Schenkel ein Schlitten (5)
zur Aufnahme des Taumelkopfes (6) mit Nietstem
pel (7) und der Drehantriebs- und Vorschubein
heit linear beweglich befestigt und ein Flansch
(17) zur Befestigung am Industrieroboter vorhan
den ist.
3. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der winkelförmige
Bügel (1) und der gesamte Schlitten (5) mittels
einer in einem Gehäuse (13) aufgenommenen An
triebswelle (15) und einem Antrieb drehbar und
dabei der Flansch am Gehäuse (13) angeordnet
ist.
4. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Drehantrieb des winkelför
migen Bügels (1) oder des Schlittens (5) ein
Schrittmotor (14) ist, der die Antriebswelle
(15) antreibt.
5. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehwinkelsensor
(16) an der Antriebswelle (15), dem Bügel (1)
oder dem Schlitten (5) angeordnet ist.
6. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (5)
über eine am winkelförmigen Bügel (1) abgestütz
te Kolbenstange (12) eines Hydraulikantriebes,
der mit einem Hydraulik-Servoventil (3) regelbar
ist, linear am winkelförmigen Bügel (1) bewegbar
ist.
7. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb des
Taumelkopfes (6) ein Druckluftmotor ist, der das
Drehmoment über ein Getriebe (10) und eine Welle
(11) auf den Taumelkopf (6) überträgt.
8. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Drehmomentübertragung auf
den Taumelkopf (6) mit dem integrierten Niet
stempel (7) kraftschlüssig über eine Reibkupp
lung erfolgt.
9. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß am Schlitten (5) ein
Drehzahlsensor (18) zur Bestimmung der Drehge
schwindigkeit des Nietstempels (7) und am win
kelförmigen Bügel (1) im Bereich der Führung
des Schlittens (5) ein Positionssensor (19) so
wie am anderen Schenkel des Bügels (1) ein
Druckkraftsensor (20) zur Bestimmung der Füge
kraft angebracht ist.
10. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlsensor
(18), der Positionssensor (19), der Druckkraft
sensor (20) und der Drehwinkelsensor (16) mit
einem Prozeßrechner verbunden sind und dieser
meßsignalabhängige Steuersignale an das Hydrau
lik-Servoventil (3), das Ventil des Luftdruckmo
tors (9) und/oder den Schrittmotor (14) abgibt.
11. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in einer Prozeßdatei
im Prozeßrechner material- und werkzeugspezifi
sche Prozeßparameter zur Steuerung des Taumel
nietwerkzeuges abgespeichert sind und Nietmate
rial und Nietform sowie Prozeßparameter in den
Prozeßrechner eingebbar sind.
12. Taumelnietwerkzeug nach einem der Ansprüche von
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegen
halter (4) an dem Schenkel des winkelförmigen
Bügels (1), der dem schlittenführenden gegen
überliegt, mittels Unterdruck und gegen seitli
ches Verschieben formschlüssig gehalten und
automatisch austauschbar ist.
13. Taumelnietwerkzeug nach einem der Ansprüche von
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tau
melkopf (6) im Schlitten (5) mit einer zum auto
matischen Wechsel geeigneten lösbaren Verriege
lung gehalten ist.
14. Taumelnietwerkzeug nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die lösbare Verriegelung aus
vorgespannten Kugeln, die in Aussparungen am
Taumelkopf eingreifen, gebildet ist.
15. Taumelnietwerkzeug nach einem der Ansprüche von
1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine auto
matische Werkzeugwechselvorrichtung (8) im Ak
tionsbereich des Taumelnietwerkzeuges oder des
Industrieroboters angeordnet ist.
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