DE4213421A1 - Taumelnietwerkzeug - Google Patents

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.