DE4405661A1 - Verfahren und Vorrichtung zum mechanischen Fügen von nichtmetallischen Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung nach dem Oberbegriff das Patentanspruch 1, insbesondere Nagelwerkzeuge oder Werkzeuge zum Ein­ pressen von Klammern. In erster Linie soll die erfin­ dungsgemäße Lösung bei automatisiert betriebenen Ge­ räten oder in Verbindung mit Robotern eingesetzt wer­ den.

Bei derzeit bekannten mit Druckluft betriebenen Na­ gelgeräten ist es nachteilig, daß durch Materialfeh­ ler hervorgerufene Fehlbedienungen allein durch das Bedienpersonal erkannt werden können. Eine optimale nahezu 100%ige Erkennung von Fehlerquellen ist da­ durch nicht möglich. So kann nicht festgestellt wer­ den, ob die mit dem Nagler hergestellte Fügeverbin­ dung auch die gewünschte Kraftwirkung erreicht hat und eine sichere Verbindung hergestellt worden ist. Desweiteren hängt es, wenn überhaupt möglich vom Ge­ schick bzw. dem individuellen Vermögen des Bedieners ab, ob eine Gefährdung durch an der Oberfläche bzw. im Inneren des Werkstückes anhaftende oder einge­ schlossene metallische Körper vermieden werden kann, auf die das Verbindungselement (Nagel) gedrückt wer­ den kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung durch selbsttätige Erkennung von Störungen, vor bzw. während der Füge­ vorgänge deren Qualität zu erfassen und ggf. automa­ tisch auf den Prozeßablauf Einfluß zu nehmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 für das Ver­ fahren und im kennzeichnenden Teil des Patentanspru­ ches 12 für die Vorrichtung genannten Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den in den unter­ geordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen.

Durch die Messung der Kraft, mit der das Verbin­ dungselement in das Werkstück gedrückt wird, kann mit Hilfe eines Vergleiches mit vorgegebenen Sollwerten bereits während des Fügevorganges festgestellt wer­ den, ob es durch Inhomogenitäten des Werkstückmateri­ als oder Fehlern am Verbindungselement zu Qualitäts­ einbußen gekommen ist. Trifft z. B. ein eingepreßter Nagel auf einen Asteinschluß im Holz, führt dies an dieser Stelle zu einer Verringerung der Kraft mit der die Verbindung gehalten werden kann. Mit der erfin­ dungsgemäßen Lösung kann dies nicht nur erkannt, son­ dern auch gezielt Einfluß genommen werden, indem nach Auswertung des Kraftsignales und Feststellung, daß ein solcher Fehler aufgetreten ist, entweder ein zu­ sätzlicher Fügevorgang in der Nähe dieser "Fehl­ stelle" ausgelöst wird und/oder als solcher lediglich für eine statistische Auswertung registriert wird. Wird beispielsweise eine bestimmte ebenfalls vorgeb­ bare Grenzzahl solcher Fehlfügungen überschritten, wird das Werkstück automatisch als Ausschuß aussor­ tiert.

In der Auswerteeinheit sind bevorzugt für die unter­ schiedlichen möglichen Fügeverbindungen Sollwerte oder Sollwertverläufe und dazugehörige Toleranzgren­ zen in einer Wissensbasis gespeichert.

Am einfachsten kann die Amplitude der gemessenen Kraft ermittelt und mit dem dieser entsprechenden Sollwert verglichen werden. Liegt der ermittelte ma­ ximale Wert innerhalb der Toleranz um den Grenzwert kann im normalen Produktionsprozeß vorangeschritten werden. Der ermittelte Wert wird in diesem Fall nur für eine evtl. später durchzuführende statistische Auswertung gespeichert.

Wird der Kraftverlauf mit mehreren Werten entweder auf einfache Weise als Kraft-Zeit-Verlauf oder etwas aufwendiger mit einem zusätzlichen Wegerfassungssy­ stem als Kraft-Weg-Verlauf ermittelt, erfolgt der Vergleich auch mit einem entsprechenden, gespeicher­ ten Verlauf. Hierbei ist die elektronische Verarbei­ tung der Daten zwar etwas aufwendiger aber in einer ausreichend großen Zeit durchführbar. Beim Vergleich der gemessenen Werteverläufe mit Sollwertverläufen ist es schwieriger die Entscheidungskriterien zur Gut/Schlechtaussage festzulegen, also zu entscheiden ob die ermittelte Abweichung groß genug ist bzw. ob die Abweichung in einem entscheidungserheblichen Be­ reich während des Fügevorgangs aufgetreten ist oder nicht.

Zur Vereinfachung dieser Entscheidung kann der Ist- Sollwertvergleich auch mit dem integrierten oder ge­ mittelten Wert der Meßwerte durchgeführt werden.

Das gemessene Kraftsignal kann gleichzeitig auch für die Überlastsicherung verwendet werden und das Ab­ schalten auslösen, wenn eine maximale Kraft über­ schritten wird. Ergibt also der Vergleich von Meß- und dem maximalen Grenzwert, daß dieser überschritten ist wird ein Steuersignal erzeugt, das den Vortrieb des Verbindungselementes abschaltet und eine Zerstö­ rung der Vorrichtung oder des Werkstückes bzw. eine Gefährdung des Personals verhindert.

Mit der Anbringung eines Metallsensors im Bereich des Austrittes für die Verbindungselemente und der Aus­ wertung der von diesem erfaßten Signale und Ausnut­ zung zur Steuerung kann verhindert werden, daß Be­ schädigungen und/oder Gefährdungen auftreten. Dabei wird in der Auswerteeinheit entweder kontinuierlich oder getaktet unmittelbar vor Auslösung eines Ein­ preßvorganges der mit dem Metallsensor gemessene Wert mit einem Grenzwert verglichen und dort entschieden, ob eine Steuereinheit aktiviert werden muß oder nicht. Im letzten Fall kann gefahrlos gearbeitet wer­ den. Wird jedoch ein ausreichend hoher Pegel erfaßt, kann ein Steuersignal erzeugt werden, das verhindert, daß im Bereich, in dem sich ein Metallkörper befin­ det, kein Verbindungselement in das Werkstück gedrückt wird. Unter bestimmten Bedingungen wird die gesamte Vorrichtung mittels eines Handhabungssystems soweit verschoben, daß der kritische Bereich verlassen wird und der Arbeitsgang außerhalb dieses Bereiches durch­ geführt werden kann.

Selbstverständlich kann das Steuersignal auch für die optische und/oder akustische Warnung verwendet wer­ den.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann die Signalauswer­ tung auch in entgegengesetzter Weise erfolgen. Bei­ spielsweise können in nichtmetallischen Werkstücken lokal plazierte Metallkörper gezielt geortet werden und bestimmte Arbeitsgänge gerade dort ausgeführt werden (z. B. Schraubvorgänge an in Kunststoffen ein­ gelasssenen Schrauben, Ultraschallschweißen, Erken­ nung von Bohrungen oder Fehlstellen in Metallkörpern, beim Erkennen von Unkontinuitäten am metallischen Werkstück).

Bevorzugt an der Auswerteeinheit sollte die Möglich­ keit bestehen bestimmte Vorgabewerte einzugeben, die die gewünschten Einsatzkriterien wiederspiegeln. So sollten Material und Größe der verwendeten Verbin­ dungselemente, das Material des bzw. der Werkstücke eingegeben werden können. Damit ist verbunden, daß in der Wissensbasis beim Vergleich mit dem Meßwert oder Meßwertverlauf auf genau den richtigen Sollwert bzw. den richtigen Sollwertverlauf zurückgegriffen wird.

Auf diese Weise kann indirekt die Meßempfindlichkeit des Metallsensors eingestellt werden, in dem der Grenzwert, der mit dem Meßwert verglichen wird, in die gewünschte Richtung verschoben wird. Damit kann nicht nur der lokale Umfang der überwachten Werk­ stückoberfläche, sondern auch die überwachbare Tiefe im Inneren des Werkstückes eingestellt werden, um zu verhindern, daß die Verbindungselemente auch auf Me­ tallkörper treffen können, die im Inneren des Werk­ stückes optisch nicht sichtbar verborgen sind.

Bei mittels eines Handhabungssystems gesteuerten, au­ tomatisch betriebenen Geräten kann die Auswerteein­ heit in das eigentliche Steuersystem integriert sein.

Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines druck­ luftbetriebenen Naglers mit integriertem Kraftsensor;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines mit einem Handha­ bungssystem manipulierbaren Nagelgerätes;

Fig. 3 eine Diagrammdarstellung eines Kraftsoll­ wertverlaufes;

Fig. 4 die Anordnung eines Drucksensors an einem druckluftbetriebenen Nagler;

Fig. 5 einen Nagler nach Fig. 1 oder 4 mit einem Metallsensor;

Fig. 6 die schematische Darstellung eines Ein­ treibgerätes mit einem an diesem angeord­ neten Abstandssensor;

Fig. 7 die schematische Darstellung eines Sensors in der Zuführleitung für die Verbindungs­ elemente und

Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch eine Zufuhr­ einrichtung für Verbindungselemente.

In der Fig. 1 ist ein druckluftbetriebener Nagler dargestellt, wie er häufig für Fügeprozesse angewen­ det wird. Hierbei ist der Kraftsensor 8 direkt in das Vorschubsystem 1 für die Verbindungselemente 2 inte­ griert oder diesem zwischengeschaltet. Dies hat den Vorteil, daß eine solche Anordnung unabhängig vom verwendeten Antrieb, also auch für alle anderen mög­ lichen rein mechanischen oder auch für andere fluid­ betriebenen gewählt werden kann.

Der Sensor 8 kann beispielsweise eine piezoelektri­ sche Druckmeßdose sein.

Das mit dem Sensor 8 gemessene der Einpreßkraft für den Nagel proportionale Signal wird über eine Leitung der Auswerteeinheit 5 zugeführt (Fig. 2). In dieser Auswerteeinheit 5 sind in einer Wissensbasis bestimm­ te Sollwerte oder Sollwertverläufe mit vorgegebenen Toleranzgrenzen abgelegt. Es kann beispielsweise ma­ nuell über eine mit der Auswerteeinheit 5 verbundene Tastatur die Paarung Werkstück-Verbindungselement ausgewählt werden. Was dazu führt, daß der Vergleich von Meßwert mit Sollwert immer den tatsächlichen Ver­ hältnissen entspricht.

Ergibt der Vergleich in der Auswerteeinheit 5, daß eine Abweichung des gemessenen Kraftwertes außerhalb der Toleranzgrenze um den Sollwert bzw. Sollwertver­ lauf aufgetreten ist, wird ein Steuersignal an eine Steuereinheit 6 generiert, das wiederum je nach Steu­ ersignal gezielt Einfluß auf den in diesem Fall ver­ wendeten Nagler ausübt. Das Steuersignal kann einmal die Notabschaltung des Vorschubes für die Verbin­ dungselemente 2 und/oder ein Notsignal auslösen oder das Handhabungssystem 7, das mit dem Nagler verbunden ist und diesen entlang der Oberfläche des Werkstückes 3 bewegt, ansteuern. Wird ein solches Steuersignal gegeben, wird der Nagler zu einer Ausweichstelle be­ wegt und ein zusätzlicher Nagel in das Werkstück ge­ trieben, wenn der vorhergegangene Nagel infolge eines Fehlers keinen ausreichenden Halt erreichen konnte. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn die maximal gemessene Eintreibkraft für den Nagel 2 die untere Toleranzgrenze des Sollwertes nicht erreicht oder bei Auswertung des Kraftverlaufes kurzzeitig ein Über­ schreiten der oberen Toleranzgrenze und anschließend ein Abfall ermittelt wurde.

Parallel zur Kraftmessung kann in der Auswerteeinheit 5 auch das Signal eines am Nagler installierten Me­ tallsensors 4 überwacht und eine entsprechende Steue­ rung ausgelöst werden, die entweder ein Ausweichen oder gezieltes Orten, mit Hilfe der Steuereinheit 6 und dem Handhabungssystem 7 entlang der Werkstück­ oberfläche, ermöglicht.

Dem Diagramm, das in der Fig. 3 dargestellt ist, ist ein Beispiel für die in der Wissensbasis abgelegten Sollwerte oder Sollwertverläufe mit den dazugehörigen Toleranzgrenzen. Die Auswertung kann je nach erfor­ derlicher Genauigkeit auf die maximal gemessene Kraft begrenzt werden. Es wird also ein Steuersignal er­ zeugt, wenn der Amplitudenwert des Kraftsensors au­ ßerhalb des Toleranzfeldes um den vorgegebenen Soll­ wert, im Diagramm F_max, liegt.

Dem Diagramm ist außerdem ein Sollwertverlauf zu ent­ nehmen, der mit dem gemessenen Kraftwertverlauf ver­ glichen wird. In diesem Fall wird ein Kraft-Zeitver­ lauf gewählt, der den Vorteil gegenüber einem Kraft- Wegverlauf hat, daß kein zusätzlicher Weggeber erfor­ derlich ist, da die Zeit in der Auswerteeinheit 5 intern zu den Kraftmeßwerten getaktet werden kann.

Bei mittels Fluiden übertragenen Antriebskräften auf das Vorschubsystem 1 für die Verbindungselemente 2, wie Luft oder bei hydraulischen Antrieben, kann an Stelle des Kraftsensors ein Drucksensor 8 vorgesehen sein. Bei der Variante, die in der Fig. 4 wiederge­ geben ist, ist der Drucksensor 8 im bzw. am Leitungs­ system für die Fluidversorgung angeordnet. Solche Drucksensoren haben den Vorteil, daß sie lokal fle­ xibler, je nach bestmöglicher konstruktiver Eignung, angebracht werden können. Eine Anbringung direkt im Kraftfluß ohne Meßwertverluste, wie dies bei dem Kraftsensor der Fall ist, ist nicht erforderlich, da die Druckproportionalität von Einpreßkraft und Fluid­ förderdruck ausgenutzt werden kann.

Der Fig. 5 ist die Anordnung des Metallsensors 4 im unmittelbaren Bereich der Austrittsöffnung für die Verbindungselemente 2 zu entnehmen. Als Sensor 4 kommt bevorzugt ein auf veränderte elektrische Induk­ tivität oder Kapazität reagierender Typ zur An­ wendung.

Den nachfolgend beschriebenen Fig. 6 bis 8 sind die Anordnung weiterer zusätzlicher Sensoren zu entneh­ men, die die Betriebssicherheit solcher Vorrichtungen weiter verbessern.

Ein Abschalten des Eintreibgerätes kann von dem Steu­ ergerät 6 mit dem Sicherheitsventil 11, das in der Fig. 6 explizit dargestellt ist, erreicht werden. Im von der Auswerteeinheit 5 erfaßten Notfall wird das Ventil 11, das in der Druckluftzufuhrleitung instal­ liert ist, sofort geschlossen, und der Kolben 1 kann nicht mehr in Richtung auf das Werkstück 3 bewegt werden. In dieser Figur ist ein zusätzlicher Ab­ standssensor 13 in Richtung auf das Werkstück 3 ge­ richtet. Der Abstandssensor 13 erfaßt, ob in einem ausreichend kleinen Abstand von der Austrittsöffnung ein Werkstück 3 vorhanden ist, in das ein Verbin­ dungselement 2 eingebracht werden kann.

Der Darstellung in den Fig. 7 und 8 ist eine Anord­ nung zur Überwachung, ob noch Verbindungselemente 2 in der Zuführeinrichtung 1 vorhanden sind zu entneh­ men. Damit wird gewährleistet, daß eine Bewegung des Arbeitskolbens 1 in Richtung auf das Werkstück 3 ver­ hindert wird, wenn der Sensor 14 erkannt hat, daß sich kein Verbindungselement 2 mehr im Bereich der Austrittsöffnung befindet und damit Beschädigungen insbesondere des Arbeitskolbens mit dem Austreibeme­ chanismus verhindert werden.

Die Fig. 8 gibt eine Schnittdarstellung durch eine Zufuhreinrichtung 12 wieder. Dabei ist in der Zuführ­ einrichtung 12 ein Sensor 14 angeordnet, der erfaßt, ob sich in seinem Bereich noch mindestens ein Verbin­ dungselement 2 befindet. Als Sensortyp kommen dabei die bereits genannten, auf veränderte elektrische In­ duktivitäten und Kapazitäten reagierende Sensoren zur Anwendung, insbesondere dann, wenn die Verbindungs­ elemente 2 metallisch sind. Ist dies nicht der Fall, kann an der Vorschubeinrichtung 17 für die Verbin­ dungselemente 2 ein Magnet 18 angeordnet sein, der das Abschaltsignal am Sensor 14 generiert, wenn der Magnet 18 in den Bereich des Sensors 14 gelangt.

Sollten die verwendeten Verbindungselemente 2 nicht metallisch sein, kann als Sensor 14 auch ein opto­ elektronisches Erfassungssystem angewendet werden, daß in der Zuführeinrichtung 12 entsprechend angeord­ net und ausgerichtet ist, um zu erfassen, ob sich im Austrittsbereich noch mindestens ein Verbindungsele­ ment 2 befindet oder nicht. Als Zuführeinrichtung 12 können neben Leitungssystemen auch Wechselmagazine eingesetzt werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum mechanischen Fügen von nichtme­ tallischen Werkstücken mit mindestens einem Ver­ bindungselement, das/die die Werkstücke zusam­ menhält und bei dem das Verbindungselement durch ein Werkstück in das Innere des anderen Werk­ stückes bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft, mit der das Verbindungselement in das erste Werkstück bewegt wird, ermittelt und mit mindestens einem in einer Wissensbasis gespei­ cherten Sollwert verglichen und bei Abweichung des Meßwertes außerhalb eines um den Sollwert vorgegebenen Toleranzbereiches ein Signal gene­ riert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Amplitude der gemessenen Vorschub­ kraft des Verbindungselementes ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der gemessene Kraftverlauf entlang des zurückgelegten Weges oder der parallel gemesse­ nen Zeit mit einer entsprechenden Sollwertkurve verglichen und das Signal bei Abweichen der ge­ messenen Werte außerhalb eines um die Soll­ wertkurve gelegten Toleranzbereiches generiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der gemessene Kraftverlauf integriert und mit einem entsprechenden Sollwert verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sollwert oder der Sollwertkurvenverlauf entsprechend dem Material der Werkstücke und/oder dem verwendeten Verbin­ dungselement auswählbar ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die gemessenen Werte in einem Speicher der Wissensbasis für eine Aus­ wertung ablegbar sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein optisches und/oder akustisches Si­ gnal generiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Signal zur Steuerung eines automatischen Handhabungssystems genutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß nach Signalgenerierung durch die Steue­ rung ein örtlich verschobener zusätzlicher Füge­ vorgang über das Handhabungssystem ausgelöst wird.

10. Verfahren zum Fügen von nichtmetallischen Werk­ stücken, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Metallsensor der Fügebereich der Werk­ stücke überwacht und ein Steuer- und/oder Alarm­ signal generiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem Steuersignal eine Bewegung des Fügewerkzeuges zu einem Ausweichfügeort entlang der Werkstücke und dort ein zusätzlicher Füge­ vorgang ausgelöst wird.

12. Vorrichtung zum mechanischen Fügen von nichtme­ tallischen Werkstücken mit mindestens einem Ver­ bindungselement, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (8) zur Messung der Vorschubkraft des Verbindungselemen­ tes (2) mit einer Auswerteeinheit (5) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheit (5) mit einer Steuereinheit (6) zur Steuerung eines Hand­ habungssystems (7) verbunden oder mit dieser kombiniert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (8) ein in den Fluid­ kreislauf (10) des Verbindungselementvorschubsy­ stems (1, 9, 10) geschalteter Drucksensor ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (8) ein in das Verbind­ ungselementvorschubsystem (1) integrierter Kraftsensor ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Metallsensor (4) zur Überwa­ chung des Fügeortes der Werkstücke (3) angeord­ net und mit der Auswerteeinheit (5) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßempfindlichkeit des Metall­ sensors (4) einstellbar ist.