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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Pressverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie die entsprechenden Werkzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
7, wie beispielsweise aus dem Dokument JP-A-59 157 523 bekannt ist.
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Seit mehreren Jahren versucht die
Industrie, sämtliche
Vorgänge
zur Herstellung und zum Zusammenbau von Teilen, Unterbaugruppen
und Baugruppen maximal zu automatisieren, um die Produktivität sowie
die Qualität
zu erhöhen.
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Der Zusammenbau von zwei mechanischen Teilen
mittels einer Presse ist nach dem Zusammenbau durch Verschrauben
einer der in der mechanischen Industrie am häufigsten vorkommenden Vorgänge.
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Dies ist eine Verbindung, die ein
wichtiges Automatisierungspotenzial darstellt, und es gibt mehrere
Beispiele von automatisierten Arbeitsabläufen mit Zuführung von
Bauteilen, die in Großserien-Herstellungsprozessen,
insbesondere in der Automobilindustrie, verwendet werden.
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Die Mehrheit dieser Verbindungsvorgänge benötigt sehr
spezielle Montageschritte mit zusammenzubauenden Bauteilen und hat
oft sehr komplexe Konzepte zur Folge. Die besondere Montage beim Zusammenbau
bedingt somit verschiedene charakteristische Merkmale des Zusammenbaus
(Kräfte, Toleranzen,
Bemaßungen...).
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen
Zusammenbau von mechanischen Teilen mit einer großen Genauigkeit,
wobei es wesentlich die Grundsätze
der Berech nung, der Messung und der Prüfung von zu realisierenden
Pressverbindungsmaßen
vereinfacht.
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Außerdem ist die Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch sehr einfach und kann an sämtliche
Typen von bereits existierenden Pressen angepasst werden und erfordert
keine Verwendung von wichtigen speziellen Werkzeugen.
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Die Messung und die Steuerung der
Pressverbindungsmaße
wurde bisher mittels Hubvorrichtungen durchgeführt.
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Die europäische Patentanmeldung Nr. 723 837
zeigt insbesondere eine Presse, die der Einstellung eines zylindrischen
Rohres in einem festen Gehäuse
durch Pressen dient. Die Einrichtung ermöglicht die Ermittlung der Eindringtiefe
des freien Endes des zylindrischen Rohrs mittels eines auf der Hubvorrichtung
angeordneten Fühlers.
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Außerdem entwickelte die Firma
Bosch ein System, genannt "Bosch-Pressin", das ermöglicht, die
Verbindungskraft quantitativ zu steuern, sie bei jedem Vorgang mit
einer Kraftkurve zu vergleichen und den absoluten Weg der Hubvorrichtung
zu messen.
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All diese Einrichtungen beruhen auf
dem gleichen Prinzip der Messung und der Prüfung des Verbindungsmaßes bezüglich der
Verstellung der Hubvorrichtung.
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Ein Vorgang dieser Art löst eine
bestimmte Anzahl von Fehlern aus und benötigt für die Messung sowie die Berechnung
eine komplizierte Gerätetechnik.
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Außerdem können bestimmte mechanische, sehr
empfindliche Bauteile mit diesen Einrichtungen nicht verbunden werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese
Nachteile dadurch, dass das Verbindungsmaß nicht indirekt mittels der
Verstellung einer oder mehrerer Hubvorrichtungen, sondern direkt
bezüglich
einer relativen Bezugsfläche
gemessen und geprüft wird.
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Diese relative Bezugsfläche ist
in der Richtung des Pressens frei beweglich und weist ein System
zum Kopieren ihrer Position in dieser Richtung auf. Diese Bezugsfläche wird
nicht in Bewegung gesetzt bis zu dem Moment, in dem die zu verbindenden
Teile unter der Wirkung einer oder mehrerer Hubvorrichtungen in
Kontakt treten.
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Gemäß einem ersten Verwendungsmodus der
Erfindung werden die zu verbindenden Elemente bezüglich dieser
Bezugsfläche
derart zusammen gefügt,
dass das Verbindungsmaß exakt
einer sehr genauen Verstellung der genannten Bezugsfläche unter der
Wirkung der Hubvorrichtung entspricht.
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Gemäß einem zweiten Verwendungsmodus der
Erfindung ermöglicht
diese Bezugsfläche
unter anderem die Durchführung
von besonderen Verbindungen, bei denen die Kraft gemäß dem bekannten Verfahren
auf die Auflagefläche
des Teils nicht übertragen
werden kann, wobei sie die Verwendung einer Haltevorrichtung erlaubt.
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Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die Hubvorrichtung in gleicher Weise auf ein
oder das andere Bauteil einwirken kann. Das Bauteil, das mit einem
anderen Bauteil verbunden werden soll, kann tatsächlich wie gewöhnlich genau
unter der Hubvorrichtung positioniert werden, kann jedoch auch eventuell,
insbesondere, wenn es klein ist, unter der Bezugsfläche auf
einem Anschlag positioniert werden. In diesem Fall soll die Bezugsfläche mit
einer Aussparung versehen sein.
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Andere Vorteile ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens und der Einrichtung
zu seiner Durchführung,
wobei:
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1 eine
Gesamtschnittdarstellung der Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens zeigt,
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2.1 und 2.2. zwei Darstellungen eines Beispiels
der Verbindung eines Rads mit einer Achse mittels der Einrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens zeigen,
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3.1 und 3.2 ein Beispiel der Verbindung eines
kleinen Bauteils mit einem zerbrechlichen Bauteil mittels der Einrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens zeigen, und
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4 eine
Gesamtdarstellung einer bevorzugten Variante der mittels der Einrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist ein Verfahren
zur Verbindung von zwei aufeinander angeordneten Teilen (1, 2)
durch eine Vertikalpressung, mittels einer Presse (3),
die mit mindestens einer geregelten Hubvorrichtung (4)
versehen ist. Die Verbindung ermöglicht
eine Montage eines Teiles auf ein anderes Teil oder eines Teiles
in ein anderes Teil (je nach der Form des Teiles, auf den die Presskraft
der Hubvorrichtung direkt einwirkt).
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Das Pressen ermöglicht, ein Verbindungsmaß L zu realisieren,
das der Tiefe der Verbindung bezüglich
einer einzigen Bezugsfläche
(5) entspricht.
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Die anderen Parameter sind:
das
Spiel B zwischen dem Teil (1 oder 2) und seiner Haltevorrichtung
auf der Fläche
(5),
das Positionsmaß C der Spitze der Hubvorrichtung (4),
bevor der Pressvorgang beginnt,
das Positionsmaß D des
zweiten Teils (2 oder 1) bezüglich der Fläche (5),
bevor der Pressvorgang beginnt.
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Es wird angenommen, dass die Maße L und D
bekannt und die Maße
B und C unbekannt sind.
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Gemäß dem Verfahren bringt die
Fläche
(5) lediglich eine geringe und kontrollierte Presskraft
auf.
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Gemäß dem Verfahren wird das Verbindungsmaß L nicht
bezüglich
der Verstellung der Hubvorrichtung berechnet, realisiert und geprüft, wie
es gewöhnlich
der Fall ist, sondern genau durch die Verstellung X einer Fläche (5),
die als Aufspannplatte bezeichnet wird, auf der eines der Teile
(1 oder 2) angeordnet ist. Diese Platte (5),
die unterhalb der Hubvorrichtung (4) angeordnet ist, kann
sich unter der Wirkung eines Widerstandes in der vertikalen translatorischen
Bewegung zwischen einem oberen Anschlag (6) und einem unteren
Anschlag (7) frei bewegen. Wenn sie am oberen Anschlag
anliegt, bildet diese Fläche
(5) eine Bezugsfläche.
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Die Fläche (5) ist mit einem
System zum Erfassen ihrer Position (8) in der vertikalen
Richtung ausgestattet, deren Ausgangspunkt durch den oberen Anschlag
(6) gebildet wird, der jederzeit die Ermittlung des genauen
Wertes von X ermöglicht.
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Gemäß der ersten Ausführung der
Erfindung ist die Verstellung X der Fläche (5) bezüglich des oberen
Anschlags (6) im Absolutwert dem Pressverbindungsmaß L gleich,
das auf das erste Teil (1 oder 2) in Bezug auf
den oberen Anschlag (6) festgelegt wird, das von einem
Positionsmaß D
des zweiten Teiles (2 oder 1) bezüglich des
oberen Anschlags (6) subtrahiert wird, wobei das Maß D berechnet
wird, bevor der Pressvorgang beginnt.
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Gemäß der zweiten Ausführung der
Erfindung, bei der eine Verschiebung des Ausgangspunktes stattfindet,
werden die Hubvorrichtung (4) und die Aufspannplatte (5)
in Position gehalten, wobei die Verstellung X der Fläche (5)
bezüglich
des oberen Anschlags (6) im Absolutwert dem Spiel B zwischen dem
Teil (1 oder 2) und seiner Haltevorrichtung auf der
Fläche
(5) gleich ist.
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Die Werte L und D werden vorzugsweise
vor dem Beginn des Pressvorgangs übertragen und der Pressvorgang
wird nicht beendet, bevor die Fläche (5)
die Position x erreicht hat.
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Die Bezugsfläche (5) wird am oberen
Anschlag durch elastische Mittel (9), Federn, gehalten. Diese
Position stellt eine Ruheposition dar.
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Die Fläche (5) kann außer der
vertikalen translatorischen Bewegung keine andere Bewegung ausführen, da
sie durch einen Träger
(10) in horizontaler Richtung gehalten wird.
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Die elastischen Mittel (9)
verhindern somit, dass die Fläche
(5) sich nach unten bewegt, und zwar so lange keine ausreichende
Kraft auf sie direkt oder indirekt einwirkt, und verringern so die
von der Fläche
(5) aufgebrachte Presskraft. So erfolgt eine translatorische
vertikale Verstellung der Fläche
(5) nur infolge der von der Hubvorrichtung (4)
auf das auf der Fläche
(5) angeordnete Teil (1 oder 2) direkt
oder indirekt einwirkenden Presskraft.
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In dem Fall, in dem die Hubvorrichtung
(4) direkt auf das auf der Fläche (5) angeordnete
Teil wirkt, wird das andere Teil auf einem Anschlag (11)
positioniert, der auf dem Träger 10 fest
und unter der Fläche (5)
angeordnet ist. In diesem Fall soll die Aufspannplatte auf einer
Fläche
eine Aussparung aufweisen, die ausreicht, um den Zusammenbau der
beiden Teile zu ermöglichen.
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Das System (8) zum Erfassen
der Position der Fläche
(5) bezüglich
des oberen Anschlags (6) ist vorzugsweise in den Träger (10)
eingeschoben.
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Bei einer Ausführung der Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens ist die Hubvorrichtung (4) eine elektrische
Hubvorrichtung, die mit einem Motorantrieb ausgestattet ist und
einen präzisen
Kugelschraubtrieb aufweist, wobei jedoch diese Elemente lediglich
Steuerelemente sind. Weder der Motor mit einer sehr niedrigen Leistung
noch der Kugelschraubtrieb üben
eine Kraft aus, die vielmehr ausschließlich durch den hydraulischen
Druck gewährleistet
ist. Der Motor steuert ein Ventil an, das den Durchfluss eines Fluids
sicherstellt, während
der Kugelschraubtrieb lediglich eine Funktion der Erfassung der
Verstellung der Hubvorrichtung hat. Sobald der Motor die vorgegebene
Position angenommen hat, wird das Schließen des Ventils vom Kugelschraubtrieb
sichergestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die
Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
einen Servoverteiler (24) sowie ein System (27)
zur Erfassung der Position der Hubvorrichtung (4) auf.
Der Servoverteiler (24) ermöglicht die genaue Steuerung
der von der Hubvorrichtung (4) aufgebrachten Kraft, während das
System (27) zur Erfassung der Position der Hubvorrichtung
(4) die genaue Steuerung der Position der Hubvorrichtung
(4) ermöglicht,
so dass gesagt werden kann, dass die Hubvorrichtung (4)
vollständig
geregelt wird.
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Die Einrichtung ermöglicht die Übertragung von
Kräften
von 50 kN und höher
mit einer Positionierungsgenauigkeit von ungefähr 0,01 mm.
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Die Einrichtung weist unter anderem
auf:
ein Ansteuerungssystem, das es ermöglicht, dass die Presse sämtliche
Ereignisse berücksichtigt,
die für die
Anwendung von verschiedenen Verbindungen erforderlich sind (Erfassen
von Anschlagmaßen,
Positionierung, Parameterberechnung), und
ein System der Kraftsteuerung,
das es ermöglicht, die
Qualität
der durchgeführten
Verbindung jedes Teils zu beurteilen und das die Möglichkeit
bietet, eine dynamische Korrektur von Verformungen des Gestells
durchzuführen.
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Um den ersten Verwendungsmodus der
Erfindung darzustellen, wird auf das Beispiel eines Rads (13a)
hingewiesen, das mit einer Achse (14) (siehe 2.1 und 2.2.) verbunden werden soll.
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Um die beiden Teile zu verbinden,
ist eine Kraft von ungefähr
20 kN erforderlich. Jedoch kann der Vorgang nicht mit einer bekannten
Vorrichtung durchgeführt
werden, da die Wälzlager
keine Kräfte vertragen,
die höher
als 400 N sind.
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Die Achse (14) wird mittels
einer Haltevorrichtung (15) auf der Aufspannplatte (5)
positioniert, und das Rad (13a) wird mittels des Anschlags
(11) auf dem Träger
(10) positioniert.
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Wenn die Hubvorrichtung (4)
unter der Kraftwirkung an der Achse (14) zur Anlage kommt,
beginnt die durch die Hubvorrichtung (4) angetriebene Aufspannplatte
(5) sich zu bewegen. Die Ansteuerung der Presse wird von
der Verstellung der Aufspannplatte informiert und bewirkt aufgrund
dieser Information eine Verstellung D – L bezüglich ihrer Bezugsposition
am oberen Anschlag.
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Sobald die Aufspannplatte die Position
X = D – L
erreicht hat, d. h., sobald das Rad (13b) mit der Achse
(14) verbunden ist, wird die Hubvorrichtung (4) zurückgezogen
und ein neuer Verbindungszyklus kann beginnen.
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Die 3.1 und 3.2 zeigen ein Beispiel der Anwendung
des Verfahrens gemäß einem
zweiten Modus der Verwendung der Erfindung zur Verbindung eines
kleinen Teils (16) mit einem zerbrechlichen Teil (17).
Im Hinblick auf die Form des zerbrechlichen Teils (17)
ist das Risiko groß,
dass bei der Verwendung einer bekannten Verbindungsvorrichtung dieses
Teil zerbricht.
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Gemäß dem Verfahren wird die Verbindung mittels
einer Haltevorrichtung (18) durchgeführt, die genau senkrecht zur
Aufspannplatte (5) angeordnet ist: die Halte vorrichtung
(18) stützt
das Teil (17) ab, um zu verhindern, dass es sich durch
die Wirkung der Verbindungskraft verformt.
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Sobald das Teil (16) anfängt, mit
dem zerbrechlichen Teil (17) unter der Kraftwirkung verbunden
zu werden, beginnt die Aufspannplatte (5), sich zu bewegen.
Die Ansteuerung der Presse wird von der Verstellung der Aufspannplatte
informiert und führt
aufgrund dieser Information eine Verstellung B bezüglich ihrer
Bezugsposition am oberen Anschlag aus.
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Sobald die Aufspannplatte die Position
X = B erreicht hat, d. h., sobald das kleine Teil (16)
mit dem zerbrechlichen Teil (17) verbunden ist, wird die
Hubvorrichtung (4) zurückgezogen
und ein neuer Verbindungszyklus kann beginnen.
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Die Abfolge der Zyklen kann selbstverständlich automatisiert
werden.
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Es wird hier daran erinnert, dass
eine Verbindungsarbeit gleichmäßig, ohne
Unterbrechung und nicht schlagartig durchgeführt werden soll, um die Teile
nicht zu beschädigen.
Sämtliche
Berechnungen und die Betrachtungen der Eingangsgrößen werden während des
Arbeitszyklus der Presse durchgeführt, ohne dass eine Unterbrechung
der Verstellung erfolgt.
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Somit benötigt das System der Presse,
um Verbindungen dieser Art durchzuführen, einfache Werkzeuge und
die Investitionskosten für
Werkzeuge werden bei einer Serienänderung im Vergleich mit den
Kosten für
eine Änderung
einer Standardpresse um das Zehnfache verringert.
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Die Flexibilität der Maschine bedeutet eine besondere
Dialogschnittstelle: das Bedienungspersonal führt nie Programmierarbeiten
durch; es ist das Ansteuersystem, das regelmäßig, insbesondere bei Serienänderungen,
das Bedienungspersonal nach einzustellenden Maßen fragt.
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Aufgrund der wichtigen Kostensenkung
in Verbindung mit den Werkzeugen entsteht ein Produkt, das im Vergleich
mit den vorhandenen Pressen kostengünstiger ist. Außerdem ist
diese Presse ausbaufähig,
da sie mit einem automatischen Werkzeugwechsler oder einer Teilelade-/-entladevorrichtung ausgestattet
werden kann.
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Für
die Gesellschaft, die lediglich spezielle (einheitliche) Maschinen
in Betracht zieht, bietet das Verfahren die Möglichkeit, ein vielseitiges
Produkt der Kundschaft, wie für
die Automobilindustrie oder noch andere Sektoren, wie die mechanische
Konstruktion oder elektrische Haushaltsgeräte, vorzuschlagen.
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Die Presse kann mit drei verschiedenen Werkzeugen
ausgestattet sein:
einem oberen Werkzeug zum Ergreifen eines
zu verbindenden Teils und zum Sicherstellen der Presskraft;
einem
Werkzeug für
die Aufspannplatte zum Sicherstellen der statischen Bestimmtheit
des Teils, und
einem unteren Werkzeug zum Abstützen der
Aufspannplatte und zum Sicherstellen der Auflage von zu verbindenden
Teilen auf dem Unterteil.
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Durch die Wechselbarkeit des Werkzeugs bei
jeder Verwendung kann das System auch selbst prüfen, ob das verwendete Werkzeug
angemessen ist.
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Mit der Vorrichtung kann eine mittlere
Produktionsstückzahl
von 350 Teilen/Stunde erreicht werden, also kann die Zykluszeitdauer
auf 3 Sekunden reduziert werden.
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4 zeigt
eine Gesamtansicht einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Die Vorrichtung weist einen Servoverteiler (24)
auf, der von einem Verstärker
(21) angesteuert wird, der seinerseits durch eine numerische
Steuerung (22) angesteuert wird. Eine zentrale Hydraulikquelle
(23) führt
dem Servoverteiler (24) und der hydraulischen Hubvorrichtung
(4) ein hydraulisches Fluid zu. Die vom Kraftsensor (25)
und dem System (27) zur Erfassung der Position der Hubvorrichtung
(4) gelieferten Informationen werden mit Hilfe eines Kontrollbildgeräts (26)
geprüft.
Die numerische Steuerung (22) erkennt mittels des Erfassungssystems
(8) ständig
die genaue Position der Aufspannplatte (5).
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Die zu verbindenden Teile (13, 14)
und (16, 17) sollen wie die Teile (1, 2)
angesehen werden, die aufeinander oder ineinander zu verbinden sind.