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Die Erfindung betrifft ein Schraubsystem mit einem Schraubwerkzeug, einer Zuführeinrichtung zum automatischen Zuführen von Schrauben, einem Niederhalter zum Abstützen des Schraubsystems an zwei miteinander zu verschraubenden Bauteilen, einem Positionierkopf zur Positionierung der Schraube relativ zu den zu verschraubenden Bauteilen, sowie einer Vorschubeinrichtung zum Vorschieben des Schraubwerkzeugs in einer Vorschubrichtung.
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Derartige Schraubsysteme sind grundsätzlich bekannt und dienen zur automatischen Durchführung von Schraubvorgängen, wodurch sich Schraubvorgänge, beispielsweise im Fahrzeugbau, schnell durchführen lassen. Herkömmliche Schraubsysteme erweisen sich insofern als nachteilig, als sie auf die Dimensionen der zu verschraubenden Bauteilen genau eingestellt werden müssen. Beispielsweise muss ein herkömmliches Schraubsystem bei einem Wechsel von nicht vorgelochten Bauteilen auf vorgelochte Bauteile neu konfiguriert werden, wofür der Produktionsfluss angehalten werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein variabler einsetzbares Schraubsystem zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch ein Schraubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass der Positionierkopf in Vorschubrichtung relativ zu dem Niederhalter verschiebbar an dem Niederhalter gelagert ist.
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Das erfindungsgemäße Schraubsystem eignet sich besonders gut für Fließloch formendes Schrauben und hat den Vorteil, dass es unterschiedlich konfigurierte und/oder dimensionierte Bauteile miteinander verschrauben kann, ohne dass das Schraubsystem hierzu jeweils speziell eingestellt werden muss.
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In diesem Zusammenhang bedeutet Konfiguration beispielsweise, dass eines der Bauteile, insbesondere das dem Schraubsystem zugewandte Bauteil, vorgelocht ist. Unter der Dimension der Bauteile ist hier die Stärke der Bauteile zu verstehen, insbesondere die Stärke des dem Schraubsystem zugewandten Bauteils.
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Zur Herstellung einer optimalen Schraubverbindung ist es unter anderem vorteilhaft, wenn die durch das Schraubwerkzeug angetriebene Schraube seitlich gehalten wird und/oder sich an einem der zu verschraubenden Bauteile abstützen kann, da sie anderenfalls relativ zu den Bauteilen verkippen könnte. Durch die erfindungsgemäße Verschiebbarkeit des Positionierkopfs relativ zu dem Niederhalter, also durch die gewissermaßen schwimmende Lagerung des Positionierkopfs, ist ein Abstützen der Schraube nicht nur an einem nicht vorgelochten Bauteil sichergestellt, in diesem Fall an dem dem Schraubsystem zugewandten Bauteil, sondern auch wenn das dem Schraubsystem zugewandte Bauteil vorgelocht ist, dann nämlich an dem dem Schraubsystem abgewandten Bauteil, da die durch den Positionierkopf positionierte Schraube in das Vorloch eintauchen und sich an dem abgewandten Bauteil abstützen kann.
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Durch die schwimmende Lagerung des Positionierkopfes kann die Schraubenspitze also je nach Konfiguration und Dimension der Bauteile, insbesondere des dem Schraubsystem zugewandten Bauteils, gewissermaßen selbsttätig und insbesondere ohne Umbau des Schraubsystems diejenige Lage in axialer Richtung gesehen relativ zu dem Niederhalter einnehmen, die für eine axiale Abstützung zur korrekten Positionierung der Schraube erforderlich ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
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Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausführungsform ist der Positionierkopf entgegen der Rückstellkraft eines Federelements auf den Niederhalter zu bewegbar. Der Positionierkopf wird durch das Federelement normalerweise also zu dem Niederhalter auf Abstand gehalten. Bei Bedarf, z.B. wenn das dem Schraubsystem zugewandte Bauteil vorgelocht ist, kann dieser Abstand unter Überwindung der Rückstellkraft des Federelements, z.B. durch die Vorschubeinrichtung, verringert werden und die zu positionierende Schraube in das Vorloch eingeführt werden, damit sie sich auf dem abgewandten Bauteil abstützen kann.
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Vorteilhafterweise ist ein lösbarer Verriegelungsmechanismus zur Verriegelung des Positionierkopfs an dem Niederhalter vorgesehen. Im verriegelten Zustand des Verriegelungsmechanismus kann sich der Positionierkopf nicht relativ zum Niederhalter bewegen, d.h. der Positionierkopf und der Niederhalter lassen sich nur gemeinsam bewegen. Außerdem wird insbesondere bei einer vertikalen Ausrichtung des Schraubsystems ein sogenanntes Durchsacken des Positionierkopfs, d.h. eine Schwerkraft- oder Trägheitsbedingte Bewegung des Positionierkopfs relativ zu dem Niederhalter, wirksam vermieden.
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Der Verriegelungsmechanismus kann beispielsweise durch mindestens einen Fanghaken realisiert sein, der an dem Niederhalter drehbar angeordnet ist und an den Positionierkopf angreifen kann.
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Bevorzugt ist eine Entriegelung des Verriegelungsmechanismus an die Vorschubbewegung des Schraubwerkzeugs gekoppelt. Es lässt sich somit ein zusätzlicher Antrieb für die Verriegelungsmechanismus sparen. Beispielsweise kann die Entriegelung des Verriegelungsmechanismus mittels einer Gleitplatte bewirkt werden, die an einer das Schraubwerkzeug tragenden Schraubeinheit angeordnet ist und beim Vorschub des Schraubwerkzeugs auf den Fanghaken auffährt und diesen zur Lösung des Positionierkopfs von dem Niederhalter verdreht.
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Um bei jedem Schraubvorgang eine definierte Ausrichtung der Schraube relativ zu den zu verschraubenden Bauteilen und einen sauberen Eingriff zwischen der Schraube und dem Schraubwerkzeug zu gewährleisten, umfasst der Positionierkopf bevorzugt einen Haltemechanismus zum Halten der zugeführten Schraube.
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Vorteilhafterweise ist ein eigener Aktuator zum Öffnen des Haltemechanismus vorgesehen. Hierdurch lässt sich der Haltemechanismus prinzipiell zu einem beliebigen gewünschten Zeitpunkt öffnen und die gehaltene Schraube freigeben. Insbesondere braucht der Haltemechanismus nicht durch die gehaltene Schraube selbst geöffnet zu werden, wodurch ein Verschleiß von Komponenten des Haltemechanismus erheblich reduziert oder sogar vollständig vermieden wird.
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Gemäß einer besonders robusten und einfachen Ausführungsform ist der Aktuator pneumatisch oder hydraulisch betätigbar.
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Vorteilhafterweise umfasst der Haltemechanismus zwei Backen zum Halten der zugeführten Schraube. Beispielsweise können die Backen als Halbschalen ausgestaltet sein und die zugeführte Schraube in einem zusammengedrückten Zustand zumindest annähernd vollständig umschließen, um die Schraube dadurch sicher zu halten.
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Gemäß einer baulich besonders einfachen Ausführungsform sind die Backen an dem Niederhalter zugewandten vorderen Enden von Backenarmen angeordnet, welche an dem Positionierkopf drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen insbesondere rechtwinklig zu der Vorschubrichtung verlaufen. Durch die drehbare Lagerung der zwei Backenarme lässt sich die Funktion einer Zange realisieren, wodurch eine zugeführte Schraube leicht und zuverlässig gehalten und freigegeben werden kann.
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Der Aktuator kann beispielsweise zwei Schubstangen umfassen, die durch den Aktuator gesteuert auf die Backenarme auffahren und diese dadurch so verdrehen, dass die Backen geöffnet werden. Um ein versehentliches Öffnen der Backen und somit eine Schräglage oder sogar einen Verlust der zugeführte Schraube zu vermeiden, sind die Backenarme zum Öffnen der Backen bevorzugt entgegen der Rückstellkraft eines Federelements auslenkbar.
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Da eine gezielte Steuerung des Öffnens der Backen grundsätzlich auch realisiert werden kann, ohne dass der Positionierkopf zu dem Niederhalter relativ verschiebbar gelagert ist, ist weiterer Gegenstand der Erfindung außerdem ein Schraubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Durch dieses lassen sich die voranstehend beschriebenen Vorteile entsprechend erreichen.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer möglichen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schraubsystems mit einem Niederhalter und einem Positionierkopf;
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2 eine Explosionsdarstellung des Schraubsystems von 1;
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3(A) eine Teilschnittansicht und (B) eine perspektivische Ansicht des Schraubsystems von 1 vor einem Schraubvorgang mit Abstand zu zu verschraubenden Bauteilen;
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4(A) eine Teilschnittansicht und (B) eine perspektivische Ansicht des Schraubsystems von 1, wobei der Niederhalter an den zu verschraubenden Bauteilen anliegt;
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5(A) eine Teilschnittansicht und (B) eine perspektivische Ansicht des Schraubsystems von 1, wobei eine zugeführte Schraube in einem Vorloch des einen Bauteils an dem anderen Bauteil ansteht;
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6(A) eine Teilschnittansicht und (B) eine perspektivische Ansicht des Schraubsystems von 1 nach Vollendung eines Schraubvorgangs; und
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7 eine Draufsicht auf einen an dem Positionierkopf des Schraubsystems von 1 angeordneten Haltemechanismus.
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1 und 2 zeigen ein Schraubsystem 10 zur automatischen Durchführung von Schraubvorgängen, insbesondere Fließloch formenden Schraubvorgängen.
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Das Schraubsystem 10 umfasst eine Grundeinheit 12, welche an einer nicht dargestellten Handhabungsvorrichtung, beispielsweise an einem Roboterarm, montiert sein kann.
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Die Grundeinheit 12 trägt eine Schraubeinheit 14, welche mittels eines Vorschubzylinders 16 der Grundeinheit 12 in einer Vorschubrichtung relativ zu der Grundeinheit 12 bewegt werden kann. Hierzu umfasst die Grundeinheit 12 zwei Führungsschienen 18, an welchen die Schraubeinheit 14 verschiebbar gelagert ist.
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Die Schraubeinheit 14 umfasst einen Antriebsmotor 20, der über eine sich in Vorschubrichtung erstreckende Antriebswelle 22 ein Schraubwerkzeug 24 rotatorisch antreibt, welches in einem Positionierkopf 26 in Vorschubrichtung verschiebbar gelagert ist.
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Die Schraubeinheit 14 trägt ferner einen Niederhalter 28, welcher sich in Vorschubrichtung gesehen vor den Positionierkopf 26 erstreckt und welcher mittels eines Niederhalterschlittens 30 in Vorschubrichtung verschiebbar an der Schraubeinheit 14 gelagert ist. Der Niederhalterschlitten 30 ist mit einem seitlich angeordneten Fanghaken 32 versehen, welcher mit einem Verriegelungsvorsprung 34 zusammenwirkt, der entsprechend seitlich an dem Positionskopf 26 vorgesehen ist, um den Niederhalter 28 und den Positionskopf 26 lösbar gegen eine Relativbewegung zu sichern.
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Zur Durchführung eines Schraubvorgangs wird das Schraubsystem 10 durch die Handhabungsvorrichtung zunächst in einem geringen Abstand, z.B. in einem Abstand von etwa 20 mm, vor zwei miteinander zu verschraubenden Bauteilen 36, 38 positioniert (3).
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Eine für die Verschraubung vorgesehen Schraube 40 wird dem Positionierkopf 26 mittels einer an sich bekannten Zuführeinrichtung 42 zugeführt. Zum Ausrichten und Halten der Schraube 40 in einer definierten Schraublage weist der Positionierkopf 26 einen Haltemechanismus 44 auf, welcher nachfolgend noch genauer beschrieben wird.
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Anschließend wird die Schraubeinheit 14 durch eine Betätigung des Vorschubzylinders 16 soweit in Richtung der Bauteile 36, 38 vorgeschoben, bis sich der Niederhalter 28 an dem dem Schraubsystem zugewandten Bauteil 36 abstützt (4). Um Positionstoleranzen der Bauteile 36, 38 auszugleichen, kann der Niederhalterschlitten 30 entgegen der Rückstellkraft einer Feder, z.B. einer Luftfeder 46, relativ zu der Schraubeinheit 14 leicht einfedern. Aufgrund der Verriegelung von Positionierkopf 26 und Niederhalterschlitten 30 mittels des Fanghakens 32 bewegt sich der Positionierkopf 26 hierbei zusammen mit dem Niederhalterschlitten 30 mit.
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Das Schraubwerkzeug 24 befindet sich in der in 4 dargestellten Situation noch in einer zurückgezogenen Stellung, in welcher es mit der Schraube 40 nicht in Eingriff steht.
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Als nächstes wird die Schraubeinheit 14 durch den Vorschubzylinder 16 weiter vorgeschoben, um das Schraubwerkzeug 24 mit der Schraube 40 in Eingriff zu bringen. Das Schraubwerkzeug 24 dreht sich hierbei allenfalls mit geringer Drehzahl.
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Sobald das Schraubwerkzeug 24 mit der Schraube 40 in Eingriff steht, läuft bei weiterem Vorschub der Schraubeinheit 14 eine Entriegelungsplatte 48 der Schraubeinheit 14 auf den Fanghaken 32 des Niederhalterschlittens 30 auf, um den Fanghaken 32 zu verdrehen und den Positionierkopf 26 dadurch von dem Niederhalterschlitten 30 zu entkoppeln.
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Durch die Entriegelung des Positionierkopfs 26 von dem Niederhalterschlitten 30 kann sich Positionierkopf 26 nun relativ zu dem Niederhalter 28 bewegen, so dass er bei weiterem Vorschub der Schraubeinheit 14 über das Schraubwerkzeug 24 und die sich an dem Haltemechanismus 44 abstützende Schraube 40 auf den Niederhalter 28 zu geschoben wird, und zwar maximal so weit, bis eine vordere Anschlagfläche 50 des Positionierkopfs 26 an einer hinteren Anschlagfläche 52 des Niederhalters 28 anstößt.
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Während der Relativbewegung des Positionierkopfs 26 auf den Niederhalter 28 zu wird eine an dem Positionierkopf 26 gelagerte Schraubendruckfeder 54 mittels eines Drückstücks 56 komprimiert, welches sich an der hinteren Anschlagfläche 52 des Niederhalters 28 abstützt. Die Rückstellkraft der komprimierten Schraubendruckfeder 54 sorgt dafür, dass sich der Positionierkopf 26 beim Zurückfahren der Schraubeinheit 14 wieder in seine zu dem Niederhalter 28 beabstandete Ausgangslage zurückbewegt und in dieser wieder verriegelt werden kann.
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Durch den Vorschub der Schraubeinheit 14 wird die Schraube 40 mittels des Schraubwerkzeugs 24 auf die zu verschraubenden Bauteile 36, 38 zu bewegt, bis die Schraubenspitze auf die Oberfläche eines der Bauteile stößt (5). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das dem Schraubsystem 10 zugewandte Bauteil 36 mit einem Vorloch 58 versehen. Die Schraube 40 muss also in das Vorloch 58 hinein gefahren werden, um sich auf dem abgewandten Bauteil 38 abstützen zu können, d.h. also weiter vorgeschoben werden, als es erforderlich wäre, wenn das zugewandte Bauteil 36 kein Vorloch 58 aufwiese. Diese unterschiedlichen Vorschübe bis zum Abstützen der Schraube 40 an den Bauteilen 36, 38 werden durch die schwimmende Lagerung des Positionierkopfs 26 an dem Niederhalterschlitten 30, d.h. durch die mögliche Relativbewegung zwischen Positionierkopf 26 und Niederhalter 28 kompensiert.
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Der Zeitpunkt des Anstoßens der Schraube 40 an dem Bauteil 38 kann je nach Konfiguration und Dimension des zugewandten Bauteils 36, d.h. ob ein Vorloch 58 vorhanden ist und, falls ja, wie tief es ist, vorbekannt sein und/oder durch z.B. eine Kraftmessung am Vorschubzylinder 16 detektiert werden.
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Sobald die Schraube 40 an eines der Bauteile 36, 38 anstößt, im hier dargestellten Ausführungsbeispiel an dem abgewandten Bauteil 38, ist die Schraube 40 zwischen dem Bauteil 38 und dem Schraubwerkzeug 24 fixiert und somit gegen Verkippen gesichert.
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Nun kann der eigentliche Prozess des Verschraubens der Bauteile 36, 38 beginnen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form eines Fließloch formenden Schraubprozesses.
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Hierzu wird zur Vermeidung von Verschleiß durch Reibung der Schraube 40 an Komponenten des Haltemechanismus 44 der Haltemechanismus 44 zunächst von der Schraube 40 gelöst und anschließend die Drehzahl des Schraubwerkzeugs 24 auf die für den Schraubprozess erforderliche Drehzahl erhöht. Durch entsprechenden Vorschub der Schraubeinheit 14 wird die Schraube 40 dann in die Bauteile 36, 38 getrieben (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur in das abgewandte Bauteil 38), um diese miteinander zu verbinden (6).
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Der in 7 genauer dargestellte Haltemechanismus 44 umfasst zwei Backenarme 60, die auf gegenüberliegenden Seiten des Positionierkopfs 26 jeweils um eine zur Vorschubrichtung rechtwinklig orientierte Drehachse 62 drehbar an dem Positionierkopf 26 gelagert sind. Im Bereich ihrer dem Niederhalter 28 zugewandten vorderen Enden sind halbschalenförmige Backen 64 an den Backenarmen 60 angebracht, welche die zu haltende Schraube 40 in Umfangsrichtung gesehen zumindest annähernd vollständig umschließen und dadurch in der Schraublage halten.
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Das dem Niederhalter 28 abgewandte hintere Ende jedes Backenarms 60 befindet sich auf der dem jeweiligen vorderen Ende gegenüberliegenden Seite der Drehachse 62. Die zwischen den Drehachsen 62 und den hinteren Enden gelegenen hinteren Abschnitte 66 der Backenarme 60 werden mittels einer Schließfeder 68, z.B. einer Schraubendruckfeder, auseinander gedrückt, wodurch umgekehrt die Backen 64 zum Halten der Schraube 40 zusammen gedrückt werden.
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Im Bereich ihrer hinteren Enden sind die Backenarme 60 jeweils mit einer parallel zur Drehachse 62 drehbar gelagerten Betätigungsrolle 70 versehen. Die Betätigungsrollen 70 sind im Bereich von Ausgängen von sich in Vorschubrichtung erstreckenden Führungskanälen 72 angeordnet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Positionierkopfs 26 vorgesehen sind.
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An der Schraubeinheit 14 sind Schubstangen 74 vorgesehen, welche durch die Führungskanäle 72 hindurch geschoben werden und auf die Betätigungsrollen 70 auflaufen können, um die hinteren Abschnitte 66 der Backenarme 60 entgegen der Rückstellkraft der Schließfeder 68 zusammen und somit die Backen 64 zur Freigabe der Schraube 40 auseinander zu drücken.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein eigener Antrieb für den Vorschub der Schubstangen 74 vorgesehen, z.B. ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb, wodurch es möglich ist, grundsätzlich unabhängig von der Vorschubposition der Schraubeinheit 14 den Haltemechanismus 44 zu öffnen und die gehaltene Schraube 40 freizugeben. Beispielsweise kann der Antrieb der Schubstangen 74 gezielt so gesteuert werden, dass er aktiviert wird, sobald ein Anstoßen der Schraube 40 an eines der zu verschraubenden Bauteile 36, 38 detektiert wird.
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Alternativ ist es aber auch denkbar, die Öffnung des Haltemechanismus 44 an den Vorschub der Schraubeinheit 14 zu koppeln, z.B. indem die Lage der Schubstangen 74 festgelegt ist.
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Gemäß einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Betätigung des Haltemechanismus 44 anstatt durch die angetriebenen Schubstangen 74 auch mittels eines Aktuators erfolgen, der alternativ oder zusätzlich zu der Schließfeder 68 zwischen den hinteren Abschnitten 66 der Backenarme 60 sitzt. Ein solcher Aktuator könnte beispielsweise einen pneumatischen oder hydraulischen Kolben, insbesondere Gegenkolben, umfassen, der zwischen den hinteren Abschnitten 66 der Backenarme 60 angeordnet ist und diese zur Freigabe der gehaltenen Schraube 40 zusammenzieht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schraubsystem
- 12
- Grundeinheit
- 14
- Schraubeinheit
- 16
- Vorschubzylinder
- 18
- Führungsschiene
- 20
- Antriebsmotor
- 22
- Antriebswelle
- 24
- Schraubwerkzeug
- 26
- Positionierkopf
- 28
- Niederhalter
- 30
- Niederhalterschlitten
- 32
- Fanghaken
- 34
- Verriegelungsvorsprünge
- 36
- Bauteil
- 38
- Bauteil
- 40
- Schraube
- 42
- Zuführeinrichtung
- 44
- Haltemechanismus
- 46
- Luftfeder
- 48
- Entriegelungsplatte
- 50
- Anschlagfläche
- 52
- Anschlagfläche
- 54
- Schraubendruckfeder
- 56
- Druckstück
- 58
- Vorloch
- 60
- Backenarme
- 62
- Drehachse
- 64
- Backen
- 66
- hinterer Abschnitt
- 68
- Schließfeder
- 70
- Betätigungsrolle
- 72
- Führungskanal
- 74
- Schubstange
