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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Direktverschrauben von Bauteilen, insbesondere zum Fließlochschrauben.
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Ein Verfahren zum Fließlochschrauben ist beispielsweise zu entnehmen aus der
DE 103 48 427 A1 . Beim Fließlochschrauben werden zwei Bauteile mittels einer Verschraubung ohne Vorlochen mindestens eines Bauteils miteinander verschraubt. In einem ersten Prozessabschnitt wird hierbei in dem Bauteil spanlos ein Loch erzeugt und anschließend wird in einem zweiten Prozessabschnitt in das erzeugte Loch ein Gewinde eingeformt. Beide Prozessabschnitte erfolgen hierbei mit einer Fließlochschraube, mit der also zunächst das Loch spanlos erzeugt wird und anschließend das Gewinde eingeformt wird. Schließlich dient die Fließlochschraube zugleich auch dazu, die beiden Bauteile über eine Schraubverbindung in einem dritten Prozessabschnitt miteinander zu verbinden. Für den Fließlochschraubvorgang wird dabei die Fließlochschraube in eine Drehbewegung versetzt und mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Axialrichtung mit vorgegebener Vorschubkraft versetzt.
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Die Fließlochschraube weist üblicherweise eine konische Spitze auf. Beim Lochformvorgang im ersten Prozessabschnitt wird durch eine hohe Drehzahl sowie eine hohe Vorschubkraft das Bauteil durch die Fließlochschraube an der vorgesehenen Lochposition zunächst erwärmt und anschließend plastisch verformt. Nach dem Lochformvorgang dringt die Fließlochschraube weiter ein und formt mit ihrem Schraubengewinde das Gewinde in das zuvor geformte Loch ein. Für den Gewindeformvorgang im zweiten Prozessabschnitt wird üblicherweise die Drehzahl der Fließlochschraube verringert. Im ersten Prozessabschnitt, bei dem durch die Erwärmung eine plastische Verformung der Bauteile erfolgt, werden gemäß der
DE 103 48 427 A1 Drehzahlen im Bereich von 1000 bis 5000U/min und Vorschub- bzw. Andruckkräfte im Bereich zwischen 0,3 bis 1,5kN realisiert.
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Bei der
DE 103 48 427 A1 ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Bauteile während des Verschraubens durch eine Niederhaltekraft aneinander gedrückt werden, welche beispielsweise pneumatisch oder auch durch Federn aufgebracht wird. Zusätzlich wirkt mittels einer Schraubspindel eine Vorschubkraft auf die Fließlochschraube.
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Aus der
DE 199 11 308 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Fließlochfurchen beschrieben. Hierbei wird ein einziges Werkzeug eingesetzt, welches für die Lochoperation auf einen langsameren Vorschub gesteuert ist im Vergleich zum anschließenden Gewindeformen. Mittels einer wendelförmigen Druckfeder wird hierbei ein Anpressdruck erzeugt.
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Neben dem Fließlochschrauben ist als weitere Direktverschraubung noch ein Bohrschrauben bekannt, bei dem das Loch im ersten Prozessabschnitt mit Hilfe einer Bohrschraube durch Bohren, also spanend erzeugt wird und anschließend im zweiten Prozessabschnitt – wie beim Fließlochschrauben auch – ein Gewinde eingeformt wird. Unter Direktverschraubung wird allgemein ein Prozess verstanden, bei dem der Lochformvorgang und der Schraubvorgang in einem gemeinsamen Schraubvorgang mit einem Schraubelement erfolgt, welches auch zur Erzeugung des Durchzugs im Bauteil mit Einformung des Gewindes ausgebildet ist.
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Das Direktverschrauben, insbesondere das Fließlochschrauben findet zusehends Verwendung auch in der Kraftfahrzeugindustrie. Hierbei ist insbesondere eine hohe Taktrate bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit gefordert.
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Auf dem Markt befindliche Systeme zeichnen sich durch pneumatische Systeme aus, mittels derer die Vorschubkraft pneumatisch erzeugt und auf die Schrauberwelle übertragen wird. Insbesondere beim Einsatz in der Kraftfahrzeugindustrie werden die entsprechenden Vorrichtungen zum Fließlochschrauben an einer Roboterhand eines Handhabungsroboters, insbesondere eines mehrachsigen Industrieroboters befestigt. Bei der Bewegung der Roboterhand während eines Arbeitszyklusses treten zum einen hohe Beschleunigungswerte auf. Zum anderen ist es häufig erforderlich, dass die Vorrichtung in beengte Bauräume beispielsweise bei einer Kraftfahrzeug-Karosserie geführt werden muss. Die auf dem Markt befindlichen Systeme bauen vergleichsweise voluminös. Üblicherweise ist zur Erzeugung der Drehbewegung ein Schrauberantrieb vorgesehen und parallel hierzu zur Erzeugung der teilweise sehr hohen Vorschubkräfte ein pneumatischer Vorschubantrieb. Dieser ist parallel neben dem Schrauberantrieb angeordnet und über eine deshalb notwendige massive Führungs- und Tragstruktur werden die Vorschubkräfte auf eine Schrauberwelle des Schrauberantriebs übertragen. Insgesamt benötigen daher derartige Systeme ein gewisses Bauvolumen und weisen aufgrund der massiven Tragstruktur auch ein hohes Gewicht auf.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompaktbauende Vorrichtung für ein Direktverschrauben, insbesondere Fließlochschrauben von zwei Bauteilen anzugeben, welche insbesondere an einer Roboterhand eines Handhabungsroboters in kompakter Weise bei zugleich zuverlässiger Kraftübertragung befestigbar ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Direktverschrauben mit kompakten Vorrichtungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Direktverschrauben, insbesondere zum Fließlochschrauben, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Vorrichtung umfasst ein sich in einer Axialrichtung erstreckendes Führungselement, welches insbesondere als ein Führungsrohr mit typischerweise zylindrischen Innenhohlraum ausgebildet ist. Die Außenkontur des Führungsrohrs kann von einer Kreisform abweichen. Innerhalb dieses Führungselements ist eine Schrauberwelle angeordnet, die im Betrieb von einem Schrauberantrieb angetrieben wird, welcher einen Schraubermotor aufweist. Die Schrauberwelle ist dabei in Axialrichtung versetzbar innerhalb des Führungselements angeordnet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen gesteuerten Vorschubantrieb zur Erzeugung einer Vorschubbewegung, wobei der Vorschubantrieb vorzugsweise einen nicht pneumatischen Vorschubmotor umfasst. Der Vorschubantrieb weist zur Übertragung der Vorschubbewegung sowie einer Vorschubkraft von zumindest 500N, insbesondere von zumindest 1000N eine Vorschubeinheit auf. Eine Komponente der Vorschubeinheit ist dabei zur Übertragung der Vorschubbewegung sowie der Vorschubkraft auf die Schrauberwelle in Axialrichtung versetzbar. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinheit zum Ansteuern des Vorschubantriebs, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass im Betrieb in Abhängigkeit eines Prozessparameters von einer hohen Vorschubkraft auf eine reduzierte Vorschubkraft umgeschaltet wird. Die Vorrichtung ist dabei weiterhin derart ausgebildet, dass die Vorschubeinheit koaxial zur Schrauberwelle innerhalb der Führungseinheit angeordnet ist und auf die Schrauberwelle in Axialrichtung zur zentrischen Übertragung der Vorschubkraft einwirkt. Die Kraftübertragung erfolgt daher querkraftfrei, es treten also keine Biegemomente auf, die über eine massive Tragstruktur abgefangen werden müssten.
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Diese Vorrichtung ist daher speziell für das Direktverschrauben, insbesondere Fließlochschrauben, konzipiert und umfasst zwei separate Antriebe, nämlich den Vorschubantrieb und den Schrauberantrieb. Von besonderer Bedeutung ist die koaxiale, konzentrische Anordnung der Vorschubeinheit zur Schrauberwelle, so dass also die hohen Vorschubkräfte zentrisch unmittelbar auf die Schrauberwelle übertragen werden, so dass also kein Umlenken der Vorschubkraft erforderlich und vorgesehen ist, so dass auf eine starke mechanische Tragstruktur verzichtet ist.
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Am vorderen Ende der Schrauberwelle wird im Betrieb ein jeweiliges Schraubelement für den Direktverschraubvorgang, insbesondere eine Fließlochschraube, gehalten. Stirnendseitig ist daher an der Schrauberwelle ein entsprechender Werkzeugangriff bzw. eine entsprechende Halterung für ein derartiges Schraubelement angeordnet. Mit diesem Konzept der koaxialen Anordnung der Vorschubeinheit zur Schrauberwelle zur zentrischen Übertragung der Vorschubkraft ist daher insgesamt eine sehr kompakt bauende und auch vergleichsweise leichte Vorrichtung ermöglicht, die dennoch zur Übertragung der hohen Kräfte von typischerweise bis zu 5000N und der hohen Drehzahlen für die Schrauberwelle von typischerweise bis 8000U/min ausgebildet ist. Die Vorrichtung eignet sich daher insbesondere für den vorgesehenen Anwendungszweck in der Kraftfahrzeugindustrie, speziell zur Anordnung der Vorrichtung bei einem Industrieroboter. Die Vorrichtung ist im Einsatz bevorzugt an einer Roboterhand befestigt.
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Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung umfasst die Vorschubeinheit einen Spindelantrieb mit zwei Spindelelementen, nämlich mit einer Spindelmutter und mit einer Gewindespindel. Die Vorschubkraft und die Vorschubbewegung werden daher über den Spindelantrieb effektiv und in kompakter Bauweise übertragen. Aufgrund der koaxialen Anordnung eignet sich die Ausgestaltung als Spindelantrieb besonders, da hierdurch die koaxiale Anordnung zur Schrauberwelle besonders einfach ist.
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Alternativ zur Ausbildung als Spindelantrieb ist beispielsweise ein Linearantrieb oder auch ein Hydraulikantrieb eingesetzt.
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Bevorzugt sind die Drehbewegungen des Vorschubantriebs einerseits, insbesondere des Spindelantriebs, und der Schrauberwelle andererseits voneinander entkoppelt. Die Drehbewegung des Vorschubantriebs, insbesondere die des Spindelantriebs oder allgemein eines Vorschubmotors, hat also keinerlei Einfluss auf die Schrauberwelle und wird insbesondere nicht auf diese übertragen. Es wird lediglich die axiale Vorschubbewegung und Vorschubkraft auf die Schrauberwelle übertragen. Im Hinblick auf die Drehbewegung handelt es sich um zwei vollständig entkoppelte Antriebe. Durch diese Maßnahme wird eine einfache getrennte Ansteuerung der beiden Antriebe, nämlich des Vorschubantriebs sowie des Schrauberantriebs ermöglicht. Beim Direktverschrauben ist nämlich ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Prozessabschnitten (Lochformen und Gewindeformen) erforderlich. Bei miteinander gekoppelter Drehbewegung wäre andernfalls eine schnelle, synchrone Umschaltung der beiden Antriebe erforderlich, was nur mit Aufwand realisierbar ist.
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Beim Spindelantrieb besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass wahlweise die Spindelmutter oder die Gewindespindel ortsfest positioniert ist und das jeweils andere Spindelelement in Axialrichtung versetzt wird, um die Vorschubbewegung auf die Schrauberwelle zu übertragen.
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In zweckdienlicher Ausgestaltung ist die Gewindespindel in Axialrichtung ortsfest positioniert und die Spindelmutter ist in Axialrichtung verstellbar angeordnet.
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In bevorzugter Weiterbildung überlappen das feststehende Spindelelement, also insbesondere die Gewindespindel, und die Schrauberwelle in Axialrichtung und sind insbesondere koaxial ineinander angeordnet. Die eine dieser beiden Komponenten ist daher als Hohlkörper und insbesondere hülsenartig ausgebildet. Dies ist insbesondere die Schrauberwelle. Hierdurch wird eine kompakte Bauform erreicht.
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Das eine Spindelelement, also insbesondere die Gewindespindel, und die Schrauberwelle, sind dabei über eine axiale Führungslänge ineinander angeordnet, die vorzugsweise zumindest einem maximalen Arbeitshub entspricht. Durch diese Anordnung der beiden Einheiten, die zugleich zur Übertragung der Vorschubkräfte miteinander zusammenwirken, ist eine sehr kompakte Ausbildung der gesamten Vorrichtung mit kurzer Baulänge erzielt.
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Der maximale Arbeitshub und damit etwa auch die axiale Führungslänge liegen vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 150 mm.
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Als Vorschubmotor für den Vorschubantrieb wird bevorzugt ein nicht pneumatischer Motor, insbesondere ein erster Elektromotor, eingesetzt. Daneben besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, beispielsweise einen Hydraulikmotor einzusetzen. Ein derartiger Vorschubantrieb, insbesondere ein Elektromotor mit Spindelantrieb, weist eine im Vergleich zu einem Pneumatikzylinder deutlich verringerte Baugröße auf. Der Elektromotor ist insbesondere ein bürstenloser (Gleichstrom-)Elektromotor. Mit einem derartigen ersten Elektromotor ist zum einen die erforderliche Vorschubkraft in einfacher Weise aufbringbar. Zum anderen ist ein derartiger erster Elektromotor besonders einfach und definiert zu steuern. Insbesondere ist damit – im Vergleich zu einem pneumatischen Motor – ein definiertes schnelles Umschalten zu einem vorgegebenen Umschaltzeitpunkt zwischen dem ersten und zweiten Prozessabschnitt in einfacher Weise umzusetzen. Insbesondere beim Fließlochschrauben besteht nämlich das Problem, dass zwischen dem ersten Prozessschritt, bei dem das Loch geformt wird, und dem anschließenden zweiten Prozessschritt, bei dem ein Gewinde geformt wird, möglichst schnell auf die geringe Vorschubkraft und die geringe Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet werden muss. Andernfalls besteht das Problem, dass das Gewinde des Schraubelements, insbesondere der Fließlochschraube, mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kraft gegen das Bauteil verfährt und beschädigt wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist daher auch vorgesehen, dass ein Umschalten zwischen diesen beiden Prozessschritten, also von einer hohen Vorschubkraft des Vorschubantriebs und einer hohen Drehgeschwindigkeit des Schrauberantriebs auf eine geringe Vorschubkraft und eine geringe Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines zur Vorschubkraft korrelierten Parameters erfolgt. Grundsätzlich kann dies die Vorschubkraft selbst sein, die beispielsweise mit einer Kraftmessdose gemessen wird. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um einen Antriebsparameter des Vorschubantriebs, welcher mittelbar die Vorschubkraft definiert. Bei der Verwendung eines Elektromotors wird insbesondere dessen Motorstrom, also der aufgenommene Strom, ausgewertet. Dies Ausgestaltung der Auswertung eines zur Vorschubkraft zumindest korrelierten Parameters beruht dabei auf der Überlegung, dass nach dem Lochbildungsprozess die Vorschubkraft und damit der mit ihr korrelierter Antriebsparameter charakteristisch abfällt. Als Umschaltkriterium wird hierbei wahlweise ein charakteristischer Schwellwert oder auch ein charakteristischer Abfall des Parameters ausgewertet. Das Verfahren zum Steuern des Direktverschraubungsprozesses, insbesondere dieses Umschaltens, erfolgt dabei vorzugsweise gemäß dem Verfahren, wie es in der zeitgleich eingereichten
DE 10 2014 208 989.1 beschrieben ist. Auf deren Offenbarung wird vollumfänglich überwiesen und hiermit in die vorliegende Anmeldung mit einbezogen. Dies gilt insbesondere für die in deren Ansprüchen enthaltenen Verfahrensmerkmale, die bei der hier beschriebenen Vorrichtung gleichermaßen Anwendung finden.
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Für die Übertragung der Drehbewegung des Schrauberantriebs auf die Schrauberwelle ist letztere vorzugsweise nach Art einer Keilwelle insbesondere mit Außenverzahnung ausgebildet, welche über ein in Axialrichtung feststehendes Abtriebsrad zur Übertragung der Drehbewegung und auch eines Drehmoments antreibbar ist. Grundsätzlich sind die Schrauberwelle und das Abtriebsrad, also allgemein ein Antriebselement zur Erzeugung der Drehbewegung, relativ zueinander in Axialrichtung versetzbar angeordnet, um über den gesamten Arbeitshub hinweg die Drehbewegung auf die Schrauberwelle bei gleichzeitig in Axialrichtung festsitzendem Schraubermotor zu übertragen. Alternativ zu der zuvor beschriebenen bevorzugten Variante besteht auch die Möglichkeit, die Schrauberwelle als Keilnabe auszubilden und ein Abtriebselement des Schraubermotors als Keilwelle auszugestalten.
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Zweckdienlicherweise ist dabei das Abtriebsrad in Axialrichtung an einem vorderen Ende des Führungselements angeordnet. Das Abtriebsrad ist dabei vorzugsweise seitlich am Führungselement angeordnet und greift durch eine entsprechende Aussparung innerhalb des insbesondere rohrförmigen Führungselements an der innenliegenden Schrauberwelle an. Durch die Anordnung am vorderen Ende des Führungselementes wird der besondere Vorteil erzielt, dass die Drehmomentübertragung im Endbereich erfolgt, wodurch eine Torsion der Schrauberwelle auf ein Minimum reduziert ist. Alternativ besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit, die Schrauberwelle durch das gesamte Führungselement hindurchzuführen, beispielsweise auch durch eine Spindelmutter hindurch, über die die Schrauberwelle in Axialrichtung versetzt wird, und die Schrauberwelle am rückseitigen Ende mit Hilfe des Schrauberantriebs anzutreiben.
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In zweckdienlicher Weiterbildung weist auch der Schrauberantrieb einen Elektromotor, nämlich einen zweiten Elektromotor, auf. Dieser ist ebenfalls vorzugsweise als bürstenloser (Gleichstrom-)Elektromotor ausgebildet.
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Bei diesem zweiten Elektromotor handelt es sich um einen geregelten Elektromotor, über den der eigentliche Schraubvorgang gesteuert wird. Hierzu ist beispielsweise eine Drehmomentsteuerung oder auch eine sonstige Steuerung vorgesehen, um das Schraubelement mit einem definierten Drehmoment anzuziehen. Neben einer Drehmomentsteuerung können auch andere Abbruchkriterien zur Beendigung des Einschraubvorgangs, beispielsweise eine Drehwinkelsteuerung etc., vorgesehen sein.
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Im Hinblick auf eine möglichst kompakt bauende Ausgestaltung weist das Führungselement eine axiale Länge im Bereich von lediglich 250 bis 350 mm auf. Hierbei ist eine eventuelle Integration eines Motors in koaxialer Anordnung innerhalb des Führungselements unberücksichtigt. Bei einer derartigen koaxialen Anordnung eines Motors, beispielsweise des ersten Elektromotors für den Vorschubantrieb, verlängert sich das Führungselement um die Länge dieses Motors, beispielsweise um etwa 100 bis 150 mm. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, diesen Vorschubmotor koaxial zur Schrauberwelle anzuordnen oder auch neben dem Führungselement seitlich zur Schrauberwelle. Im letztgenannten Fall würde der Spindelantrieb über ein radial angeordnetes Abtriebsrad – ähnlich wie zuvor beim Schrauberantrieb beschrieben – mit dem Vorschubmotor in Verbindung stehen.
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Im Hinblick auf eine möglichst kompakt bauende Ausgestaltung in radialer Richtung, um also auch bei beengten Bauräumen möglichst keine Störkontur zu bilden, weist die Vorrichtung senkrecht zu einer Drehachse zu einer Seite hin eine radiale Ausdehnung von maximal 30mm und vorzugsweise von maximal 25 mm auf. Dies gilt insbesondere bei einer koaxialen Anordnung des Vorschubmotors. Dieser ist bei der Ausgestaltung als Elektromotor sehr kompakt bauend und weist einen Durchmesser von beispielsweise lediglich 40mm auf. Gleichzeitig können und sind an dem Führungselement vorzugsweise weitere Komponenten, insbesondere der bereits erwähnte Schrauberantrieb, seitlich angeordnet. Dies ist unkritisch, da in den beengten Bauräumen häufig ein minimaler Abstand nur zu einer Seite hin gefordert wird, wohingegen zur anderen Seite hin ein größerer Bauraum zur Verfügung steht. Insgesamt ist daher durch den hier beschriebenen Aufbau eine Vorrichtung zum Direktverschrauben geschaffen, welche nur eine geringe radiale Störkontur definiert und insgesamt sehr kompakt und auch vergleichsweise leicht baut.
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Zum Fließlochschrauben ist die Steuereinheit insgesamt derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit des Prozessparameters, insbesondere des Motorstroms, von einer hohen Vorschubkraft im Bereich von größer 1000N auf eine reduzierte Vorschubkraft im Bereich von etwa bis 500N und gleichzeitig von einer hohen Drehgeschwindigkeit der Schrauberwelle im Bereich von 5000 bis 8000U/min auf eine geringe Drehgeschwindigkeit im Bereich von 500 bis 2500U/min umgeschaltet wird. Bei Erreichen des definierten Umschaltpunktes, also des charakteristischen Abfalls des Motorstroms bzw. beim Unterschreiten eines charakteristischen Umschaltwerts des Motorstroms wird dies von einer Auswerteeinheit erfasst, die beispielsweise im Vorschubantrieb integriert ist und ein Teil der Steuereinheit bildet. Anschließend geht ein entsprechendes Steuersignal an den Schrauberantrieb, welcher dann auf die geringere Drehgeschwindigkeit umschaltet.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Direktverschrauben, insbesondere Fließlochschrauben, mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 in einer schematischen und stark vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung zum Fließlochschrauben
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2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Fließlochschrauben sowie
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3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer alternativen Variante.
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Die in 1 dargestellte Vorrichtung 2 dient zur Durchführung eines Fließlochschraubvorgangs. Bei diesem wird eine sogenannte Fließlochschraube 4 in zumindest ein Bauteil 6 eingefügt. Im Ausführungsbeispiel sind zwei miteinander über die Fließlochschraube 4 zu verbindende Bauteile 6 dargestellt, welche ergänzend über eine Klebschicht 8 miteinander verbunden sind.
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Die Vorrichtung 2 umfasst ein Führungselement 10, das bevorzugt als ein Führungsrohr ausgebildet ist. Innerhalb des Führungselements 10 ist eine Schrauberwelle 12 um eine Drehachse 14 drehbar gelagert. Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin einen Vorschubantrieb 16 zur Erzeugung einer Vorschubbewegung in Axialrichtung 18 sowie zur Erzeugung einer Vorschubkraft F. Die Vorschubkraft F sowie die Vorschubbewegung werden dabei auf die Schrauberwelle 12 übertragen. Über den Vorschubantrieb 16 wird eine Vorschubgeschwindigkeit v auf die Schrauberwelle 12 übertragen, mit der diese also in Axialrichtung 18 versetzt wird.
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Der Vorschubantrieb 16 weist einen ersten Elektromotor 20 auf, mit Hilfe dessen die Vorschubkraft F sowie die Vorschubgeschwindigkeit v erzeugt werden, welche mittels weiterer, zu 2 näher erläuterten Komponenten auf die Schrauberwelle 12 übertragen werden. In der schematisierten Darstellung der 1 ist der erste Elektromotor 20 seitlich am Führungselement 10 befestigt.
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Die Vorrichtung 2 umfasst weiterhin einen Schrauberantrieb 22, welcher die Schrauberwelle 12 in Drehbewegung um die Drehachse 14 versetzt. Der Schrauberantrieb 22 weist dabei einen zweiten Elektromotor 24 auf, dessen Abtrieb zur Erzeugung der Drehbewegung mit der Schrauberwelle 12 verbunden ist.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit 26 zur Steuerung des Direktschraubvorgangs, insbesondere des Fließlochschraubvorgangs. Die Steuereinheit 26 gibt dabei Steuersignale an die beiden Antriebe 16, 22 ab.
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Beim Fließlochschraubvorgang wird in einem ersten Prozessabschnitt in den Bauteilen
6 ein hier nicht näher dargestelltes Loch geformt. Hierzu wird die Schrauberwelle
12 mittels des Schrauberantriebs
22 mit hoher Drehzahl angetrieben. Gleichzeitig wird mittels des Vorschubantriebs
16 eine hohe Vorschubkraft F ausgeübt. Diese liegt beispielsweise in einem Bereich von oberhalb von 1000N. Die hohe Drehzahl liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 5000U/min bis 8000U/min. Nach Beendigung des Lochformvorgangs wird die Drehzahl in einem zweiten Prozessabschnitt auf eine niedrige Drehzahl umgeschaltet, welche lediglich noch bei 500 bis 2500U/min liegt. Auch wird gleichzeitig eine geringe Vorschubkraft eingestellt, die lediglich noch im Bereich bis 500N liegt. Als Umschaltkriterium wird insbesondere ein charakteristischer mit der Vorschubkraft zumindest korrelierter Wert eines Antriebsparameters des Vorschubantriebs
16 ausgewertet, insbesondere der Motorstrom des ersten Elektromotors
20, wie dies in der zeitgleich eingereichten
DE 10 2014 208 989.1 beschrieben ist.
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Die Fließlochschraube 4 ist für diesen Prozess speziell ausgebildet. Sie weist einen Schraubenkopf 30, einen daran anschließenden Gewindeschaft mit Gewinde 32 sowie eine endseitige, üblicherweise konische Spitze 34 auf. Die Spitze 34 ist dabei derart ausgebildet, dass bei der Lochformung lediglich ein plastisches Verformen und kein Zerspanungsvorgang erfolgt.
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Anhand 2 wird nunmehr der spezielle bevorzugte Aufbau der Vorrichtung 2 näher dargestellt. Die Vorrichtung 2 umfasst das als zylindrisches Rohr ausgebildete Führungselement 10, welches im Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet ist und einen vorderen Führungsabschnitt 10a aufweist, auf dem ein hinterer Antriebsabschnitt 10b als fluchtende Verlängerung angesetzt ist. Innerhalb des rohrförmigen Antriebsabschnitts 10b ist der erste Elektromotor 20 integriert. Der erste Elektromotor 20 weist eine erste Abtriebswelle 20a auf, über die eine Gewindespindel 40 in eine Drehbewegung versetzt wird. Die Gewindespindel ist innerhalb einer Spindelmutter 42 geführt. Die Spindelmutter 42 ist gegen eine Drehbewegung gesichert. Im Ausführungsbeispiel ist hierzu ein Zylinderstift 44 vorgesehen, welcher durch einen sich in Axialrichtung 18 erstreckenden Längsschlitz 46 innerhalb des als Führungsrohr ausgebildeten Führungselements 10 längsverschieblich geführt ist. An einem vorderen Stirnende der Spindelmutter 42 wirkt diese mit einem rückwärtigen Ende der Schrauberwelle 12 zusammen, um die Vorschubkraft F sowie die Vorschubgeschwindigkeit v auf die Schrauberwelle 12 zu übertragen. Wie aus der 2 zu entnehmen ist, ist die Gewindespindel 40 an ihrem rückwärtigen, gewindefreien Zylinderende über ein erstes Lager 48 gelagert. Dieses ist vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist es als eine Kombination aus einem Axiallager und einem Radiallager ausgebildet.
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Die Schrauberwelle 12 erstreckt sich in Axialrichtung 18 innerhalb des Führungselements 10, insbesondere innerhalb des Führungsabschnitts 10a, und tritt mit einem vorderen Wellenabschnitt 12a aus dem Führungselement 10 heraus. Im rückwärtigen Bereich ist die Schrauberwelle 12 als eine Hohlwelle ausgebildet, in die die Gewindespindel 40 eintaucht. Die Schrauberwelle 12 und die Gewindespindel 40 sind ineinander und relativ zueinander beweglich angeordnet. Zum rückwärtigen Bereich zur Spindelmutter 42 hin ist die Schrauberwelle 12 in einem zweiten Lager 50, wiederum vorzugsweise ein Wälzlager drehbar gelagert. Das Lager 50 ist wiederum als eine Kombination aus einem Axiallager und einem Radiallager ausgebildet. Durch das Axiallager ist die Spindelmutter 42 von der Schrauberwelle 12 in Drehrichtung entkoppelt. Die Schrauberwelle 12 ist daher von dem gesamten Spindelantrieb, gebildet durch die Gewindespindel 40 und die Spindelmutter 42, im Hinblick auf die Drehbewegung der Schrauberwelle 12 entkoppelt.
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Dieses zweite Lager 50 ist innerhalb einer Koppelhülse 52 integriert, welche drehfest mit der Spindelmutter 42 verbunden ist und gemeinsam mit dieser in Axialrichtung 18 verschieblich gelagert ist. Über die Koppelhülse 52 ist der Spindelantrieb mit der Schrauberwelle 12 zur Übertragung der Vorschubkraft F und der Vorschubgeschwindigkeit gekoppelt. Gleichzeitig ist die Schrauberwelle 12 innerhalb der Koppelhülse 52 geführt. Die in der 2 dargestellte Vorrichtung ist in einer vollständig zurückgezogenen Position dargestellt, bei der also die Schrauberwelle 12 sich in einer vollständig eingezogenen Position befindet. Bei einer Vorschubbewegung wird die Gewindespindel 40 vom ersten Elektromotor 20 in Drehbewegung versetzt, so dass die drehfest angeordnete Spindelmutter 42 sich in Axialrichtung 18 verschiebt. Diese Vorschubbewegung wird über die Koppelhülse 52 und das zweite Lager 50 auf die Schrauberwelle 12 übertragen, so dass diese in Axialrichtung 18 nach vorne zur Ausübung der Vorschubbewegung verfährt. Die Spindelmutter 42 und damit auch die Schrauberwelle 12, sind um einen maximalen Arbeitshub ΔH in Axialrichtung 18 versetzbar. Dieser liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 und 150 mm. Der als Hohlwelle ausgebildete Abschnitt der Schrauberwelle 12 erstreckt sich über eine axiale Führungslänge ΔF, die vorzugsweise zumindest dem maximalen Arbeitshub ΔH entspricht. Dadurch ist gewährleistet, dass über den gesamten Arbeitshub ΔH die Schrauberwelle 12 und die Gewindespindel 40 ineinander angeordnet sind.
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Für den Antrieb der Schrauberwelle 12, um diese also in eine Drehbewegung zu versetzen, ist der zweite Elektromotor 24 vorgesehen. Dieser ist seitlich neben dem Führungselement 10 und zwar im Ausführungsbeispiel im Führungsabschnitt 10a angeordnet. An diesen zweiten Elektromotor 24 schließt sich noch ein Drehmomentsensor 54 an, welcher im Bereich einer zweiten Abtriebswelle 24a des zweiten Elektromotors 24 angeordnet ist und das vom zweiten Elektromotor 24 ausgeübte Drehmoment erfasst. Endseitig der zweiten Abtriebswelle 24a ist ein Abtriebsrad 56 angeordnet, welches durch eine Aussparung des Führungselements 10 in radialer Richtung hindurchgreift und mit einem Getriebeelement, welches im Ausführungsbeispiel als Keilnabe 58 ausgebildet ist, in Verbindung steht. Korrespondierend zu der Keilnabe 58 ist die Schrauberwelle 12 außenseitig mit einer Verzahnung, insbesondere einer Keilwellenverzahnung 60 versehen. Über die Keilnabe 58 und die Keilwellenverzahnung 60 wird eine vom zweiten Elektromotor 24 über das Abtriebsrad 56 übertragene Drehbewegung auf die Schrauberwelle 12 übertragen. Durch die Keilwellenverzahnung 60 ist diese in Längsrichtung 18 durch die Keilnabe 58 hindurch verschiebbar gelagert. Die Keilnabe 58 ist also in Axialrichtung 18 feststehend angeordnet und innerhalb des Führungselements 10 drehbar über ein drittes Lager 62 gelagert. Dieses weist zwei voneinander axial beabstandete Lagerteile, insbesondere Wälzlagereinheiten, auf. Über das Abtriebsrad 56 wird also die Keilnabe 58 und mit dieser über die Keilwellenverzahnung 60 die Schrauberwelle 12 in Drehbewegung um die Rotationsachse 14 versetzt. Diese wird über das Stirnende der Schrauberwelle auf das Schraubelement, insbesondere Fließlochschraube 4, übertragen. Hierzu ist endseitig der Schrauberwelle 12 eine hier nicht näher dargestellte Halterung angeordnet, die auch zur Übertragung der Drehbewegung und des erforderlichen Drehmoments auf die Fließlochschraube 4 ausgebildet ist.
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Über den Drehmomentsensor 54 wird beispielsweise der Drehmomentverlauf beim Anzug der Fließlochschraube 4 überwacht und der Schraubvorgang entsprechend gesteuert.
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Zur Vorrichtung 2 zugehörig ist noch die Steuereinheit 26, die in 2 nicht näher dargestellt ist. Diese ist beispielsweise als separate Einheit außerhalb des Führungselements 10 angeordnet und kommuniziert beispielsweise mit einer übergeordneten Steuereinheit. Die in der 2 dargestellte Vorrichtung 2 ist über entsprechende Steuer- und Versorgungsleitungen 64 mit dieser Steuereinheit 26 verbunden. Alternativ sind zumindest Teile der Steuereinheit 26 in die beiden Motoren 20, 24 integriert. Im Betrieb steuert und überwacht die Steuereinheit 26 den gesamten Prozess des Direktverschraubens. Dieser lässt sich beim Fließlochschrauben durch die folgenden Teilstufen unterteilen:
- a) Zustellbewegung
- b) Erwärmung
- c) Durchdringen
- d) Formen eines Durchzugs
- e) Gewindeformen
- f) Ein- und Durchschrauben der Fließlochschraube 4
- g) Anziehen der Fließlochschraube 4
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Während der Zustellbewegung erfolgt eine Vorschubbewegung, bis die Fließlochschraube 4 auf das erste Bauteil 6 auftrifft. Die Steuereinheit fährt die Drehbewegung der Schrauberwelle bereits auf eine hohe Drehzahl von bis zu 5000U/min hoch und übt über den Vorschubantrieb 16 eine hohe Vorschubkraft von beispielsweise bis zu 3500N auf die Schrauberwelle 12 aus. Hierdurch erwärmt sich das Bauteil 6 und wird gleichzeitig plastisch verformt, so dass sich ein Loch ausbildet. Nach dem Durchdringen lässt der vom Bauteil 6 ausgeübte Widerstand schlagartig nach, so dass die Vorschubkraft F vergleichsweise abrupt abfällt. Dies wird von der Steuereinheit 26 erfasst und als Umschaltzeitpunkt ausgewertet. Insbesondere wird hierzu der vom ersten Elektromotor 20 aufgenommene Motorstrom erfasst und ausgewertet. Wird dieses Umschaltkriterium erfasst, so wird auf eine reduzierte Vorschubkraft F im Bereich von beispielsweise bis maximal 500N umgeschalten und zugleich ergeht ein Umschaltsignal an den zweiten Elektromotor 24 zur Reduzierung der Drehzahl auf einen Maximalwert von beispielsweise 500 bis 2500U/min. Zugleich erfolgt eine Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit. Hierzu ist eine Drehzahlbegrenzung für den ersten Elektromotor 20 vorgesehen. Durch diese Maßnahmen ist zuverlässig gewährleistet, dass das Gewinde 32 nicht mit hoher Geschwindigkeit und hoher Vorschubkraft auf das Bauteil 6 auftrifft. Anschließend erfolgt in der Teilstufe e) das Gewindeformen, bevor das eigentliche Durchschrauben und Anziehen der Fließlochschraube 4 erfolgt. Dieser Einschraubvorgang der Fließlochschraube 4 wird über den Schrauberantrieb 22 beispielsweise drehmomentgesteuert.
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Durch den hier beschriebenen Aufbau der Vorrichtung 2 ist diese insgesamt sehr kompakt aufgebaut. Sie weist eine axiale Länge L des Führungselements 10 im Bereich des Führungsabschnitts 10a auf, die lediglich im Bereich von 250 mm bis 350 mm liegt. Gleichzeitig weist sie eine maximale radiale Ausdehnung R zu einer Seite hin auf, welche lediglich im Bereich bis 30mm und vorzugsweise im Bereich bis 25mm liegt (vgl. hierzu insbesondere auch 3). Diese radiale Ausdehnung R entspricht dabei dem Radius des Führungselements 10. Die an einer Seite angeordneten weiteren Komponenten des Schrauberantriebs 22 stehen zwar über, entscheidend ist jedoch, dass zu einer Seite hin eine nur geringe Störkontur durch die Vorrichtung 2 mit dem geringen radialen Abstand R ausgebildet ist.
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Anstelle der koaxialen Anordnung des ersten Elektromotors 20 gemäß der 2 besteht auch die Möglichkeit, diesen ähnlich wie den Schrauberantrieb 22 radial am Führungsabschnitt 10a außerhalb des Führungselements 10 anzuordnen. In einer Aufsicht betrachtet zeigt dann die Vorrichtung 2 eine in etwa durch ein Dreieck eingrenzbare Außenkontur mit den drei typischerweise in etwa kreisrund ausgebildeten Komponenten Führungselement 10, erster Elektromotor 20 sowie zweiter Elektromotor 24. Diese Ausgestaltung ist in 3 dargestellt. Wie zu erkennen ist, liegen die Mittenachsen der drei Komponenten 10, 20, 24 auf den Ecken eines Dreiecks.
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Die hier beschriebene Vorrichtung 2 ist im Einsatz vorzugsweise an einer Roboterhand eines Industrieroboters angeordnet. Die einzelnen Schraubelemente, insbesondere Fließlochschrauben 4, werden über eine automatische Zuführeinheit wiederkehrend zugeführt, beispielsweise aus einem Magazin oder auch über einen Zuführschlauch. Die Vorrichtung 2 dient insbesondere zum Direktverschrauben von zwei Bauteilen 6 einer Kraftfahrzeug-Karosserie.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Vorrichtung
- 4
- Fließlochschraube
- 6
- Bauteil
- 8
- Klebschicht
- 10
- Führungselement
- 10a
- Führungsabschnitt
- 10b
- Antriebsabschnitt
- 12
- Schrauberwelle
- 12a
- vorderer Wellenabschnitt
- 14
- Drehachse
- 16
- Vorschubantrieb
- 18
- Axialrichtung
- 20
- erster Elektromotor
- 20a
- erste Abtriebswelle
- 22
- Schrauberantrieb
- 24
- zweiter Elektromotor
- 24a
- zweite Abtriebswelle
- 26
- Steuereinheit
- 30
- Schraubenkopf
- 32
- Gewinde
- 34
- Spitze
- 40
- Gewindespindel
- 42
- Spindelmutter
- 44
- Zylinderstift
- 46
- Längsschlitz
- 48
- erstes Lager
- 50
- zweites Lager
- 52
- Koppelhülse
- 54
- Drehmomentsensor
- 56
- Abtriebsrad
- 58
- Keilnabe
- 60
- Keilwellenverzahnung
- 62
- drittes Lager
- 64
- Steuer- und Versorgungsleitung
- F
- Vorschubkraft
- v
- Vorschubgeschwindigkeit
- ΔH
- maximaler Arbeitshub
- ΔF
- axiale Führungslänge
- L
- axiale Länge
- R
- radiale Ausdehnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10348427 A1 [0002, 0003, 0004]
- DE 19911308 A1 [0005]
- DE 2014208989 [0022]
- DE 102014208989 [0040]
