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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung, die zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets dient und bei der während des Betriebs Schwingungen eingekoppelt werden, sowie eine solche Fertigungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Verfahren und Vorrichtungen zum Stanznieten dienen zum Verbinden wenigstens zweier in einem Verbindungsbereich insbesondere eben ausgebildeter Bauteile. Ein Stanznietverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Vorlochen der miteinander zu verbindenden Bauteile nicht erforderlich ist. Vielmehr wird ein Niet mittels eines Stempels oder eines Stempelwerkzeugs in die wenigstens zwei Bauteile eingedrückt, wobei durch einen entsprechend geformten Gegenhalter, bspw. in Form einer Matrize, der mit dem Stempelwerkzeug zusammenwirkt, sichergestellt ist, dass der Niet sich in einer bestimmten Art und Weise innerhalb der miteinander zu verbindenden Bauteile verformt, um eine kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen herzustellen und gleichzeitig ein Durchdringen des dem Niet abgewandten Bauteils zu vermeiden.
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Weiterhin sind bspw. aus der
EP 2 318 161 B1 oder der
DE 10 2014 203 357 A1 sog. Ultraschall-Stanznietverfahren bzw. -vorrichtungen bekannt, bei denen ein Schwingungserzeuger, wie beispielsweise ein Ultraschall-Generator verwendet wird, um ein oder mehrere Komponenten beim Verbinden der Bauteile in Schwingung zu versetzen. Durch diese Schwingung wird beispielsweise die aufzuwendende Kraft zum Eindrücken des Niets reduziert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungseinrichtung sowie eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung, die zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets dient, und welche Stanznietvorrichtung einen Stempel und einen Gegenhalter aufweist, wobei zwischen dem Stempel und dem Gegenhalter die wenigstens zwei Bauteile und der Niet anordenbar sind. Der Stempel und der Gegenhalter können dabei an einem Rahmen der Stanznietvorrichtung angeordnet sein. Mittels eines Schwingungserzeugers wird wenigstens eine beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligte Komponente (Stempel, Gegenhalter, Bauteile, Niet) in Schwingung versetzt. Um den Niet in die Bauteile einzudrücken, kann ein Antrieb vorgesehen sein, der beispielsweise an dem Rahmen der Stanznietvorrichtung angeordnet ist, mittels dessen eine Kraft auf den Stempel in Fügerichtung ausübbar ist. Der Rahmen selbst kann insbesondere in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegen. Als die wenigstens eine Komponente, die beim Eindrücken des Niets in Schwingung versetzt wird, kommen insbesondere der Niet und/oder der Stempel und/oder der Gegenhalter und/oder wenigstens eines der wenigstens zwei Bauteile in Betracht. Als Schwingungserzeuger kann insbesondere ein Schall-Generator, vorzugsweise ein Ultraschall-Generator, verwendet werden. Zweckmäßig kann es auch sein, wenn ein Niederhalter vorgesehen ist, mittels dessen die wenigstens zwei Bauteile gegen den Gegenhalter drückbar sind bzw. an dem Gegenhalter fixierbar sind.
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Der Schallerzeuger kann dabei vorzugsweise auch mit einem Schwingungskonverter verbunden sein, welcher wiederum zu Schwingungen angeregt wird, die, zweckmäßigerweise über einen Booster (Amplitudenverstärker), auf den Stempel übertragen werden. Der Stempel kann dann als Sonotrode dienen. Bei der Fertigungseinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter handeln, an dem die Stanznietvorrichtung befestigt ist.
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Weiterhin werden nun mittels wenigstens eines Aktors während eines Betriebs der Stanznietvorrichtung Gegenschwingungen in wenigstens ein Bauteil der Fertigungseinrichtung derart eingekoppelt, dass durch den Betrieb der Stanznietvorrichtung in dem wenigstens einen Bauteil hervorgerufene Schwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden. Die mittels des wenigstens einen Aktors in das wenigstens eine Bauteil eingekoppelten Gegenschwingungen können auch als Gegenschall bezeichnet werden. Als Aktoren kommen hier beispielsweise Piezo-Aktoren in Frage. Vorzugsweise ist der Aktor an dem wenigstens einen Bauteil angeordnet. Als das wenigstens eine Bauteil kommen insbesondere ein Trägerbauteil für die Stanznietvorrichtung, also beispielsweise ein Arm der Fertigungseinrichtung oder eine Verbindungsstelle eines solchen Arms zum Rahmen der Stanznietvorrichtung (dann eine Lagerstelle), oder aber auch der Rahmen der Stanznietvorrichtung in Frage.
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Während des Betriebs einer solchen Stanznietvorrichtung werden die Schwingungen, die aktiv in die erwähnte wenigstens eine Komponente eingekoppelt werden, um den Nietvorgang zu verbessern, unvermeidlich auch in Bauteile der Fertigungseinrichtung übertragen. Diese in das Bauteil und insbesondere in den Rahmen bzw. das Trägerbauteil eingetragene Schwingungsenergie steht dem Prozess damit nicht mehr zur Verfügung und versetzt das Bauteil selbst in Schwingung. Solche Schwingungen des Bauteils können sich nachteilig auf das Fügeergebnis auswirken, da diese Schwingungen als Störgröße auf den Prozess bzw. Nietvorgang wirken können. Zudem führen diese Schwingungen beispielsweise im Rahmen oder einem Trägerbauteil zu nachteiligen Schallemissionen. Dies bedeutet insbesondere Probleme für anwesende Personen. Zudem können durch die Schwingungen in der Fertigungseinrichtung Schäden in der Fertigungseinrichtung entstehen, z.B. wenn Lagerstellen durch die Schwingungen geschädigt werden oder vorzeitig altern.
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Durch die hier vorgeschlagene aktive Einkopplung von Gegenschwingungen in das Bauteil kann erreicht werden, dass dieses Bauteil weniger bis gar nicht schwingt. Neben der Reduktion von Schallemissionen hat dies insbesondere den Vorteil, dass das Material des Bauteils weniger schnell ermüdet, wodurch die Lebensdauer bzw. Standzeit der Stanznietvorrichtung bzw. der Fertigungseinrichtung deutlich erhöht werden kann.
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Denkbar ist weiterhin, dass beispielsweise ein wiederkehrendes Muster der Schwingungen in dem Bauteil, welche bei dem Betrieb der Stanznietvorrichtung hervorgerufen werden, aufgezeichnet wird und basierend darauf ein entsprechendes Muster für die aktiv einzukoppelnden Gegenschwingungen erzeugt wird. Dies ermöglicht es sehr einfach, wiederkehrende Schwingungen zu eliminieren, ohne ständig „online“ messen zu müssen.
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Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die in dem Bauteil hervorgerufenen Schwingungen mittels wenigstens eines Sensors, insbesondere eines Beschleunigungssensor, insbesondere kontinuierlich, erfasst werden. Basierend auf den erfassten Schwingungen kann dann wenigstens ein Kompensationssignal ermittelt werden, wobei basierend auf diesem wenigstens einen Kompensationssignal mittels des wenigstens einen Aktors die Gegenschwingungen in das Bauteil eingekoppelt werden. Damit können insbesondere individuell auftretende Schwingungen direkt während des Betriebs der Fertigungseinrichtung kompensiert werden. Denkbar ist in diesem Zusammenhang zudem, dass die Gegenschwingungen, die in das Bauteil eingekoppelt werden, im Sinne einer Regelung aktiv angepasst werden.
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Vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor dabei an dem Bauteil angeordnet bzw. es wird ein an dem Bauteil angeordneter Sensor verwendet. Damit können Schwingungen, die im Bauteil hervorgerufen werden, besonders schnell und genau erfasst werden. In diesem Zusammenhang ist es auch besonders bevorzugt, wenn solche Sensoren an Positionen bzw. Stellen am Bauteil angeordnet werden, an denen ein besonders gutes Signal/-RauschVerhältnis vorliegt, an denen also andere Störsignale besonders gering sind.
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Vorteilhafterweise sind der wenigstens eine Sensor und der wenigstens eine Aktor voneinander beabstandet angeordnet. Beispielsweise können die Sensoren und Aktoren über die gesamte Fertigungseinrichtung, insbesondere den Rahmen und Trägerbauteile wie Arme, verteilt werden. Dies bedeutet eine gewisse Laufzeit zwischen der Erfassung einer Schwingung und der nachfolgenden Betätigung des Aktors, während welcher beispielsweise die Verarbeitung des erwähnten Kompensationssignals erfolgen kann. Dies führt zu einer besseren Kompensationsgüte.
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Es ist zudem von Vorteil, wenn die erfassten Schwingungen für eine Auswertung und/oder Bewertung des Betriebs der Stanznietvorrichtung, insbesondere des Stanznietvorgangs, verwendet werden. Auf diese Weise können etwaige Fehler beim Betrieb der Stanznietvorrichtung erkannt werden, beispielsweise wenn ein Verlauf der erfassten Schwingungen von einem erwarteten Verlauf abweicht. Zusätzlich oder alternativ zu den erfassten Schwingungen selbst kann auch das daraus ermittelte Kompensationssignal verwendet werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine Steuereinheit für eine Fertigungseinrichtung mit Stanznietvorrichtung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets, die einen Stempel und einen Gegenhalter aufweist, wobei zwischen dem Stempel und dem Gegenhalter die wenigstens zwei Bauteile und der Niet anordenbar sind. Zudem weist eine solche Stanznietvorrichtung einen Schwingungserzeuger auf, mittels dessen wenigstens eine beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile beteiligte Komponente in Schwingung versetzbar ist, sowie wenigstens einen Aktor zum Erzeugen von Gegenschwingungen. Hier ist nun eine erfindungsgemäße Recheneinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auf diese Weise ist auch die Fertigungseinrichtung, die die Recheneinheit als Komponente bzw. Bestandteil umfasst, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile und Ausgestaltungen der Stanznietvorrichtung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung mit einer Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt die Stanznietvorrichtung aus 1, mit der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, in einer detaillierteren Ansicht.
- 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist vereinfacht und schematisch eine erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung 100 in bevorzugter Ausführungsform gezeigt, die eine Stanznietvorrichtung 10 umfasst, wie später noch detaillierter beschrieben wird. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich beispielsweise um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln. Über Trägerbauteile 3, 4 und 5, hier in Form von Armen, wird die Stanznietvorrichtung 10 gehalten und kann bewegt werden. Zudem sind eine Recheneinheit 80, die als Steuereinheit der der Fertigungseinrichtung 100 dienen kann, sowie ein Anzeigemittel oder Display 85 gezeigt. An dem Arm 5 ist dabei ein Aktor 70 angebracht, womit Gegenschwingungen in den Arm 5 eingebracht werden können. Zudem ist ein Sensor 90 vorgesehen. Für eine nähere Erläuterung sei auf die noch folgenden Ausführungen verwiesen.
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Es versteht sich, dass die Stanznietvorrichtung nur beispielhaft in Verbindung mit einer Fertigungseinrichtung in Form eines Industrieroboters veranschaulicht ist und dass die Stanznietvorrichtung auch an anderen Handlings- bzw. Handhabungseinrichtungen (im Sinne einer Fertigungseinrichtung) angebracht werden und damit verwendet werden kann.
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In 2 ist die Stanznietvorrichtung 10 aus 1, mit der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, detaillierter dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Rahmen 60 auf, der vorzugsweise in Form eines C-Rahmens oder C-Bügels vorliegt, an welchem die einzelnen Komponenten bei einer Stanznietvorrichtung in der Regel angeordnet sind, um die gewünschte Position zueinander einnehmen zu können. Über den Rahmen 60 kann die Stanznietvorrichtung 10 beispielsweise an einem Arm wie in 1 gezeigt befestigt sein.
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Die Stanznietvorrichtung 10 weist einen Stempel (bzw. eine Sonotrode) 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Der Stempel 15 ist von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist mittels einer Feder am Stempel 15 befestigt. Weiterhin ist der Stempel 15 mit einem Antrieb 50 gekoppelt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels der Recheneinheit 80 gesteuert werden. Ebenfalls ist der Niederhalter 16 dazu eingerichtet, gegen die Oberfläche des dem Stempel 15 zugewandten Bauteils 11 mit einer Niederhaltekraft zu drücken.
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Auf der dem Stempel 15 und dem Niederhalter 16 gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Der Stempel 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, in der auch der Niederhalter 16 beweglich ist, und relativ zueinander bewegbar. Der Niederhalter 16 und die Matrize 18 dienen dazu, die beiden Bauteile 11, 12 zwischen dem Niederhalter 16 und der Matrize 18 während der Bearbeitung durch den Stempel 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken.
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Der Niet 20, hier beispielhaft ein Halbhohlniet, besteht bevorzugt aus einem gegenüber den Werkstoffen der beiden Bauteile 11, 12 härteren Material, zumindest im Bereich eines Nietschafts. Die dem Bauteil 11 abgewandte, ebene Oberseite des Niets ist in Wirkverbindung mit dem Stempel 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
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Der Stempel 15 ist mit einem (mechanischen) Schwingungskonverter 30, der über einen Schwingungserzeuger 32, insbesondere einen Ultraschallgenerator, zur Erzeugung von Schwingungen bzw. Vibrationen anregbar ist, verbunden. Insbesondere werden dabei Ultraschallschwingungen mit einer Schwingweite (Abstand zwischen maximaler positiver und negativer Amplitude einer Schwingung) zwischen 10 µm und 110 µm (entspricht einer Amplitude von 5 µm bis 55 µm) und einer Frequenz zwischen 15 kHz und 35 kHz oder ggf. auch höher erzeugt. Diese Schwingungen werden von dem Schwingungskonverter 30 über einen Booster 31 und den Stempel 15, der auch als Sonotrode dient, in den Niet 20 eingekoppelt. Der Schwingungskonverter 30, der Booster 31 und die Sonotrode 15 bilden dabei zusammen ein Schwingsystem 39.
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Bei dem Antrieb 50 kann es sich beispielsweise um einen Antrieb mit Kugel-, Rollen- oder Planetengewindetrieb oder dergleichen handeln, der dazu geeignet ist, eine Kraft F zum Eindrücken des Niets 20 in die Bauteile 11, 12 aufzubringen. An dem Antrieb 50 ist der Booster 31 mit dem Stempel 15 mittels einer Haltevorrichtung 35 angebracht. Über dem Booster 31 sitzt der Schwingungskonverter 30.
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Weiterhin sind nun beispielhaft Schwingungen S gezeigt, wie sie durch das Schwingsystem 39 erzeugt und in den Rahmen 60 oder auch die Arme der Fertigungseinrichtungen übertragen werden. Dies bedeutet, dass damit auch im Rahmen 60 oder den Armen Schwingungen S hervorgerufen werden. Die Schwingungen werden dabei insbesondere an denjenigen Stellen, über die das Schwingsystem 39 mit dem Rahmen 60 in Kontakt ist, in den Rahmen 60 und darüber in die Arme übertragen. Im gezeigten Beispiel sind dies insbesondere die Matrize 18 und der Antrieb 50. Diese Schwingungen S breiten sich dann auch im Rahmen 60 und den Armen aus.
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Beispielhaft sind nun drei Sensoren 90, 91, und 92 gezeigt, mittels welcher der in dem Rahmen 60 bzw. den Armen hervorgerufene Schall erfasst werden kann. Bei diesen Sensoren kann es sich insbesondere um Beschleunigungssensoren handeln, also insbesondere Sensoren, die eine auf sich wirkende Beschleunigung messen bzw. erfassen können. Denkbar sind hier beispielsweise Inertialsensoren, z.B. sog. MEMS-Sensoren (mikro-elektromechanisches System).
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Diese Sensoren 90, 91 und 92 können dann an die Recheneinheit 80 datenübertragend angebunden sein. Denkbar sind hier geeignete Signalleitungen, möglich wären aber beispielsweise auch drahtlose Kommunikationsverbindungen, sofern die Sensoren dann anderweitig mit Energie versorgt werden.
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Weiterhin sind beispielhaft vier Aktoren 70, 71, 72 und 73 gezeigt, mittels welcher aktiv Gegenschwingungen G in den Rahmen 60 bzw. die Arme eingekoppelt bzw. eingebracht werden können. Bei diesen Aktoren kann es sich insbesondere um Piezo-Aktoren handeln. Diese Aktoren können dann beispielsweise auf geeignete Weise an die Recheneinheit 80 angebunden sein, sodass die Aktoren durch geeignete Ansteuerung zu Schwingungen anregbar sind, welche dann in den Rahmen 60 bzw. den Arm eingekoppelt werden.
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Die Sensoren und Aktoren sind hier über die Fertigungseinrichtung 100, insbesondere den Rahmen 60 und einen Arm, verteilt und damit auch voneinander beabstandet. Es versteht sich, dass auch an anderen Positionen beispielsweise des Rahmens, ggf. auch an anderen Bauteilen der Stanznietvorrichtung Sensoren und/oder Aktoren vorgesehen sein können. Die Positionen, an welchen die Sensoren bzw. Aktoren angebracht werden, können dabei so gewählt werden, dass die Schwingungen S besonders gut erfasst werden können bzw. dass die Gegenschwingungen G besonders gut in da betreffende Bauteil eingekoppelt werden können, sich dort dann insbesondere auch gut ausbreiten können.
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In 3 ist nun schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugte Ausführungsform dargestellt, wie es beispielsweise mit einer Stanznietvorrichtung gemäß 2 durchgeführt werden kann. Die Schwingungen S können zunächst, wie in Bezug auf die 2 bereits erläutert, beispielsweise während eines Prozessfensters, erfasst werden, wie hier beispielhaft mit dem Sensor 90 gezeigt, und einer Berechnung, insbesondere einer Regelung 81, in der Recheneinheit 80 zugeführt werden.
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Hierbei kann dann ein Kompensationssignal K ermittelt werden, welches dann hier beispielhaft an den Aktor 70 angelegt wird, sodass durch den Aktor Gegenschwingungen G erzeugt und in das Bauteil eingekoppelt werden. Das Kompensationssignal K kann dabei derart ausgestaltet sein, dass die darauf basierenden Gegenschwingungen G die in dem Rahmen hervorgerufenen Schwingungen S möglichst weitgehend kompensieren. Es versteht sich, dass für jeden Aktor ein separates Kompensationssignal ermittelt werden kann.
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Daneben können die erfassten Schwingungen S und/oder das ermittelte Kompensationssignal K bzw. jeweils entsprechende Messdaten auch einer Auswertung A zugeführt werden, bei welcher beispielsweise der zugehörige Stanznietvorgang bzw. Prozessverlauf analysiert und/oder bewertet werden kann. Ebenso können auf diese Weise beispielsweise Fehler erkannt werden. Für eine solche Auswertung kann auch das bereits erwähnte Display verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2318161 B1 [0003]
- DE 102014203357 A1 [0003]
