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Die vorliegende Erfindung betrifft eine einen Schwingungserzeuger aufweisende Stanznietvorrichtung zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets sowie eine Fertigungseinrichtung mit einer solchen Stanznietvorrichtung.
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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 eine Stanznietvorrichtung und eine Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung dient zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mittels eines Niets und weist einen Stempel und einen Gegenhalter auf, zwischen welchen die wenigstens zwei Bauteile und der Niet anordenbar sind. Weiterhin weist die Stanznietvorrichtung einen Antrieb auf, der an einem Rahmen der Stanznietvorrichtung angeordnet ist und mittels dessen eine Kraft auf den Stempel in Fügerichtung ausübbar ist. Zudem weist die Stanznietvorrichtung ein Schwingsystem auf, das an dem Antrieb befestigt und mittels des Antriebs relativ zu dem Rahmen bewegbar ist. Das Schwingsystem umfasst dabei den Stempel, welcher insbesondere wiederum als Teil einer in dem Schwingsystem verwendeten Sonotrode ausgebildet sein kann. Diese Sonotrode kann dabei auch den Stempel bilden bzw. als Stempel dienen. Weiterhin weist die Stanznietvorrichtung einen Schwingungserzeuger auf, der mit dem Schwingsystem derart gekoppelt ist, dass dieses beim Eindrücken des Niets in die wenigstens zwei Bauteile in Schwingung versetzbar ist. Bei dem Schwingungserzeuger kann es sich vorzugsweise um einen Schall-Generator, insbesondere einen Ultraschall-Generator handeln. 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. Bevorzugt weist die Stanznietvorrichtung auch einen Antrieb auf, mittels dessen eine Kraft auf den Stempel in Richtung der Bauteile ausübbar ist.
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Erfindungsgemäß sind nun der Antrieb und das Schwingsystem in Fügerichtung wenigstens teilweise überlappend angeordnet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass eine zur Fügerichtung senkrechte Ebene existiert, die sowohl den Antrieb als auch das Schwingsystem schneidet. Dies bedeutet insbesondere auch, dass der Antrieb und das Schwingsystem nicht auf einer gemeinsamen Achse liegen bzw. hintereinander angeordnet sind. Eine solche Anordnung von Antrieb und Schwingsystem hintereinander, wie es bei Stanznietvorrichtungen mit Schwingungseinkopplung bislang üblich ist, bedingt einen verhältnismäßig großen Rahmen für die Stanznietvorrichtung, in dem die einzelnen Komponenten angeordnet sind, insbesondere hinsichtlich dessen Öffnungsweite.
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Dementsprechend sind ein solcher Rahmen und damit die gesamte Stanznietvorrichtung verhältnismäßig schwer, was zu einer schwierigen Handhabung, insbesondere Bewegung der Stanznietvorrichtung, beispielsweise mittels einer Fertigungsvorrichtung bzw. einem Fertigungsroboter, führt.
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Bei der vorgeschlagenen Anordnung von Antrieb und Schwingsystem hingegen kann die Öffnungsweite des Rahmens gegenüber der herkömmlichen Anordnung deutlich reduziert werden, was entsprechend mit einer Gewichtsreduktion einhergeht. Neben einer deutlich einfacheren bzw. leichteren Handhabung der Stanznietvorrichtung, führt dies darüber hinaus auch aufgrund der geringeren Größe dazu, dass verschiedenste Bearbeitungsstellen mit der Stanznietvorrichtung deutlich einfacher erreicht werden können. Auf diese Weise werden also die Einsatzmöglichkeiten der Stanznietvorrichtung deutlich erhöht.
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Vorzugsweise weist der Antrieb eine Spindel auf, mittels welcher das Schwingsystem bewegbar ist und die sich (also insbesondere hinsichtlich ihrer Längsachse) in Fügerichtung erstreckt. Bei solchen Antrieben sind die Abmessungen in Fügerichtung besonders groß, weshalb sich hier die vorgeschlagene überlappende Anordnung von Antrieb und Schwingsystem besonders deutlich in einer Größen- und Gewichtsreduzierung niederschlägt.
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Vorteilhafterweise ist eine Haupterstreckungsrichtung des Schwingsystems in Fügerichtung ausgerichtet. Unter einer Haupterstreckungsrichtung ist hierbei diejenige Richtung zu verstehen, in welcher das Schwingsystem, insbesondere entlang einer zentralen Achse, die größte Abmessung aufweist. Auch auf diese Weise kann erreicht werden, dass die vorgeschlagene Anordnung von Antrieb und Schwingsystem eine besonders gute Größen- und Gewichtsreduzierung ermöglicht, da das Schwingsystem in Haupterstreckungsrichtung in aller Regel besonders lang ist, und durch die Überlappung mit dem Antrieb eine besonders große Material- und Gewichtseinsparung für den Rahmen ermöglicht.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Schwingungsrichtung des Schwingsystems in Fügerichtung ausgerichtet ist. Eine solche Ausrichtung der Schwingungsrichtung bedingt in aller Regel, dass alle Komponenten des Schwingsystems mit ihrer längsten Abmessung in Fügerichtung ausgerichtet sind, was zu einem besonders langen Schwingsystem in Fügerichtung führt, dementsprechend wird durch die vorgeschlagene Anordnung von Antrieb und Schwingsystem eine besonders große Material- und Gewichtseinsparung für den Rahmen ermöglicht.
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Als Komponenten kann das Schwingsystem dabei insbesondere einen Schwingungskonverter aufweisen, der mit einer Sonotrode verbunden ist. Die Sonotrode kann dabei, wie bereits erwähnt, den Stempel umfassen, insbesondere auch als Stempel ausgebildet sein bzw. verwendet werden. Der Schwingungskonverter bildet dabei die Komponente des Schwingsystems, die mit dem Schwingungserzeuger gekoppelt ist. Zudem kann das Schwingsystem insbesondere auch noch einen Booster (Amplitudenverstärker) aufweisen, über den der Schwingungskonverter mit der Sonotrode verbunden ist. Ein solcher Booster dient dabei der Verstärkung der von dem Schwingungskonverter bereitgestellten Schwingungsamplitude. Je nach Situation kann jedoch auch ein Schwingungssystem ohne solchen Booster verwendet werden.
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Bevorzugt ist es weiterhin, wenn das Schwingsystem mittels einer Haltevorrichtung an dem Antrieb befestigt ist. Eine solche Haltevorrichtung kann dabei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das Schwingsystem einerseits in vorgeschlagener Weise überlappend mit dem Antrieb angeordnet sein kann und andererseits eine gute Kraftübertragung von dem Antrieb auf den Stempel, der Teil des Schwingsystems ist, möglich ist.
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Vorzugsweise weist die Stanznietvorrichtung weiterhin eine Führungseinrichtung auf, mittels welcher das Schwingsystem bei einer Bewegung relativ zum Rahmen führbar ist. Bei einer solchen Führungseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Führungsschiene handeln. Eine solche Führungseinrichtung kann dabei insbesondere am Rahmen oder aber auch am Antrieb angeordnet sein. Bei der Anordnung am Rahmen wiederum kann die Führungseinrichtung einerseits zwischen Rahmen und Schwingsystem, andererseits aber auch auf dem Rücken des Rahmens angeordnet sein. Je nach konkreter Ausgestaltung bzw. Geometrie der Stanznietvorrichtung kann dabei mit der einen oder mit der anderen Variante eine gute Stabilisierung des Schwingsystems erreicht werden. Durch eine solche Stabilisierung kann etwaigen Kräften, die beim Eindrücken des Niets senkrecht zur Fügerichtung auf den Stempel wirken, die aufgrund der versetzten Anordnung von Antrieb und Schwingsystem auftreten können, entgegengewirkt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Fertigungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Stanznietvorrichtung. Eine solche Fertigungseinrichtung kann beispielsweise bewegliche Arme aufweisen, mittels welchen die Stanznietvorrichtung im Raum bewegt werden kann. Beispielsweise kann es sich bei einer solchen Fertigungseinrichtung um einen Fertigungsroboter bzw. einen Industrieroboter, insbesondere einen sog. 6-Achs-Roboter, handeln. Hinsichtlich der Vorteile und bevorzugter Ausgestaltungen der Fertigungseinrichtung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zur Stanznietvorrichtung verwiesen.
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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 schematisch eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine nicht erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10' gezeigt, wie sie herkömmlicher Weise ausgebildet sein kann, schematisch 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 einer Fertigungseinrichtung befestigt sein.
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Die Stanznietvorrichtung 10' weist eine Sonotrode bzw. einen Stempel 15 auf, beispielhaft mit einem runden Querschnitt. Die Sonotrode15 ist hier beispielhaft zudem von einem (hülsenförmigen) Niederhalter 16 radial umgeben und relativ zu diesem in Längsrichtung beweglich angeordnet. Der Niederhalter ist beispielhaft mittels einer Feder an der Sonotrode 15 befestigt.
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Auf der der Sonotrode 15 (und dem Niederhalter 16) gegenüberliegenden Seite der beiden Bauteile 11, 12 ist ein Gegenhalter in Form einer Matrize 18 angeordnet. Die Sonotrode 15 und die Matrize 18 sind in vertikaler Richtung, in der auch der Niederhalter 16 beweglich ist, 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 bzw. die Sonotrode 15 einzuspannen bzw. zusammenzudrücken.
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Ein Niet 20, der zwischen dem Bauteil 11 und der Sontrode bzw. dem Stempel 15 angeordnet werden kann, 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 (Sonotrode) 15 angeordnet, der an der Oberseite des Niets 20 flächig anliegt.
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Die Sonotrode 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 kann es sich bei dem Schwingungskonverter 30 dabei um einen Piezokonverter handeln. 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 die Sonotrode bzw. den Stempel 15 in den Niet 20 eingekoppelt. Der Schwingungskonverter 30 bildet dabei zusammen mit dem Booster 31 und der Sontrode 15 ein Schwingsystem 39.
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Weiterhin ist das Schwingsystem 39 und an einem Antrieb 50, insbesondere an einer Spindel 51 des Antriebs 50, befestigt, der dazu dient, eine zum Eindrücken des Niets 20 in die beiden Bauteile 11, 12 benötigte Kraft F in Fügerichtung aufzubringen. Der Antrieb 50 kann beispielsweise mittels einer Recheneinheit 80 gesteuert werden, welche dabei als Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10' dient.
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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.
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Der Antrieb 50 und das Schwingsystem 39 sind hier in Fügerichtung R hintereinander bzw. auf einer gemeinsamen Achse A1 angeordnet. Hierzu ist das Schwingsystem 39 mit dem Schwingungskonverter 30 direkt an der Spindel 51 des Antriebs 50 befestigt. Wie anhand der Figur dabei deutlich zu sehen ist, muss der Rahmen 60 hierzu eine besonders große Öffnungsweite aufweisen, also besonders groß sein, um alle Komponenten aufnehmen zu können. Dies bedingt folglich eine verhältnismäßig schwierige Handhabung und Erreichbarkeit von bestimmten Bearbeitungsstellen.
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In 2 ist nun eine erfindungsgemäße Stanznietvorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Die Stanznietvorrichtung 10 weist im Grunde alle Komponenten auf, wie sie auch bei der Stanznietvorrichtung 10' gemäß 1 vorgesehen sind. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Insofern sei zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf dortige Ausführungen verwiesen. Es versteht sich, dass aufgrund der nachfolgend noch zu erläuternden, abweichenden Anordnung einiger Komponenten zueinander geringfügige Anpassungen nötig sein können.
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Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Stanznietvorrichtung 10' sind bei der hier gezeigten Stanznietvorrichtung 10 nun der Antrieb 50 und das Schwingsystem 39 in Fügerichtung R überlappend angeordnet. Insbesondere liegen der Antrieb 50 und das Schwingungssystem 39 auf zwei verschiedenen, jedoch parallelen Achsen A2 und A3 .
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Das Schwingsystem 39 ist dabei mittels einer Haltevorrichtung 35 an dem Antrieb 50, hier insbesondere an der Spindel 51 des Antriebs 50, befestigt. Auf diese Weise kann weiterhin mittels des Antriebs 50 die Kraft F auf das Schwingsystem 39 und damit auf den Stempel bzw. die Sonotrode 15 in Fügerichtung R ausgeübt werden. Aufgrund der überlappenden Anordnung kann die Öffnungsweite, also die Größe des Rahmens 60, gegenüber der herkömmlichen Art der Anordnung deutlich reduziert werden, was bei einem Vergleich von 1 und 2 deutlich zu sehen ist.
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Weiterhin ist eine Führungseinrichtung 70, hier in Form einer Führungsschiene vorgesehen. Beispielhaft ist diese Führungsschiene 70 an dem Antrieb 50 befestigt. Sie dient dabei der Führung des Schwingsystems 39 bei einer Bewegung relativ zum Rahmen 60 sowie in Fügerichtung R. Auf diese Weise können etwaige Kräfte senkrecht zur Fügerichtung R, die aufgrund der versetzten Anordnung des Antriebs 50 und des Schwingsystems 39 auftreten können, abgestützt werden.
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Zudem ist in 2 beispielhaft eine (automatische) Nietzuführeinheit bzw. ein Nietzuführsystem 99 gezeigt, das einen sog. Vereinzeler 97 aufweist, in dem Niete vereinzelt und dann in einen Schlauch 98 gegeben werden können. Über eine geeignete Anbringung am Niederhalter 16 können die Niete dann an eine geeignete Position vor dem Stempel 15 gebracht werden.
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In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 100 mit einer Stanznietvorrichtung 10, wie sie in 2 gezeigt ist, dargestellt. Bei der Fertigungseinrichtung 100 kann es sich bspw. um einen Industrieroboter in einer Fertigungshalle, beispielsweise für einen automobilen Karosseriebau, handeln.
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Die Fertigungseinrichtung 100 weist dabei eine auf einem Boden angeordnete Trägerstruktur 3 und zwei daran angeordnete, miteinander verbundene und bewegliche Arme 4 und 5 auf. Am Ende des Armes 5 ist die Stanznietvorrichtung 10 angeordnet.
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Weiterhin ist die Recheneinheit 80 gezeigt, die nicht nur als Steuereinheit für die Stanznietvorrichtung 10, sondern zudem auch als Steuereinheit für die gesamte Fertigungseinrichtung, d.h. neben der Stanznietvorrichtung insbesondere auch für die Ansteuerung der beweglichen Arme vorgesehen sein. Weiterhin sind Anzeigemittel 90, bspw. ein Display, vorgesehen, auf denen bspw. aktuelle Betriebsparameter der Stanznietvorrichtung 10 angezeigt werden können.
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Durch die kleine bzw. kompakte und leichte Ausgestaltung der Stanznietvorrichtung 10 ist nunmehr eine deutlich einfachere Handhabung bzw. Bewegung dieser unter Verwendung der Fertigungseinrichtung 100 möglich. Zudem können durch die kompakten Maße auch deutlich mehr Bearbeitungsstellen erreicht 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]
