DE102021121314B3

DE102021121314B3 - System zum Fügen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102021121314B3
Application number: DE102021121314.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Björn Barkhausen; Peter Kühner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2041-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Fügen von Bauteilen (1, 3) mittels eines Fügewerkzeugs (9), dessen Werkzeugschenkel (15, 17) im Fügeprozess beidseitig zumindest eines Bauteils (1, 3) angeordnet sind und das Bauteil (1, 3) mit einer Fügekraft (FN) zwischenklemmen, und zwar in einer vordefinierten Werkzeug-Fügeposition, in der eine Werkzeugachse (W), entlang der die Fügekraftrichtung verläuft, in einer Soll-Ausrichtung koaxial zur Fügeachse (F) ausgerichtet ist, die rechtwinklig zur Bauteilebene durch die Fügestelle verläuft. Erfindungsgemäß weist das System eine Korrektureinheit für eine Positionskorrektur der vordefinierten Werkzeug-Fügeposition auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Fügen von Bauteilen mittels eines Fügewerkzeugs nach Anspruch 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems nach Anspruch 8.
Aus der DE 10 2011 008 174 A1 ist ein System zum Fügen von Bauteilen mit Hilfe eines Fügewerkzeugs bekannt. Das Fügewerkzeug weist Werkzeugteile auf, die im Fügeprozess beidseitig des Bauteils angeordnet sind und das Bauteil mit einer Fügekraft zwischenklemmen. Der Fügeprozess erfolgt in einer vorab zum Beispiel in einem Teach-In-Prozess vordefinierten Werkzeug-Fügeposition. In der Werkzeug-Fügeposition ist die Fügekraftrichtung in einer Soll-Ausrichtung koaxial zur Fügeachse ausgerichtet, die rechtwinklig zur Bauteilebene durch die Fügestelle verläuft.
Aus der DE 10 2006 003 555 A1 ist eine Steuerung für eine Werkzeug-Sensor-Vorrichtung bekannt.
Die DE 10 2019 103 073 A1 offenbart eine Fügeeinrichtung mit einem Rahmen und ein Verfahren zu ihrer Ausrichtung.
Aus der EP 3 045 989 B1 ist eine Vorrichtung zum Anbringen von Nieten mit einer Vorrichtung zum Prüfen und Korrigieren einer Nietbetätigungseinrichtung bekannt.
Die US 9 021 677 B1 beschreibt eine Nietvorrichtung und ein Verfahren zur Ausrichtung.
In aktuellen Karosseriebauten werden unterschiedliche Verbindungstechniken je nach Fügeaufgabe eingesetzt. Neben dem Widerstandspunktschwei-ßen ist eine der meist verwendeten Verbindungstechniken das Halbhohlstanznieten. Mit diesem vollautomatisierten Nietverfahren ist es möglich, artgleiche und auch artverschiedene Werkstoffe mit Hilfe eines Halbhohlstanznietes zu verbinden. Je nach Art der Fügeaufgabe werden für die Verbindung unterschiedliche Stanznietelemente und Stanznietmatrizen verwendet. Diese Matrizen sind rotationssymmetrische Drehteile, welche über einen Matrizenschaft und einen entsprechenden Matrizenkopf verfügen, der eine in Abhängigkeit der Fügeaufgabe charakteristische Matrizenkontur aufweist. Die Stanznietmatrizen werden über den Matrizenschaft koaxial zum Setzantrieb in einem C-Bügel aufgenommen.
Typische Stanznietsysteme bestehen daher aus einem C-Bügel mit einer Aufnahme für einen Setzantrieb und einer koaxial angeordneten Aufnahme für eine rotationssymmetrische Stanznietmatrize, ausgeführt als Drehteil, bestehend aus einem Matrizenschaft und einem Matrizenkopf, welcher über eine der Fügeaufgabe angepasste Matrizenkontur verfügt. Der Setzantrieb ist elektromotorisch, pneumatisch, hydraulisch, oder als Kombination aus Elektromotor und Hydraulik ausgeführt. Die Aufnahme des Setzantriebes am C-Bügel erfolgt über einen Adapter, welcher entweder direkt im C-Bügel integriert (einteiliger C-Bügel) oder am C-Bügel kraft- und formschlüssig montiert ist. Die Aufnahme für die Stanznietmatrize an der dem Setzantrieb gegenüber angeordneten Seite des C-Bügels ist derart ausgeführt, dass die Setzsachse des Setzantriebes und die Achse der Matrizenaufnahme koaxial ausgerichtet sind. Aufgrund der Erreichbarkeit der Fügestelle an der zu fügenden Baugruppe sind hier unterschiedlichste geometrische Ausführungen des unteren C-Bügelschenkels nötig. So werden Ausführungen ohne Matrizenunterbau und mit Matrizenunterbau in der Fertigung eingesetzt. Durch den Matrizenunterbau ist es möglich, unterschiedliche Arbeitsräume (Zangenfenster) über den C-Bügel darzustellen und die Matrize innerhalb des Arbeitsraumes auf der Arbeitsachse des Setzantriebes ortsfest zu montieren. Stand der Technik sind auch hier Matrizenunterbauten, welche einteilig im C-Bügel integriert, oder am unteren Schenkel des C-Bügels montiert sind. Bei einer mehrteiligen Ausgestaltung liegt die Trennebene orthogonal zur Arbeitsachse des Setzantriebes. Weiter bestehen aktuelle Stanznietsetzsysteme aus einer Nietzuführung für mindestens einen Niettyp und einer entsprechenden Systemsteuerung.
Nietsysteme werden zumeist robotergeführt betrieben oder ortsfest (stationär) montiert. Im zweiten Fall erfolgt das Handling der zu fügenden Bauteile mittels eines Roboters. Auch das manuelle Handling der Fügezange oder Bauteile ist möglich, stellt aber heute in der Automobilindustrie eher die Ausnahme dar. Für die Ausführung des Fügeprozesses wird die Nietzange am Bauteil positioniert. Dabei ist es Ziel, die Fügezange mit der Matrize senkrecht zur Bauteiloberfläche auszurichten und die Matrize in Kontakt zur Bauteiloberfläche zu bringen.
Die korrekte Positionierung ist wichtig, um die relevanten Qualitätskriterien sicherzustellen und Querkräfte auf die Systemkomponenten zu vermeiden. Bei Nichtbeachtung können Beschädigungen an der Matrize, dem Setzkopf oder der Antriebseinheit des Nietsystems inklusive des Nietstempels entstehen. Zudem kann durch eine fehlerhafte Positionierung eine exzentrische Verbindungsausführung hervorgerufen werden, die nicht den geltenden Qualitätskriterien entspricht.
Die Positionierung der (robotergeführten) Nietzange am Bauteil bzw. die Positionierung der zu fügenden Bauteile zur Nietzange erfolgt heute durch ein manuelles Teachen der Roboterposition. Aufgrund von Prozessänderungen, wie Schwankungen in der Geometrie der Einzelteile, Stellmaßnahmen an Vorrichtungen oder Robotergreifern, muss der Vorgang des manuellen Teachens der Position zwischen Nietzange und zu fügenden Teilen immer wieder wiederholt werden.
Dieser Vorgang ist in Abhängigkeit der Position am Fahrzeug sehr aufwändig, da die Fügestelle oftmals aufgrund der Gestaltung der Einzelteile und /oder der Vorrichtung (auch des Robotergreifers bei stationär montierten Nietzangen) nicht oder nur teilweise einsehbar ist. Besonders aufwändig ist die Positionierung innerhalb von Profilquerschnitten, bei denen die Fügestelle nur über ein Durchgangsloch in einer Wand des Profils zugänglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zum Fügen von Bauteilen bereitzustellen, bei dem in prozesstechnisch einfacher Weise insbesondere in einer Großserienfertigung eine einwandfreie Fügeverbindung gewährleistet ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einem System zum Fügen von Bauteilen mittels eines Fügewerkzeugs aus. Das Fügewerkzeug weist Werkzeugteile auf, die im Fügeprozess beidseitig zumindest eines Bauteils angeordnet sind und das Bauteil mit einer Fügekraft zwischenklemmen. Im Fügeprozess ist das Fügewerkzeug in einer vordefinierten Werkzeug-Fügeposition angeordnet. In der Werkzeug-Fügeposition ist die Fügekraftrichtung ein einer Soll-Ausrichtung koaxial zur Fügeachse ausgerichtet, die rechtwinklig zur Bauteilebene durch die Fügestelle verläuft. Gemäß Anspruch 1 weist das System eine Korrektureinheit mit einem Lagesensor auf. Der Lagesensor kann in der vordefinierten Werkzeug-Fügeposition eine Ist-Ausrichtung zwischen dem Fügewerkzeug und dem Bauteil erfassen. Auf diese Weise ist im Vergleich zwischen der Ist-Ausrichtung und der Soll-Ausrichtung durchführbar, anhand dem gegebenenfalls eine Positionskorrektur durchführbar ist, bei der die Ist-Ausrichtung an die Soll-Ausrichtung angeglichen werden kann.
Bei Vorliegen eines Winkelversatzes zwischen der Ist-Ausrichtung und der Soll-Ausrichtung kann die Korrektureinheit einen Korrektur-Bedarf, das heißt einen Bedarf zur Positionskorrektur der Werkzeug-Fügeposition, erkennen. Auf dessen Grundlage kann die Korrektureinheit eine Positionskorrektur einleiten, um die Ist-Ausrichtung an die Soll-Ausrichtung anzugleichen.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Sensor, der die Positionierung des Fügewerkzeugs (das heißt der Nietzange) am Bauteil vereinfacht und auch die Möglichkeit zur automatisierten Positionierung ermöglicht, mit folgenden Eigenschaften. Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel einer Nietzange erläutert: So kann der Sensor in den äußeren Abmessungen einer Stanznietmatrize entsprechen. Der Sensor kann anstelle der Stanznietmatrize in der Nietzange montiert werden. Zudem kann der Sensor die Bauteiloberfläche mit Hilfe von mehreren, bevorzugt von mindestens drei Messpunkten erfassen. Der Sensor kann bevorzugt den Kontakt oder den Abstand zur Bauteiloberfläche bestimmen. Mithilfe der Messpunkte und dem Kontakt bzw. Abstand zur Bauteiloberfläche kann ein Vektor berechnet werden, der als Korrekturvektor an die Robotersteuerung übermittelt wird.
Mittels des Vektors ist es möglich, die Position der Nietzange zu den zu fügenden Bauteilen automatisiert zu korrigieren. Die korrigierte Position wird im Roboterprogramm übernommen.
Der Sensor kann beispielhaft ein optischer Sensor sein oder alternativ mittels Dehnmeßstreifen ausgeführt sein. Der Sensor kann ferner ein induktiver Messsensor oder ein kapazitiver Messsensor sein. Allgemein kann der Sensor als Kontaktsensor ausgeführt sein, bei dem über den Kontakt der Messstellen zum Bauteil die Position der Nietzange zur Bauteiloberfläche ermittelt wird. Der Sensor kann auch über eine Kombination der genannten Sensortypen realisiert werden. Erfindungsgemäß wird eine Information zur Positionierung des Sensors in der Fügezange bereitgestellt, über welche eine Zuordnung der Sensorposition zu den Roboterkoordinaten und den Fahrzeugkoordinaten/ zum Koordinatensystem der Baugruppe möglich ist. Dies kann zum Beispiel durch eine definierte Einbauposition (1. Kontakt immer in Richtung der C-Bügelöffnung) ermöglicht werden. Der Mittelpunkt des Sensors entspricht bevorzugt dem TCP (Tool Center Point).
Nachfolgend sind Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So kann das Fügewerkzeug beispielhaft als eine Fügezange, zum Beispiel eine Punktschweißzange oder eine Stanznietzange, realisiert sein.
Zumindest einer der Werkzeugschenkel des Fügewerkzeugs kann zweiteilig ausgeführt sein, und zwar aus einem Werkzeugschenkel-Grundkörper und aus einem darauf lösbar montierten Werkzeugschenkel-Kontaktelement. In diesem Fall kann der Lagesensor - ohne zusätzlichen Bauraumbedarf - anstelle des Werkzeugschenkel-Kontaktelements auf dem Werkzeugschenkel-Grundkörper montiert werden, um die Ist-Ausrichtung zu erfassen.
Um Störkonturen zu vermeiden, ist es bevorzugt, wenn eine Anschlusskontur des Werkzeugschenkel-Kontaktelements zur Anbindung an den Werkzeugschenkel-Grundkörper und eine Anschlusskontur des Lagesensors zur Anbindung an den Werkzeugschenkel-Grundkörper im Wesentlichen baugleich ausgeführt sind. In gleicher Weise kann auch die Außenkontur des Werkzeugschenkel-Kontaktelements und eine Außenkontur des Lagesensors im Wesentlichen identisch ausgeführt sein.
Um einen einwandfreien Fügeprozess zu gewährleisten, wird die Erfassung der Ist-Ausrichtung erfindungsgemäß in einem vom Fügeprozess separaten Prüfprozess durchgeführt. Im Prüfprozess wird das Fügewerkzeug nicht mit einer Fügekraft beaufschlagt, sondern mit einer geringeren Prüfkraft.
Im Prüfprozess werden die Fügeteile erfindungsgemäß nicht im Fügewerkzeug, das heißt in der Zange, geklemmt. Eine solche Klemmung hätte zur Folge, dass bei dünnen Bauteilen mit geringer Steifigkeit sich die Fügestelle zur Zange ausrichtet, da die Fügeteile in der Fügezange durch die Klemmkraft ausgerichtet werden. Im Prüfprozess wird dagegen das geöffnete Fügewerkzeug (das heißt die geöffnete Fügezange) mit der geringeren Prüfkraft mit dem Sensor am sensorzugewandten Fügeteil angelegt und somit eine einwandfreie Anlage sichergestellt. Die Spaltfreiheit der Teile wird dann im Fügeprozess durch die aufgebrachte Prozesskraft erreicht.
Bevorzugt kann der Lagesensor eine Anzahl von Messpunkten oder Messstellen aufweisen. Diese sind voneinander beabstandet sowie mit Radialversatz zur Fügeachse positioniert. Im Prüfprozess kann an jedem Messpunkt ein Messparameter erfasst werden. Je nach Sensortyp kann der Messparameter eine Kraft, ein Spaltabstand, eine Kapazität, oder eine elektrische Spannung sein. Entsprechend kann der Lagesensor ein Kraftsensor (arbeitet mit Dehnmessstreifen), ein optischer Sensor zur Erfassung eines Spaltabstands, ein induktiver Sensor oder ein kapazitiver Messsensor sein. Allgemein kann der Sensor als ein Kontaktsensor ausgeführt sein, bei dem über den Kontakt bzw. Nichtkontakt der Messpunkte zum Bauteil die Ist-Ausrichtung zwischen dem Fügewerkzeug und dem Bauteil ermittelt wird.
Der Lagesensor kann in Signalverbindung mit einer Auswerteeinheit sein. Diese kann die vom Lagesensor erfassten Messparameter miteinander vergleichen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs kann die Auswerteeinheit einen Korrektur-Bedarf ermitteln. Beispielhaft kann die Auswerteeinheit bei zueinander identischen Messparametern keinen Korrektur-Bedarf ermitteln. Alternativ dazu kann die Auswerteeinheit bei voneinander signifikant abweichenden Messparametern einen Korrektur-Bedarf ermitteln.
In einer technischen Umsetzung kann das Fügewerkzeug an einem distalen Ende eines Roboterarms positioniert sein und mittels einer Robotersteuerung betätigbar sein. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit anhand der erfassten Messparameter einen räumlichen Korrekturvektor ermitteln, auf dessen Grundlage die Robotersteuerung die Positionskorrektur vollautomatisiert durchführt.
Wie bereits oben erwähnt, ist der erfindungsgemäße Fügeprozess als ein Widerstandspunktschweißprozess mit Punktschweißelektroden realisierbar, die das zu schweißenden Bauteil mit einer Fügekraft zwischenklemmen. Alternativ dazu kann der Fügeprozess ein Setzprozess sein. In diesem Fall kann an einem Werkzeugteil als Kontaktelement eine Setzeinheit angeordnet sein, die aus einem Niederhalter und einem Setzstempel aufgebaut ist. Am anderen Werkzeugteil kann als Kontaktelement eine Matrize angeordnet sein, die mit der Setzeinheit zusammenwirkt. Im Setzprozess kann das Bauteil mit einer Niederhaltekraft zwischen dem Niederhalter und der Matrize geklemmt sein, während der Setzstempel mit einer vorgegebenen Setzkraft ein Hilfsfügeelement in das Bauteil eintreibt.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 ein Industrieroboter mit einer Stanznietzange;
2 eine fertiggestellte Stanznietverbindung;
3 eine Ansicht, anhand der ein Stanznietprozess veranschaulicht ist; und
4 bis 6 unterschiedliche Ansichten, anhand der ein Prüfprozess veranschaulicht ist.

In der 2 ist eine fertiggestellte Stanznietverbindung gezeigt, bei der ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 3 mit Hilfe eines Halbhohlstanzniets 5 verbunden sind. In der Stanznietverbindung ist der Halbhohlstanzniet 5 mit einer Setzkraft Fs (3) in die beiden vorlochfreien Bauteile 1, 3 eingetrieben, und zwar unter Aufspreizung eines Nietfußes 7 sowie unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke. Der Halbhohlstanzniet 5 ist mit Bezug auf eine Fügeachse F rotationssymmetrisch ausgebildet. Diese erstreckt sich in der 1 rechtwinklig zur Bauteilebene durch die Fügestelle. Im Setzprozess werden die beiden Bauteile 1, 3 mit einer Niederhaltekraft F_N zwischen dem Niederhalter 21 und der Matrize 25 geklemmt.
Die Stanznietverbindung wird mit Hilfe einer Stanznietzange 9 erzeugt, die in der 1 an einem distalen Ende eines Industrieroboterarms 11 angeordnet ist. Der Industrieroboterarm 11 sowie die Stanznietzange 9 sind über eine Robotersteuerung 13 ansteuerbar.
Die Stanznietzange 9 besteht aus einem C-Bügel 14 mit zwei Werkzeugschenkeln 15, 17. Am einen Werkzeugschenkel 15 ist eine Setzeinheit 19 angeordnet, die in der 3 aus dem Niederhalter 21 und einem Setzstempel 23 besteht. Am anderen Werkzeugschenkel 17 ist eine mit der Setzeinheit 19 zusammenwirkende Matrize 25 angeordnet. Die Matrize 25 weist in der 3 einen durchmessergroßen Matrizenkopf 27 mit einer Matrizengravur auf, die ein Aufspreizen des Halbhohlstanzniets 5 unterstützt. Zudem weist die Matrize 25 einen durchmessereduzierten Matrizenschaft 29 auf, der über eine Nabenschraube 31 lösbar in einer Matrizen-Aufnahme 34 eines Werkzeugschenkel-Grundkörpers 33 angebunden ist.
Zur Durchführung des Setzprozesses wird die Stanznietzange 9 mittels der Robotersteuerung 13 in eine, in der 3 gezeigte vordefinierte Werkzeug-Fügeposition verstellt. Deren Raumkoordinaten sind in einem prozesstechnisch vorgelagerten Teach-In-Prozess in der Robotersteuerung 13 hinterlegt worden. In der in der 3 gezeigten vordefinierten Werkzeug-Fügeposition ist die Stanznietzange 9 und der Bauteilverbund 1, 3 in einer Soll-Ausrichtung gezeigt. In der Soll-Ausrichtung ist eine Werkzeugachse W, entlang der die Setzkraftrichtung verläuft, koaxial zur Fügeachse F ausgerichtet, sodass eine einwandfreie Stanznietverbindung gewährleistet ist.
In der Großserienfertigung besteht die Problematik, dass aufgrund von Prozessänderungen, wie etwa Schwankungen in der Bauteil-Geometrie, Stellmaßnahmen an Vorrichtungen oder Robotergreifern, sich im Setzprozess eine Relativlage zwischen den Bauteilen 1, 3 und der Stanznietzange 9 geringfügig ändert. In diesem Fall ergibt sich eine Schrägstellung zwischen den Bauteilen 1, 3 und der Stanznietzange 9. Das heißt die Ist-Ausrichtung zwischen den Bauteilen 1, 3 und der Stanznietzange 9 stimmt nicht mehr mit der Soll-Ausrichtung überein, die eine einwandfreie Stanznietverbindung gewährleistet.
Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß ein vom Setzprozess separater Prüfprozess bereitgestellt, der anhand der nachfolgenden 4 bis 6 beschrieben wird. Der Prüfprozess kann zum Beispiel in Pausenzeiten zwischen Fügeprozessen durchgeführt werden.
Zur Durchführung des Prüfprozesses ist gemäß der 4 anstelle der Matrize 25 ein Lagesensor 35 auf dem Werkzeugschenkel-Grundkörper 33 montiert. Die Bauteilgeometrie des Lagesensors 35 und der Matrize 25 sind in etwa baugleich. So weist der Lagesensor 35 einen durchmesserkleinen Befestigungsschaft 37 auf, der anstelle des Matrizenschafts 29 in eine Matrizen-Aufnahme 34 des Werkzeugschenkel-Grundkörpers 33 einsetzbar ist und darin über die Nabenschraube 31 fixierbar ist. Zudem weist der Lagesensor 35 einen durchmessergroßen Sensorkopf 39 auf. Dessen Kontaktfläche ist im Prüfprozess in Druckanlage mit dem Bauteilverbund 1, 3. Die Sensorkopf-Außenkontur entspricht der Matrizenkopf-Außenkontur. Im Prüfprozess wird die Stanznietzange 9 in der 4 mit einer Prüfkraft F_P beaufschlagt, die wesentlich kleiner als die Niederhaltekraft F_N während des Fügeprozesses sein kann.
Es ist hervorzuheben, dass im Prüfprozess die beiden Bauteile 1, 3 nicht in der Stanznietzange 9 geklemmt werden. Eine solche Klemmung hätte zur Folge, dass bei dünnen Bauteilen 1, 3 mit geringer Steifigkeit sich die Fügestelle zur Zange 9 ausrichtet, da die Bauteile 1, 3 in der Stanznietzange 9 durch die Klemmkraft ausgerichtet werden. Im Prüfprozess wird dagegen die geöffnete Stanznietzange 9 mit einer geringen Prüfkraft F_P mit dem Sensor 35 am sensorzugewandten Bauteil 3 angelegt und somit eine einwandfreie Anlage sichergestellt. Die Spaltfreiheit der Bauteile 1, 3 wird dann im Fügeprozess durch die aufgebrachte Prozesskraft F_N erreicht.
Wie aus der 4 und 5 hervorgeht, weist der Lagesensor 35 an seiner Kontaktfläche insgesamt vier gleichmäßig umfangsverteilte Messstellen 41a bis 41b auf, die mit einem Radialversatz r zur Fügeachse F bzw. zur Werkzeugachse W positioniert sind. Der Lagesensor 35 ist als ein Kraftmesssensor realisiert, dessen Messtellen 41a bis 41b jeweils Dehnmesstreifen aufweisen. Bei Beaufschlagung der Stanznietzange 9 mit der Prüfkraft F_P wird in jeder der Messstellen 41a bis 41b eine Messkraft F₁ bis F₄ erfasst. Der Lagesensor 35 übermittelt korrespondierende Signale zu einer Auswerteeinheit 43, die die vom Lagesensor 35 erfassten Messkräfte F₁ bis F₄ miteinander vergleicht. Auf der Grundlage dieses Vergleichs ermittelt die Auswerteeinheit 43 einen Korrektur-Bedarf. Beispielhaft ist kein Korrektur-Bedarf erforderlich, wenn die jeweils an gegenüberliegenden Messstellen 41a und 41d bzw. 41b und 41c ermittelten Messkräfte gleich sind. Ist dies nicht der Fall, erkennt die Auswerteeinheit 43 einen Korrektur-Bedarf. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit 43 auf der Grundlage der Messkräfte F₁ bis F₄ einen räumlichen Korrekturvektor v ermitteln, anhand dem die Robotersteuerung 13 eine Positionskorrektur vollautomatisiert durchführen kann.
In der 6 stimmt die dargestellte Ist-Ausrichtung zwischen der Stanznietzange 9 und dem Bauteilverbund 1, 3 nicht in der Soll-Ausrichtung überein. Vielmehr befinden sich die Stanznietzange 9 und der Bauteilverbund 1, 3 zueinander in einer Schrägstellung, in der die Werkzeugachse W um einen Winkelversatz α von der Fügeachse F abweicht. Von daher werden an den Messstellen 41a bis 41b des Lagesensors 35 unterschiedlich große Messkräfte F₁ bis F₄ erfasst. Beispielhaft wird in der 6 aufgrund der Schrägstellung des Bauteilverbunds 1, 3 an der Messstelle 41c eine übermäßig große Messkraft F₃ erfasst, während an der gegenüberliegenden Messtelle 41b die erfasste Messkraft F₂ bei null liegt, da kein Druckkontakt zwischen der Messstelle 41b und dem Bauteilverbund 1, 3 vorhanden ist. Auf der Grundlage der erfassten Messkräfte F₁ bis F₄ generiert die Auswerteeinheit 43 den Korrekturvektor v. Bei einer anschließenden Positionskorrektur steuert die Robotersteuerung 13 den Industrieroboterarm 11 auf der Grundlage des Korrekturvektors v an, um die Ist-Ausrichtung an die Soll-Ausrichtung anzugleichen.
Bezugszeichenliste

1,3: Bauteile
5: Hilfsfügeelement
7: Nietfuß
9: Fügewerkzeug
11: Industrieroboterarm
13: Robotersteuerung
14: C-Bügel
15, 17: Werkzeugschenkel
19: Setzeinheit
21: Niederhalter
23: Setzstempel
25: Matrize
27: Matrizenkopf
29: Matrizenschaft
31: Nabenschraube
33: Werkzeugschenkel-Grundkörper
34: Aufnahme
35: Lagesensor
37: Befestigungsschaft
39: Sensorkopf
41a bis 41b: Messstellen
Fs: Setzkraft
FN: Niederhaltekraft
FP: Prüfkraft
F1 bis F4: Messkräfte
F: Fügeachse
W: Werkzeugachse
α: Winkelversatz
r: Radialversatz

Claims

System zum Fügen von Bauteilen (1, 3) mittels eines Fügewerkzeugs (9), dessen Werkzeugschenkel (15, 17) im Fügeprozess beidseitig zumindest eines Bauteils (1, 3) angeordnet sind und das Bauteil (1, 3) mit einer Fügekraft (F_N) zwischenklemmen, und zwar in einer vordefinierten Werkzeug-Fügeposition, in der eine Werkzeugachse (W), entlang der die Fügekraftrichtung verläuft, in einer Soll-Ausrichtung koaxial zur Fügeachse (F) ausgerichtet ist, die rechtwinklig zur Bauteilebene durch die Fügestelle verläuft, wobei das System eine Korrektureinheit für eine Positionskorrektur der vordefinierten Werkzeug-Fügeposition aufweist, und wobei die Korrektureinheit einen Lagesensor (35) aufweist, der in der vordefinierten Werkzeug-Fügeposition eine Ist-Ausrichtung zwischen dem Fügewerkzeug (9) und dem Bauteil (1, 3) erfasst, und wobei die Erfassung der Ist-Ausrichtung in einem vom Fügeprozess separaten Prüfprozess durchführbar ist, in dem das Fügewerkzeug (9) die beiden Bauteile (1, 3) nicht zwischenklemmt, sondern bei geöffnetem Fügewerkzeug (9) der Lagesensor (35) mit einer geringen Prüfkraft (F_P) am sensorzugewandten Bauteil (3) anlegbar ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit bei Vorliegen eines Winkelversatzes (a) zwischen der Ist-Ausrichtung und der Soll-Ausrichtung einen Bedarf zur Positionskorrektur der Werkzeug-Fügeposition erkennt, und auf dessen Grundlage eine Positionskorrektur einleitet, um die Ist-Ausrichtung an die Soll-Ausrichtung anzugleichen.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Werkzeugschenkel (15, 17) zweiteilig aus einem Werkzeugschenkel-Grundkörper (33) und aus einem darauf lösbar montierten Werkzeugschenkel-Kontaktelement (25) aufgebaut ist, und dass insbesondere zur Erfassung der Ist-Ausrichtung der Lagesensor (35) anstelle des Werkzeugschenkel-Kontaktelements (25) auf den Werkzeugschenkel-Grundkörper (33) montierbar ist, und dass insbesondere die Anschlusskontur (29) des Werkzeugschenkel-Kontaktelements (25) zur Anbindung an den Werkzeugschenkel-Grundkörper (33) und die Anschlusskontur (37) des Lagesensors (35) zur Anbindung an den Werkzeugschenkel-Grundkörper (33) im Wesentlichen baugleich sind, und/oder dass eine Außenkontur des Werkzeugschenkel-Kontaktelements (25) und eine Außenkontur des Lagesensors (35) im Wesentlichen identisch sind.
System nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagesensor (35) eine Anzahl von Messpunkten (41a bis 41d) aufweist, die voneinander beabstandet sowie mit Radialversatz (r) zur Werkzeugachse oder Fügeachse (F) positioniert sind, und dass an jedem Messpunkt (41) ein Messparameter, etwa eine Kraft, ein Spaltabstand, eine Kapazität oder eine elektrische Spannung, etc., erfassbar ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagesensor (35) in Signalverbindung mit einer Auswerteeinheit (43) ist, die die vom Lagesensor (35) erfassten Messparameter (F₁ bis F₄) miteinander vergleicht, und auf der Grundlage des Vergleiches einen Korrektur-Bedarf ermittelt, und dass insbesondere die Auswerteeinheit (43) bei zueinander identischen Messparametern (F₁ bis F₄) keinen Korrektur-Bedarf ermittelt, und/oder dass die Auswerteeinheit (43) bei voneinander signifikant abweichenden Messparametern einen Korrektur-Bedarf ermittelt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügewerkzeug (9) robotergestützt mittels einer Robotersteuerung (13) betätigbar ist, und dass insbesondere die Auswerteeinheit (43) anhand der Messparameter (F₁ bis F₄) einen räumlichen Korrekturvektor (v) ermittelt, auf dessen Grundlage die Robotersteuerung (13) die Positionskorrektur vollautomatisiert durchführt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeprozess ein Schweißprozess, ein Setzprozess oder ein beliebig anderer Fügeprozess ist, und dass insbesondere für den Setzprozess an einem Werkzeugschenkel (15) als Kontaktelement eine Setzeinheit (19) mit Niederhalter (21) und Setzstempel (23) angeordnet ist, und am anderen Werkzeugschenkel (17) als Kontaktelement eine Matrize (25) angeordnet ist, und dass im Setzprozess das Bauteil (1, 3) mit einer Niederhaltekraft (F_N) zwischen dem Niederhalter (21) und der Matrize (25) geklemmt ist und der Setzstempel (23) ein Hilfsfügeelement (5) in das Bauteil (1, 3) eintreibt.
Verfahren zum Betrieb eines Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 7.