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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten
Umformung von dünnwandigen Werkstücken, bei
dem das Werkstück
zur Umformung einer hämmernden
Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen
wird.
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Ein
bevorzugtes technisches Anwendungsgebiet des Verfahrens ist die
Herstellung von Prototypen bzw. Fertigprodukten aus plastisch verformbaren
Werkstoffen, die als dünnwandige
Werkstücke
vorliegen. Beispielhafte Einsatzbereiche liegen auf den Gebieten
der Verfahrenstechnik, z. B. zur Herstellung von Behältern, Kanälen, Rohren
oder Schornsteinen, der Schwimmbadtechnik, z. B. zur Herstellung
von Beckenböden
und -wänden,
Rutschen oder Duschen, der Luft- und Raumfahrttechnik, z. B. zur
Herstellung von Tragflächen
oder Tanks, des Karosseriebaus, z. B. zur Herstellung von Scheinwerferreflektoren,
Karosserieteilen für
Kleinserien oder Reparaturteilen, des Klempnerhandwerks, z. B. zur
Herstellung von Dächern,
Giebeln, Fassaden, Dachrinnen oder Turmspitzen, des Küchengewerbes,
z. B. zur Herstellung von Abzugshauben oder Spülbecken, der Lebensmittelindustrie,
z. B. zur Herstellung von Dosen oder Töpfen, oder auch des Kunstgewerbes,
z. B. zur Herstellung von Design-Produkten oder Kunstgegenständen.
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Stand der Technik
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Grundsätzlich können Fertigungsprozesse
in subtraktive, additive und formative Prozesse eingeteilt werden.
Subtraktive Prozesse heben Material vom Werkstück ab und umfassen alle spanenden
Fertigungsverfahren. Additive Prozesse fügen dem Werkstück Material
hinzu und formative Prozesse prägen
oder verformen das Werkstück,
beispielsweise durch Aufdrücken
von Modellen oder Formen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren handelt es sich um ein formatives Umformverfahren,
so dass im Folgenden auf die bekannten formativen Umformverfahren
auf einem Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, der
Umformtechnik von dünnwandigen
Werkstücken
wie Blech, näher
eingegangen wird.
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Für die Umformung
komplexer Blechformteile sind eine Vielzahl von Umformverfahren
bekannt. Die DIN 8582 unterscheidet diese Umformverfahren anhand
des Kriteriums der überwiegend
während
des Umformprozesses anliegenden mechanischen Spannungen. Es werden
Druckumformen, Zugdruckumformen, Zugumformen, Biegeumformen und
Schubumformen unterschieden. Aufgrund der hohen während des
Umformprozesses auftretenden Kräfte
werden für
die Umformung Werkzeugmaschinen eingesetzt, die häufig hohe
Investitionen erfordern. Bekannte Werkzeugmaschinen zum Umformen
sind Pressen, Hämmer,
Walzmaschinen, Biegemaschinen, Ziehmaschinen oder Maschinen zum
Umformen mit Wirkmedien. Durch einen seit längerer Zeit anhaltenden Trend
zu immer komplexeren Bauteilgeometrien in der Blechteilefertigung
bei gleichzeitig deutlich abnehmenden Losgrößen sind den Einsatzmöglich keiten
der konventionellen Blechumformverfahren immer häufiger klare Grenzen gesetzt,
da der Anteil der Werkzeugkosten an den Gesamtkosten überproportional
steigt. Gerade Werkzeugmaschinen mit formgebundenen Werkzeugen,
d.h. mit Werkzeugen, mit denen nur eine feste vorgegebene Geometrie
eines Werkstückes
erzeugt werden kann, weisen in diesem Zusammenhang deutliche Nachteile
auf.
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In
den letzten Jahren wurden daher zunehmend flexible Blechumformverfahren
entwickelt und hinsichtlich ihrer Einsatzpotentiale zur wirtschaftlichen
Formgebung komplexer Bauteile untersucht. Die Flexibilität eines
Blechumformverfahrens ist dabei um so größer, je geringer die Werkzeugbindung
an die Endform der Produkte bzw. je unvollständiger der Formzwang während der
Umformung ist. Bekannte flexible Blechumformungsverfahren sind das
Tiefziehen, das Drückwalzen,
das Streckziehen, das Walzprofilieren, das Kugelstrahlumformen,
das Schockwellenumformen sowie das Laserstrahlumformen. Während das
durch werkzeugseitige Maßnahmen
flexibler gestaltete Tiefziehen bzw. Druckwalzen sich noch immer
durch eine rein formgebundene Gestalterzeugung auszeichnet, ist
bei einigen Streckziehverfahren bereits eine überwiegend kinematische Gestalterzeugung
möglich.
Eine Beseitigung der Werkzeugbindung wird durch das Kugelstrahl-,
das Schockwellen- und das Laserstrahlumformen erzielt. Das Laserstrahlumformen,
welches sich aus dem Flammrichten weiterentwickelt hat, arbeitet
mit thermischen Spannungen. Beim Kugelstrahl- und Schockwellenumformen
handelt es sich um eine flexible Formgebung durch Impulsübertragung.
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So
ist beispielsweise aus einer Broschüre des Kugelstrahlzentrums
Aachen ein Verfahren zum Kugelstrahlumformen von Blechen bekannt,
bei dem eine große
Zahl von Stahlkugeln mit Durchmessern von 2 bis 10 mm strahlförmig auf
das Werkstück
geschossen und das Werkstück
durch die Impulsübertragung
umgeformt wird. Durch eine Variation der Strahlintensität sowie
die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug
lassen sich mit diesem Verfahren nahezu beliebige Werkstückgeometrien
erzeugen.
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Aus
der
DE 4004020 C2 ist
ein Werkzeug zum schlagenden Bearbeiten und Montieren von Fügeteilen bekannt,
bei dem ein erstes von zwei Fügeteilen,
das eine Bohrung aufweist, in einer Halterung befestigt und ein
zweites als Bolzen ausgebildetes Fügeteil mit einer Handhabungseinrichtung über der
Bohrung des ersten Fügeteils
positioniert wird. Der Bolzen wird dann unter Einsatz eines Industrieroboters
mit einer Schlageinheit in die Bohrung des ersten Fügeteiles
geschlagen. Auf ein Verfahren zur flexiblen Formgebung von Werkstücken wird
in dieser Druckschrift allerdings kein Hinweis gegeben.
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Die
DE 3623036 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur automatischen Herstellung eines eine scharfe Schneidkante
aufweisenden Stanzwerkzeugs. Mit der Vorrichtung soll eine Fertigbearbeitung
eines durch Ätzen
oder auf andere Weise hergestellten Grates eines Stanzwerkzeugs
weitgehend automatisch durchgeführt werden
können.
Die zur Lösung
dieser Aufgabe vermittelte Lehre besteht darin, dass ein zum Stanzen
dünner Papierbahnen
oder Kunststofffolien unbrauchbarer Grat des Stanzwerkzeugs durch
einen Hämmervorgang mit
einer sehr scharfen Schneidkante versehen werden kann, die in engen
Toleranzen eine definierte und konstante Höhe aufweist. Bei dem Verfahren
dieser Druckschrift handelt es sich um eine Massivumformung mit einem
formgebundenen Werkzeug, nicht jedoch um ein Verfahren zur Umformung
von dünnwandigen
Werkstücken.
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Die
CH 160 361 offenbart eine
Vorrichtung zum Dengeln von Sensen durch hämmernde Bearbeitung. Die Schneidkante
der Sense wird beim Dengeln getrieben und dadurch ausgedünnt und
gehärtet.
Der Zweck des Dengelns von Sensen ist lediglich die Erhöhung der
Schärfe.
Die Gesamtform des Werkstücks
wird dabei nicht verändert.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein weiteres Verfahren zur automatisierten Umformung
von Werkstücken
anzugeben, mit dem sich dünnwandige Werkstücke nahezu
beliebig umformen lassen.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur automatischen Umformung von dünnwandigen
Werkstücken
wird das Werkstück
zur Umformung einer hämmernden
Bearbeitung mit einem formungebundenen Bearbeitungswerkzeug unterzogen,
bei der das Werkstück
und/oder das Bearbeitungswerkzeug mit einer angesteuerten Handhabungseinrichtung
auf einer vorgegebenen Bahn geführt
wird, während
ein Formgebungselement des Bearbeitungswerkzeugs mit einem Hammerbär-Antrieb
hämmernd
gegen das Werkstück
gestoßen
wird. Vorzugsweise werden vor Beginn der hämmernden Bearbeitung durch
eine Auswerteeinheit eine Ausgangsform des Werkstücks mit
einer Sollform verglichen und auf Basis eines mathematischen Modells
Steuersignale zur Ansteuerung der Handhabungseinrichtung und des
Hammerbär-Antriebs
für die
Bearbeitung des Werkstücks generiert.
Die Handhabungseinrichtung und der Hammerbär-Antrieb werden dann mit diesen
Steuersignalen automatisch angesteuert.
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Bei
der Bearbeitung wird mehrfach eine Istform des Werkstücks mit
ein oder mehreren Sensoren erfasst, von der bzw. einer Auswerteeinheit
mit der Sollform verglichen und die Handhabungseinrichtung und/oder
der Hammerbär-Antrieb
in Abhängigkeit
von einer Abweichung der Istform von der Sollform automatisch angesteuert,
um die Sollform innerhalb vorgebbarer Toleranzen zu erreichen.
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Unter
dem Bearbeitungswerkzeug ist in der vorliegenden Patentanmeldung
das Gesamtsystem bestehend aus Hammerbär-Antrieb, Hammerbär und Formgebungselement
zu verstehen, wobei das Formgebungselement auch selbst den Hammerbär bilden
kann. Als Hammerbär
wird in bekannter Weise die bewegte Masse eines Hammers bezeichnet.
Ein formungebundenes Bearbeitungswerkzeug zeichnet sich durch die
Eigenschaft aus, dass aufgrund der Form des Formgebungselementes
mit diesem Werkzeug nahezu beliebige Geometrien des Werkstückes erreicht
werden können,
die nicht von der Form des Formgebungswerkzeuges abhängen.
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Mit
dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, mit dem formungebundenen,
flexibel einsetzbaren Bearbeitungswerkzeug Ausgangsprodukte aus
plastisch verformbaren Werkstoffen so umzuformen, dass Fertigprodukte
mit definierter Geometrie bzw. bestimmten Freiformflächen entstehen.
Bei der Bearbeitung durch das vorliegende Verfahren werden das Bearbeitungswerkzeug
und das Werkstück
relativ zueinander mit einer Handhabungseinrichtung bewegt. Das
Fertigprodukt wird dabei ohne Zerspanungsvorgänge aus dem Ausgangsprodukt,
beispielsweise einem Roherzeugnis, einem Halbzeug oder einem Zwischenprodukt,
unter Verwendung von vorgegebenen Geometriedaten, der Sollform,
erzeugt. Es handelt sich daher um ein sogenanntes direktes Verfahren
bzw. Prototyping-Verfahren. Bei dem Verfahren kommen eine oder mehrere
Handhabungseinrichtungen, wie beispielsweise Industrieroboter, zum
Einsatz, mit denen entweder das Bearbeitungs- bzw. Formgebungswerkzeug
oder das Werkstück
bei gleichzeitiger Bearbeitung mit einem stationär oder ebenfalls ortsveränderlich
wirkenden Formgebungs- bzw. Bearbeitungswerkzeug bewegt wird. Aufgrund
des nur durch den kinematischen Aufbau begrenzten Arbeitsraums der
Handhabungseinrichtung sind mit dem Verfahren praktisch beliebig
große
Produkte oder Prototypen aus plastisch verformbarem Werkstoff herstellbar. Gestaltungsmöglichkeiten
der Werkstücke
umfassen beispielsweise das Abkanten bis 90° oder die Erzeugung von Zylinder-
oder Kugelradien.
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Die
Anwendungsgebiete und die dazugehörigen Produkte sind sehr vielfältig. Unter
einem dünnwandigen
Werkstück
wird hierbei ein Werkstück
verstanden, bei dem die Längen-
bzw. Breitenausdehnung sehr viel größer ist als die Ausdehnung
in der Höhe,
wobei die Höhe
vorzugsweise maximal 10 mm beträgt.
Als Werkstoffe können
alle plastisch verformbaren Werkstoffe eingesetzt werden. So eignen
sich für
die in der Beschreibungseinleitung genannten Einsatzgebiete beispielsweise
Stahl, Aluminium, Kupfer, Zink, Edelstahl oder Weißblech.
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Gegenüber konventionellen
formativen Umformungsprozessen ist beim vorliegenden Verfahren ein geringerer
Investitionsbedarf erforderlich, da das Bearbeitungswerkzeug und
die Handhabungseinrichtung sowie die Auswerteeinheit nicht an einzelne
Sollformen des Werkstückes
gebunden sind, sondern vielmehr für nahezu beliebige zu erzeugende
Werkstückgeometrien
einsetzbar sind. Somit lassen sich unterschiedliche Werkstückgeometrien
durch einfache Änderung
der Vorgaben, insbesondere der Sollform, in der Auswerteeinheit
realisieren. Das Verfahren ermöglicht
somit die flexible Herstellung von Prototypen und die wirtschaftliche Fertigung
auch kleiner Losgrößen. Das
Verfahren ermöglicht
ein praktisch unbegrenztes Bearbeitungsvolumen und weist aufgrund
der eingesetzten Bearbeitungstechnik ein wesentlich besseres Verhältnis von
Arbeitsraum zu Bauraum der Produktionsanlage auf.
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Die
Erfinder des vorliegenden Verfahrens haben hierbei erkannt, dass
durch eine geeignete Automatisierung des aus der manuellen Fertigung
bekannten Hämmerns,
wie dies beispielsweise zur Herstellung von Karosserieblechen bekannt
ist, ein sehr flexibles Verfahren zur automatisierten Umformung
von Werkstücken realisiert
werden kann, das viele der Nachteile zahlreicher bekannter automatisierter
Umformverfahren beseitigt. Bei dem vorliegenden Verfahren wird während der
Bearbeitung mehrfach eine Istform des Werkstücks mit ein oder mehreren Sensoren
erfasst und an eine Auswerteeinheit übertragen. Die Auswerteeinheit
generiert in Echtzeit während
des Umformprozesses aus den Daten der gewünschten Endkontur des Werkstücks, d.h. der
Sollform, und den von den Sensoren übermittelten Daten über den
Bearbeitungsfortschritt bzw. die Istform Steuersignale für die Ansteuerung
der Handhabungseinrichtung und des Bearbeitungswerkzeuges. Durch
die Online-Berechnung wird gewährleistet,
dass die Sollform selbst bei unzureichender Berechnung der Steuersignale
und bei auftretenden Abweichungen durch den Prozess innerhalb vorgebbarer
Toleranzen erreicht wird. Als Parameter benötigt die Auswerteeinheit, auch
bei der Vorausberechnung der Steuersignale aus der Ausgangsform,
die Form des Formgebungselementes des Bearbeitungswerkzeuges, im
Folgenden auch als Hammereinrichtung bezeichnet, und technische
Daten der Handhabungseinrichtung sowie der Hammereinrichtung. Diese
technischen Daten enthalten die mit diesen Einrichtungen möglichen
Betriebszustände
wie beispielsweise einstellbare Bereiche der Schlagfrequenz und
Schlagenergie sowie mögliche
Bewegungsgeschwindigkeiten der Handhabungseinrichtung.
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Vorzugsweise
wird die Bahn, mit der die Handhabungseinrichtung das Bearbeitungswerkzeug
oder das Werkstück
führt,
in Abhängigkeit
von einer eingegebenen Sollform von der Auswerteeinheit berechnet
und zunächst
vorgegeben. Das Gleiche gilt für
Parameter, mit der der Hammerbär-Antrieb
der Hammereinrichtung betrieben wird. Die Daten der Sollform des
Werkstücks
können
dabei beispielsweise als Punktwolke, als explizite Funktion z =
f (x,y) oder als implizite Funktion f (x,y,z) = 0 vorliegen. Mit
Hilfe der von den Sensoren gelieferten Informationen über den
Bearbeitungsfortschritt werden die Daten der momentanen Kontur des
Werkstückes,
d.h. der Istform, generiert. Der Aufwand zur Generierung der Istform
aus den Sensordaten hängt
dabei von der Art des Sensors bzw. der Sensoren zur Prozessüberwachung
ab. Während
beispielsweise vertikal angeordnete Abstandssensoren an mehreren
Stellen (xi, yi)
direkt eine Punktwolke (xi, yi,
zi) liefern, müssen die Abstandsdaten eines
Laserscanners als Sensor zunächst
von Kugelkoordinaten (ri, φi, ψi) in kartesische Koordinaten (xi,
xi, zi) umgerechnet
werden. Wird eine Kamera zur Prozessüberwachung eingesetzt, so kann eine
Bestimmung der Istform mittels Lichtschnittverfahren, strukturiertem
Licht oder Stereobildverarbeitung mit anschließenden aufwendigen Berechnungen
erfolgen.
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Liegen
die Daten der Istform vor, so wird die vertikale Abweichung Δzi an den Stellen (xi,
yi) berechnet. Aufgrund dieser Daten werden
dann die Bahndaten für
das Bearbeitungswerkzeug und eventuell die Betriebsparameter für die Hammereinrichtung
berechnet. Aus den berechneten Werten werden schließlich die
Steuersignale für
die Steuerung der Handhabungseinrichtung, beispielsweise eines Roboters,
bzw. der Hammereinrichtung generiert. Die Berechnung der Bahndaten
basiert dabei auf mathematischen Modellen der Plastomechanik, wie
beispielsweise der Streifentheorie, der Scheibentheorie, dem Schrankenverfahren
oder der Finite-Elemente-Methode. Diese Modelle basieren im Allgemeinen
auf den elementaren Fließgesetzen
von v. Mises und Tresca (vgl. z. B.: Flimm, Joseph: Spanlose Formgebung,
6. neubearb. Auflage, München,
Wien: Hanser Verlag, 1990; Lange, Kurt: Umformtechnik: Handbuch
für Industrie
und Wissenschaft, Band 1, Grundlagen, 2. völlig neu bearb. Auflage, Berlin,
Heidelberg, New York, Tokyo: Springer Verlag, 1984; Pawelski, Hartmut;
Pawelski, Oskar: Technische Plastomechanik, Düsseldorf: Verlag Stahleisen
GmbH, 2000). Zur vollständigen
Beschreibung einer plastomechanischen Verformung müssen Parameter
wie Reibung, Temperatur, Wärmeübergang,
Umformgeschwindigkeit und andere berücksichtigt werden, was bei
den einzelnen aufgeführten
Modellen in unterschiedlicher Weise geschieht. Mathematisch wird
dies durch komplexe Differentialgleichungen realisiert. Die gleichen
Modelle können
auch zur Vorausberechnung der Steuersignale aus dem Vergleich der
Ausgangsform mit der Sollform eingesetzt werden, wobei die Ausgangsform
beispielsweise ebenfalls mit den Sensoren erfasst werden kann.
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Bei
der Ansteuerung der Handhabungseinrichtung bzw. der Hammereinrichtung
während
des Umformprozesses durch die Auswerteeinheit werden insbesondere
Parameter wie die Schlagfrequenz und die Schlagenergie, die Bahn
des Bearbeitungswerkzeugs sowie die Führungsgeschwindigkeit des Bearbeitungswerkzeugs
durch die Handhabungseinrichtung geändert bzw. angepasst.
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Selbstverständlich muss
das Bearbeitungswerkzeug bzw. das Werkstück durch die Handhabungseinrichtung
nicht kontinuierlich bewegt werden. Es kann auch schrittweise auf
der Bahn geführt
werden, um beispielsweise an bestimmten Stellen mehrere Hammerschläge hintereinander
in der gleichen Position auszuführen.
Da die Bahndaten und die Steuersignale für die Hammereinrichtung voneinander
abhängig
sind, sollten vor der Berechnung Grenzwerte bzw. Kriterien festgelegt
werden, innerhalb derer sich mögliche Änderungen bewegen
müssen.
Beispiele für
derartige Grenzwerte sind eine minimale Schlagenergie, eine minimale
Gesamtanzahl an Schlägen,
eine minimale Schlagfrequenz oder eine minimale Bahnstrecke zwischen
einzelnen Schlägen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren kann das Werkstück sowohl frei, d. h. ohne
Gegenhalter nur am Rand, eingespannt als auch an einer als Gegenhalter
zum Form gebungselement des Bearbeitungswerkzeuges dienenden Matrize
anliegen oder befestigt werden. Bei einem mit der Handhabungseinrichtung
geführten Bearbeitungswerkzeug
lässt sich
sowohl eine formgebundene als auch eine formungebundene Matrize
als Gegenhalter einsetzen. Bei einer formgebundenen Matrize liegt
das Werkstück
auf dieser Matrize auf und wird durch das Bearbeitungswerkzeug in
die vorgegebene Form dieser Matrize hineingetrieben. Eine formgebundene
Matrize kann beispielsweise mit Hilfe eines Prototyping-Verfahrens schnell
und kostengünstig
hergestellt werden.
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Bei
Verwendung einer formungebundenen Matrize kann unterschieden werden,
ob die Handhabungseinrichtung das Werkstück oder das Bearbeitungswerkzeug
führt.
In beiden Fällen
wird das Werkstück
auf der formungebundenen Matrize bearbeitet. Die Umformung eines
dünnwandigen
Werkstücks
kann beispielsweise zu Hohlkörpern
führen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung
des vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung von Werkstücken;
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2 ein erstes Beispiel für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens;
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3 ein zweites Beispiel für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens;
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4 ein drittes Beispiel für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens;
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5 Ausführungsbeispiele eines Bearbeitungswerkzeugs;
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6 schematische Darstellung
eines pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Bearbeitungswerkzeugs;
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7 ein Beispiel für ein Gesamtsystem
zur Durchführung
des vorliegenden Verfahrens;
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8 eine Veranschaulichung
der Ein- und Ausgangssignale der Auswerteeinheit; und
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9 ein viertes Beispiel für die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung
des vorliegenden Verfahrens zur automatisierten Umformung eines
Werkstückes 1.
Das Werkstück 1 wird
als Ausgangsprodukt aus einem plastisch verformbaren Werkstoff bereitgestellt
und in diesem Beispiel von einer Hand habungseinrichtung 2 aufgenommen.
Die Bearbeitung des Werkstückes 1 erfolgt
mit einem Bearbeitungswerkzeug 3, das im vorliegenden Beispiel
in Form einer Hammermaschine dargestellt ist. Die Hammermaschine
umfasst einen Hammerbär-Antrieb 4 als
Antriebsmodul, ein Formgebungselement 5, das gleichzeitig
den Hammerbär
repräsentiert,
einen Gegenhalter 6 sowie ein Zusatzenergie-Modul 7,
mit dem das Werkstück 1 beispielsweise
zusätzlich
erwärmt
werden kann, um den Umformprozess zu erleichtern. Das von der Handhabungseinrichtung 2 aufgenommene
Werkstück 1 wird
von dieser auf einer vorgegebenen Bahn unter dem Formgebungselement 5 bewegt,
während
dieses hämmernd
gegen das Werkstück 2 gestoßen wird.
Während
dieser Bearbeitung wird der Bearbeitungsfortschritt sensorisch im
vorliegenden Beispiel mit einer Kamera 8 überwacht.
Die Überwachungsdaten
werden einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, die
die Handhabungseinrichtung 2 sowie das Bearbeitungswerkzeug 3 in Abhängigkeit
von einer Abweichung der sensorisch erfassten Istform von der gewünschten
Sollform ansteuert. Nach Erreichen der Sollform innerhalb der vorgegebenen
Toleranzen wird das Werkstück 1 als
Fertigprodukt 9 abtransportiert.
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Selbstverständlich ist
diese Prinzipdarstellung der 1 nur
beispielhaft zu verstehen, so dass beispielsweise anstelle des Werkstücks 1 auch
das Bearbeitungswerkzeug 3 mit der Handhabungseinrichtung 2 geführt und
das Werkstück 1 stationär gehaltert
werden kann. Auch der Einsatz des Gegenhalters 6 ist nicht in
jedem Falle erforderlich.
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2 zeigt ein erstes Beispiel
für eine
Durchführung
des vorliegenden Verfahrens, bei der das Bearbeitungswerkzeug 3 mit
einer Handhabungseinrichtung 2 geführt wird. Das Werkstück 1,
das im vorliegenden Beispiel als dünnwandiges Blech ausgeführt ist,
wird mit einem Niederhalter 10 gegen einen Tisch mit einer formgebenden
Matrize 11 gedrückt.
Das Werkstück 1 wird
bei der Bearbeitung mit dem Bearbeitungswerkzeug 3 hämmernd in
die Matrizenöffnung
der formgebenden Matrize 11 umgeformt, wobei gleichzeitig
das Bearbeitungswerkzeug 3 durch die Handhabungseinrichtung 2 auf
einer vorgegebenen Bahn geführt
wird. Nach Erreichen der Sollform wird das Werkstück 1 von
dem Tisch genommen und als Fertigprodukt 9 abtransportiert.
Im unteren Teil der Figur ist beispielhaft eine formgebundene Matrize 11 in
Querschnittsansicht zu erkennen, wie sie bei dieser Ausgestaltung
des Verfahrens eingesetzt werden kann. Selbstverständlich ist
es auch möglich, anstelle
der dargestellten konkaven Matrize 11 eine konvexe Matrize
zu verwenden, um die das Werkstück 1 dann
herumgehämmert
wird.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
der 2 entspricht. Bei
diesem Beispiel wird im Gegensatz zur 2 jedoch
eine formungebundene Matrize 12 eingesetzt, wie sie beispielsweise
im unteren Teil der Figur beispielhaft im Querschnitt dargestellt
ist. Da das Werkstück 1 bei
dieser Variante nicht in die Matrize 12 eingehämmert wird,
muss gewährleistet
werden, dass sich bei Verwendung eines dünnwandigen Werkstücks dieses
von der Fläche
der Matrize 12 abheben kann, wie dies im mittleren Bereich
der Figur zu erkennen ist. Das dünnwandige
Werkstück 1 wird
deshalb bei dieser Ausführungsform
nur einseitig eingespannt.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel
für die
Durchführung
des vorliegenden Verfahrens, bei dem eine formungebundene Matrize 12 eingesetzt
wird. Bei diesem Beispiel führt
die Handhabungseinrichtung 2 nicht das Bearbeitungswerkzeug 3,
sondern das Werkstück 1.
Dies ermöglicht
den Einsatz einer stationären
Hammermaschine, die in dieser Figur lediglich durch einen Hammer
angedeutet ist. Mit einer stationären Hammermaschine können wesentlich
höhere
Umformkräfte
aufgebracht werden als mit einer Roboter-geführten Hammereinrichtung. Ein
weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist darin zu
sehen, dass die Handhabungseinrichtung 2 sowohl zum Bearbeiten,
zum Vermessen als auch zum Holen und Weglegen des Werkstückes 1 eingesetzt
werden kann, wodurch auf einen Werkzeugwechsel oder auf ein zweites
Handhabungsgerät verzichtet
werden kann. Wie bei der Vorgehensweise der 2 bietet sich für diese Ausgestaltung der Einsatz eines
dünnwandigen
Werkstücks 1 an.
Dieses Werkstück 1 wird
unter dem stationären
Bearbeitungswerkzeug 3 geeignet geführt, um die gewünschte Sollform
des Fertigproduktes 9 zu erreichen.
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Das
Bearbeitungswerkzeug kann beim vorliegenden Verfahren unabhängig von
den vorangehenden Ausführungsformen
in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein. 5 zeigt hierzu zwei Ausführungsvarianten
eines derartigen Bearbeitungswerkzeugs. Im linken Teil der Figur
ist ein Bearbeitungswerkzeug zu erkennen, bei dem ein Hammerbär 13,
der durch eine Kurvenscheibe 14 angehoben und wieder fallengelassen
wird, auf ein als Meißel
ausgebildetes Formgebungselement 5 trifft, das über eine
Feder 15 nach jedem Schlag in die Ausgangsposition zurückgebracht
wird. Das Formgebungselement 5 liegt hierbei auf dem auf
einem Gegenhalter 6 aufliegenden Werkstück 1 auf und verformt
dieses durch die eingebrachten Schlagimpulse.
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Der
rechte Teil der Figur zeigt eine Ausgestaltung, bei der das Formgebungselement 5 durch
den Hammerbär 13 selbst
realisiert wird, der eine geeignete Spitze aufweist und direkt auf
das plastisch verformbare Werkstück 1 auftrifft.
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Das
Schlagprinzip des Bearbeitungswerkzeugs beruht auf der Schwerkraft,
die auf den Hammerbär 13 wirkt.
Der Hammerbär 13 wird
lediglich durch die Kurvenscheibe 14 wieder in seine Ausgangsposition
zurückgeführt und
dann erneut fallengelassen. Für
ein Roboter-geführtes
Bearbeitungswerkzeug ist diese Konstruktion jedoch nicht von Vorteil,
da die Schlagstärke
bei diesem Bearbeitungswerkzeug von der Orientierung des Werkzeugs
abhängt.
Aus diesem Grund wird bei einem Roboter-geführten
Bearbeitungswerkzeug eine Konstruktion bevorzugt, wie sie beispielsweise
in der 6 dargestellt
ist.
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Bei
der Ausgestaltung des Bearbeitungswerkzeuges der 6 wird ein pneumatisch bzw. hydraulisch arbeitender
Hammerbär-Antrieb
eingesetzt. Im linken Teil der Figur ist dabei wiederum der in diesem
Beispiel als Formgebungselement 5 ausgebildete Hammerbär 13 zu
erkennen, der über
einen pneumatischen bzw. hydraulischen Hammerbär-Antrieb 4 mit vorgebbarer
Frequenz und Schlagstärke
gegen das Werkstück 1 gestoßen wird.
Mit dem Bezugszeichen 16 ist der Druckluft- oder Hydraulikanschluss
angedeutet.
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Eine
weitere Variante eines Bearbeitungswerkzeuges ist im rechten Teil
der Figur zu erkennen. Dieses Bearbeitungswerkzeug ist auf Basis
eines Gegenschlaghammers konstruiert, bei dem beidseitig des Werkstückes 1 Hammerbären 13 mit
entsprechenden Antrieben 4 gleichzeitig gegen das Werkstück 1 gestoßen werden.
Im Idealfall heben sich die Impulse der beiden gegeneinander gerichteten
Hammerbären 13 auf,
so dass insgesamt keine Kräfte
auf die Handhabungseinrichtung wirken, mit der dieses Bearbeitungswerkzeug
geführt wird.
Die Belastung der Handhabungseinrichtung durch die Arbeit des Bearbeitungswerkzeugs
ist daher sehr gering. Bezugszeichen 17 gibt hierbei eine
Zange zur Verbindung der beiden Teile des Bearbeitungswerkzeuges
an.
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7 zeigt einen Überblick über ein
beispielhaftes System für
die Durchführung
des Verfahrens, bei der Möglichkeiten
der Prozessüberwachung
dargestellt sind. Die ständige
Prozessüberwachung
ist erforderlich, da eine exakte Vorausberechnung der plastischen
Verformung eines Werkstücks
nur aufwendig zu realisieren ist. Zur Prozessüberwachung bieten sich Abstandssensoren,
wie z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner und Kamerasysteme an.
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Die
Figur zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Prozessüberwachung
alternativ mit Abstandssensoren 18 oder einem Laserscanner 19 realisiert
wird. Bei diesem Verfahren wird das Bearbeitungswerkzeug 3 mit
der Handhabungseinrichtung 2 während der hämmernden Bearbeitung auf einer
vorgegebenen Bahn geführt.
Das dünnwandige
Werkstück 1 ist
auf einer formgebundenen Matrize 11 befestigt, in der senkrechte
Kanäle
zu den unter der Matrize befindlichen Abstandssensoren 18 ausgebildet
sind. Durch diese Kanäle
können
die Abstandssensoren 18 die momentane Form des Werkstückes 1 messen. Über dem
Werkstück 1 ist
weiterhin ein Laserscanner 19 angebracht, der ebenfalls
die Istform des Werkstückes 1 während der
Bearbeitung vermisst. Die von den Abstandssensoren 18 bzw.
dem Laserscanner 19 erfassten Daten 22, die die
Informationen über den
Bearbeitungsfortschritt enthalten, werden der Auswerteeinheit 20 zugeführt. Die
Zuführung
kann hierbei über
den angedeuteten Schalter alternativ oder auch gleichzeitig erfolgen.
Die Auswerteeinheit 20 berechnet aus den übermittelten
Daten die momentane Istform sowie die Abweichung der Istform von
einer vorgegebenen Sollform und generiert auf Basis eines Modells
Steuersignale 23 für
die Ansteuerung der Handhabungseinrichtung 2 sowie des
Hammerbär-Antriebs
des Bearbeitungswerkzeugs 3, um die Sollform innerhalb
der vorgegebenen Toleranzen zu erreichen. Die von der Auswerteeinheit 20 generierten
Steuersignale 23 werden der Robotersteuerung 21 zugeführt, die
die Handhabungseinrichtung 2 sowie den Hammerbär-Antrieb
des Bearbeitungswerkzeuges 3 steuert. Das Bearbeitungsende
ist erreicht, wenn die Abweichung der Istform von der Sollform ein
bestimmtes Delta unterschreitet.
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8 zeigt in diesem Zusammenhang
nochmals beispielhaft den Datenfluss von und zu der Auswerteeinheit 20.
Die Auswerteeinheit 20 erhält Online-Informationen über den Bearbeitungsfortschritt
von den eingesetzten Sensoren, Daten der Endkontur des Werkstückes, der
Form des Hammerwerkzeuges sowie technische Daten der Hammereinrichtung
und der Handhabungseinrichtung von dem Bediener der Anlage. Aus diesen
Daten generiert die Auswerteeinheit 20 die Steuersignale
für die
Robotersteuerung sowie für
das Umformwerkzeug, um diese zur Erreichung der vorgegebenen Sollform
anzusteuern. Die Auswerteeinheit 20 kann hierbei als Prozessrechner
ausgebildet sein, der ein entsprechendes Software-Modul zur Durchführung der
Berechnungen sowie zur Benutzerführung
enthält.
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9 zeigt schließlich ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des vorliegenden Verfahrens, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
der 3 entspricht. Bei
diesem Beispiel wird im Gegensatz zur 3 jedoch keine
Matrize als Gegenhalter eingesetzt. Das Werkstück 1 wird bei dieser
Variante vielmehr nur am Rand mit einer Einspannvorrichtung 24 eingespannt.
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