DE69911040T2

DE69911040T2 - Werkzeughalter

Info

Publication number: DE69911040T2
Application number: DE69911040T
Authority: DE
Inventors: Dan Holm; Karl-Otto Strömberg; Hans Hellman; Peter Fröberg
Original assignee: DETERMINA AB; DETERMINA HALMSTAD AB
Current assignee: C-POWER TECHNOLOGIES AB, TYRESö, SE
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-06-19
Also published as: EP1119439A1; CZ20004581A3; SE9802192L; US20030173793A1; KR100687474B1; DE69911040D1; US6467826B2; JP4445130B2; BR9911298A; SE512242C2; CN1115227C; CA2335482A1; SE9802192D0; JP2002520170A; US7163247B2; WO2000002701A1; AU4816599A; EP1119439B1; CN1310654A; KR20010071518A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Werkzeug-Haltern und von der Art, welche einen C-förmigen Rahmen umfassen, der vorzugsweise einen langen inneren Bereich aufweist, wobei der Rahmen an seinen freien Schaftenden das Werkzeug, z. B. ein Nietwerkzeug, ein Verklebungswerkzeug oder eine Schweißeinheit, trägt.
Hintergrund der Erfindung und zugrunde liegendes Problem
C-förmige Rahmen der oben genannten Art sind bereits bekannt und werden beim Verbinden von zum Beispiel Autokarosserie-Komponenten, Rahmentragwerken, Eisenbahnwaggons, Flugzeugen usw. verwendet. Sie werden als I-förmige Abschnitte aus hoch zugfestem Stahl hergestellt, da hohe Anforderungen an die Steifigkeit und strukturelle Stärke des Rahmens gestellt werden. Insbesondere wenn es sich um Arbeitsabläufe, wie z. B. Nieten, handelt, entstehen große Öffnungskräfte auf die Schäfte des C-förmigen Rahmens. Der Rahmen ist außerdem einer großen Anzahl von Arbeitszyklen auszusetzen, und ein Minimum von 2 Millionen Zyklen ist eine Anforderung. Der C-Rahmen muss in der Lage sein, in bestimmten Situationen auf tief liegenden Teilen zu operieren, d. h. in der Lage sein, einen Arbeitsbereich zu erreichen, welcher z. B. einen Meter innerhalb einer äußeren Begrenzung gelegen ist. Bei großtechnischer Produktion wie in der Automobilindustrie wird der C-förmige Werkzeug-Halter durch einen Roboter bedient, was bedeutet, dass das Gewicht des C-Rahmens so niedrig sein sollte, dass das Gesamtgewicht des Systems niedriger ist als das erlaubte Betriebsgewicht des Roboters. Bei manueller Betätigung ist es ebenfalls erwünscht, die Masse des Systems zu minimieren.
Bei Verwendung der derzeitigen Roboter ist das Gewichtslimit erreicht und in einigen Fällen auch überschritten, aber der Markt fordert sowohl größere als auch stabilere Werkzeug-Halter mit gleich bleibendem oder sogar niedrigerem Gewicht. Die Investitionen in Roboter sind so hoch, dass es möglich sein muss, existierende für neue und umfangreichere Aufgaben zu verwenden.
Tests wurden durchgeführt, um C-förmige Rahmen als massive Modelle aus Verbundmaterialien herzustellen, aber der die Lastverspannungen in den Knotenpunkten der Form, d. h. von Scher- und Zugbeanspruchungen in den Klebverbindungen werden so hoch, dass diese Tests nicht durchgeführt werden konnten. Ein typischer Stahl-C-Rahmen, welcher eine innere Tiefe von 850 mm, eine Lücke zwischen den Enden der Schäfte von 400 mm und eine berechnete Last in Form von entgegengesetzt gerichteten Kräften von 53 kN aufweist, hat ein Gewicht von ungefähr 150 kg bei einer maximal zulässigen Verbiegung von 7 mm zwischen den Enden der Schäfte. Dieses Gewicht samt dem Gewicht der nötigen Werkzeugausstattung überschreitet die Trag- und Betriebsfähigkeit des Roboters und ist daher nicht akzeptabel.
Aufgabe der Erfindung und Lösung des Problems
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkzeug-Halter bereitzustellen, welcher

a. ein niedriges Gewicht aufweist,
b. eine hohe Steifigkeit aufweist,
c. eine hohe Stärke aufweist,
d. eine einfache Konstruktion aufweist,
e. preiswert ist,
f. leicht in Gestalt und Form variiert werden kann,
g. in schwierigen Umgebungen, z. B. bei Schweißspritzern, betrieben werden kann,
h. eine lange Betriebsdauer und hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Diese Aufgaben sind durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale gelöst worden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird unten näher als Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben.
1 zeigt in Perspektive einen erfindungsgemäßen Werkzeug-Halter, wobei eine vordere Abdeckplatte entfernt ist.
2 und 3 zeigen ebenfalls in Perspektive zwei der Knotenpunkte, genauer den vorderen oberen bzw. unteren Knotenpunkt und den hinteren oberen bzw. unteren Knotenpunkt.
4 zeigt einen hinteren Knotenpunkt in Perspektive.
5 zeigt ein dreieckförmiges Verbindungselement in Perspektive.
6 zeigt eine Seitenansicht eines modifizierten erfindungsgemäßen Werkzeug-Halters.
7 zeigt ein Rahmenelement für den in 6 in Seitenansicht gezeigten Werkzeug-Halter.
8 zeigt den Werkzeug-Halter gemäß 1 in einem belasteten Zustand.
9 zeigt einen unbelasteten Werkzeughalter gemäß einem modifizierten Ausführungsbeispiel.
10 zeigt den Werkzeug-Halter gemäß 9 in einem belasteten Zustand.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der erfindungsgemäße Werkzeug-Halter besteht aus einem äußeren C-förmigen Rahmen 11, welcher wiederum sechs Rahmen-Tragteile 12–17 beinhaltet, von welchen Tragteile 12, 13 und 17, 16 die Schäfte des Cs und die Tragteile 14 und 15 das Zwischenteil zwischen den Schäften bilden. Die Tragteile 12–17 sind an ihren Enden durch Knotenpunkte 18–22 miteinander verbunden, so dass sie zusammen ein C bilden.
Innerhalb des äußeren C-förmigen Rahmens 11 ist ein zweiter C-förmiger innerer Rahmen 23 vorgesehen, welcher die Rahmen-Tragteile 24 und 25 umfasst, die auch die Schäfte des inneren Rahmens 23 bilden, während sein Zwischenteil zwischen den Schäften aus einem Tragteil 26 besteht.
Der äußere und innere C-Rahmen 11, 23 sind teilweise durch Schwenkhalterungen 27 bis 32 und an den Enden der Schäfte durch Anbringungseinheiten 33 und 34 miteinander verbunden. Die Knotenpunkte 18 sind mit Verbindungsösen 35 ausgestaltet, welche eine durchgehende Bohrung 36 für Lagerzapfen aufweisen, die Gelenkverbindungen 37 für die Schwenkhalterungen 27–32 bilden. In gleicher Weise sind die inneren Verbindungen zwischen den Schwenkhalterungen und dem inneren Rahmen 23 als Gelenke 37 ausgestaltet. Das Tragteil 26 und die Schwenkhalterungen 29, 30 sind als ein festes dreieckförmiges Konstruktionsteil 38 ausgestaltet, an welchem eine Halteranordnung 39, z. B. für einen Roboterarm (nicht gezeigt) vorgesehen ist.
Die Knotenpunkte 18–22 und Anbringungseinheiten 33, 34 sind mit Führungsflanschen 40 und Druckbereichen 41 zum Führen von bzw. Druckübertragung auf das Endteil und Endbereiche der Rahmen-Tragteile 12–17 ausgestaltet. Durch Winkelausrichtung der Druckbereiche 41 der Knotenpunkte können die Enden der Rahmen-Tragteile senkrecht geschnitten werden, was die Herstellung vereinfacht.
Die Torsionssteifigkeit in dem C-förmigen Rahmen wird geeigneterweise durch Anbringen von Versteifungsplatten 43 an seinen beiden Flachseiten erreicht, welche geeigneterweise, während der Rahmen einer Last ausgesetzt ist, mit den Rahmen-Tragteilen 12–17 und 24, 25 verbunden werden. Bei der Verbindung kann es sich um eine Klebverbindung, Nietverbindung oder Schraubverbindung oder Ähnliches handeln. Bei dem Material kann es sich um Stahl, Aluminium, faserverstärkte Kunststoffplatten oder gleichwertiges handeln.
Bei frühen Konstruktionsarbeiten hat es sich erwiesen, dass eine Rahmentragwerk-Konstruktion mit momentfreien Knotenpunkten aus Gewichtsgründen gegenüber einer Konstruktion vorzuziehen war, welche momentaufnehmende Knotenpunkte aufweist. Lösungen, welche momenttragende Knotenpunkte aufweisen, müssen relativ schwer und sperrig ausgeführt werden, um mit den schweren Lasten umgehen zu können. Es hat sich gezeigt, dass der Schlüssel zum Erreichen einer leichten und haltbaren Konstruktion ein derartiges Gestalten der Geometrie des Rahmentragwerks ist, dass sich alle in einen Knotenpunkt einlaufenden Stäbe in einem gemeinsamen Punkt treffen. Die ausgewählte Geometrie führte dazu, dass der C-Rahmen 11 durch eine Anzahl von miteinander verbundenen Dreiecken zusammengefügt ist, wobei zumindest eine Seite eines Dreiecks mit dem benachbarten Dreieck geteilt ist.
Da die spezifische Steifigkeit für Verbundmaterialien diejenige von Stahl übertrifft, ist es wünschenswert, einen so hoch wie möglichen Anteil an Verbundmaterial zu verwenden, um für die ausgewählte Steifigkeit das Gewicht zu minimieren. Das gewählte Konstruktionsprinzip mit im Wesentlichen momentfreien Knotenpunkten führt dazu, dass in dem äußeren Rahmen nur einachsige Lasten auftreten, d. h. Kompressionsverspannungen, wobei Verbundmaterial dafür besonders geeignet ist. Als Verbundmaterial können verschiedene Arten von verstärktem Kunststoff, z. B. kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, welcher einen spezifischen Elastiztäts-Koeffizienten von ungefähr 95 in der longitudinalen Richtung im Vergleich zu 25 für Stahl aufweist, was bedeutet, dass der Kohlenstofffaser-Rahmen fast viermal leichter als der entsprechende Stahlrahmen ist, verwendet werden. Da in den inneren Teilen des äußeren Rahmens auch kombinierte Lasten auftreten und Stahl ein kosteneffektiveres Konstruktionsmaterial ist, können diese Teile geeigneterweise aus Stahl oder einer Kombination aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehen, was bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für die Rahmen-Tragteile 24, 25 gewählt wurde, wobei der innere Teil des Rahmen-Tragteils ein Kohlenstofffaserträger 44 ist und die äußeren Teile Stahlstangen sind. Das Gewicht des gesamten Werkzeug-Halters beträgt ungefähr die Hälfte eines Stahlrahmens, der ein entsprechendes Leistungsverhalten aufweist.
Dies schließt jedoch nicht aus, dass ausgewählte Teile der Konstruktion durch Verbundmaterial ersetzt werden können, falls die Anforderungen für Verringerung des Gewichts und/ oder Steifigkeit und Stärke weiter erhöht werden.
Um die Eigenschaften des Materials zu optimieren, sind die Fasern entlang der Ausdehnung der Tragteile orientiert, d. h. longitudinal, was bedeutet, dass die Tragteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffplatten ausgesägt und in geeignete Längen zugeschnitten werden können, wodurch die Kosten für die teuersten Teile in der Konstruktion niedrig gehalten werden können. Das gewählte Konstruktionsprinzip erfordert keine speziellen Gießwerkzeuge, erlaubt jedoch Schalungsgießen und Modifizierung ohne hohe anfängliche Kosten.
Das in 6 und 7 gezeigte modifizierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem oben beschriebenen darin, dass mehrere Verbindungen durch feste Knotenpunkte ersetzt worden sind, jedoch unter Beibehaltung der Anforderung, dass alle Verbindungspunkte momentfrei sind. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Schwenkhalterungen 27, 28, 31 und 32 fest mit dem Rahmenelement 38 zu verbinden, so dass das in 7 gezeigte Erscheinungsbild erzielt wird. Die Knotenpunkte 18–22 sind fest in die Schwenkhalterungen integriert, so dass die Anzahl von zugehörigen Teilen reduziert wird. Das Rahmenelement 38 ist geeigneterweise aus Metall, zum Bespiel aus Stahl, hergestellt. Die inneren Rahmen-Tragteile 24 und 25 sind auf dieselbe Weise wie zuvor gelenkig mit dem Rahmenelement 38 verbunden.
Ein Nachteil der momentfreien Gestaltung aller Knotenpunkte besteht darin, dass der Werkzeug-Halter während einer Belastung so deformiert wird, siehe 8, dass die Verbindungsflächen der Anbringungseinheiten 33, 34 nicht parallel bleiben, sondern einen Winkel a mit der horizontalen Ebene bilden.
Wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Bearbeitungsverfahrens gestellt werden, d. h. dass beide Teile der Werkzeugeinheit, bei welchen es sich um eine Nieteinheit 45a und einen Nietknopf 45b handeln kann, sich während des Nietvorgangs im Wesentlichen in Ausrichtung befinden, oder mit anderen Worten, dass die Verbindungsflächen der Anbringungseinheiten 33, 34 im Wesentlichen parallel bleiben, kann das Prinzip mit den momentfreien Knotenpunkten oder Verbindungen nicht eingesetzt werden. Um die Deformationen des Cförmigen Werkzug-Halters unter Belastung kontrollieren zu können, ist es angemessen, dass Momente auf einen oder mehrere Knotenpunkte oder Stäbe ausgeübt werden, was dadurch erreicht wird, dass die Mittellinien 46 der in einem Knotenpunkt einlaufenden Stangen sich nicht in einem gemeinsamen Knotenpunkt treffen. Folglich sind nicht alle Knotenpunkte momentfrei.
In 9 ist dargestellt, wie die Deformation kontrolliert wird, um bestimmte Anforderungen, d. h. die oben genannte Parallelität, zu erreichen. Bei der Anbringungseinheit 33 ist der Knotenpunkt 47 der Mittellinie 46 nach außerhalb der Anbringung 33 verschoben, so dass bei Verwendung des Hebelarms 49, wenn zum Beispiel eine Nietlast, wie durch Pfeile 50 dargestellt, an den Anbringungseinheiten 33 und 34 angreift, ein Moment induziert wird.
Ferner wurde ein Moment auf die Knotenpunkte 21 und 22 appliziert, indem die Anbringungspunkte 48, 51 der Rahmen-Tragteile 14, 15, 16 entsprechend der Länge der Hebelarme 52 und 53 verschoben wurden. Dadurch werden die Rahmen-Tragteile 16, 25 und 13, 24 axial und durch Biegen deformiert. 10 gibt ein Beispiel dafür, wodurch die Parallelität der Verbindungsflächen der Anbringungseinheiten 33, 34 beibehalten werden kann.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Versteifungsplatten 43 weggelassen.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern etliche Variationen sind innerhalb des Umfangs der Ansprüche möglich. Demnach kann der Halter aus einer größeren oder kleineren Anzahl von dreieckförmigen Abschnitten bestehen und sind andere Konstruktionen von Knotenpunktverbindungen möglich.

Bezugsnummernliste

10: Werkzeug-Halter
11: äußerer C-Rahmen
12–17: äußere Rahmen-Tragteile
18–22: Knotenpunkte
23: innerer C-Rahmen
24, 25: innere Rahmen-Tragteile
26: Rahmen-Tragteil
27–32: Schwenkhalterungen
33, 34: Anbringungseinheiten
35: Verbindungsösen
36: Bohrungen
37: Verbindung/Schaft-Lagerzapfen
38: Rahmenelement
39: Halterbefestigungen
40: Führungsflansche
41: Druckbereiche
42: Endbereiche
43: Versteifungsplatte
44: Kohlenstofffaserträger
45: Werkzeugeinheit
45a: Nieteinheit
45b: Nietknopf
46: Mittellinie
47: erster Knotenpunkt
48: zweiter Knotenpunkt
49: Hebelarm
50: Kraftpfeile
51: dritter Knotenpunkt
52, 53: Hebelarm

Claims

Werkzeug-Halter (10) der Art, bei welcher der Halter einen im wesentlichen C-förmigen Rahmen umfasst, der vorzugsweise einen langen inneren Bereich hat, welcher Rahmen an seinen freien Schaftenden das Werkzeug, z. B. ein Nietwerkzeug, ein Verklebungswerkzeug oder eine Schweißeinheit trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (10) ein Fachwerk oder Rahmentragwerk umfasst, das einen äußere und einen inneren C-förmigen Rahmen (11, 23) und eine Anzahl von Schwenkhalterungen (27–32) enthält, die diese miteinander verbinden, dass die Rahmen (11, 23) und die Schwenkhalterungen (27–32) derart angeordnet sind, dass sie eine Anzahl von verbundenen Dreiecksabschnitten bilden, wobei die Verbindungspunkte (18–22, 37) derselben als Knotenpunkte oder Verbindungsstellen ausgeführt sind, und dass der äußere C-förmige Rahmen (11) angeordnet ist, um nur Schubkräfte aufzunehmen, und der innere Rahmen (23), um Schub- und Zugkräfte aufzunehmen, und die Schwenkhalterungen (27–32), um im wesentlichen Zugkräfte aufzunehmen, angeordnet sind.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungspunkte (18–22, 37) als momentfreie Knotenpunkte oder Verbindungsstellen ausgebildet sind.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Halter (10) auf zumindest einer Flachseite, vorzugsweise auf beiden Flachseiten eine Versteifungsplatte (43) angebracht ist.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere C-förmige Rahmen (11) aus einem Verbundmaterial, das einen hohen Elastizitäts-Koeffizienten hat, vorzugsweise aus kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere C-förmige Rahmen (11) aus einer Anzahl von stangenförmigen Rahmen-Tragteilen (12 –17) besteht, die über die Knotenpunkts (18–22) miteinander verbunden sind, die derart ausgeführt sind, dass sie die Enden der Tragteile seitlich führen.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäfte (24, 25) des inneren Cförmigen Rahmens (23) aus zumindest einem Tragteil aus Verbundmaterial und zumindest einem Verstärkungsteil, vorzugsweise aus Stahl, zusammengesetzt sind.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischenliegendes Teil (26) zwischen den Schäften des inneren C-förmigen Rahmens (23) aus einem dreieckigen Rahmenelement (38) besteht, in dem ein Anbringungsteil (39) zum Tragen des Halters (10) angeordnet ist.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Knotenpunkte (18–22) des Halters (10) als momentfreie, einachsige Verbindungsstellen ausgeführt sind.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der freien Enden des äußeren und des inneren Schafts (11, 23) mittels einer Anbringungseinheit(33, 39) mit dem jeweils anderen verbunden ist.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dreieckige Rahmenelement (38) mit fest verbundenen Schwenkhalterungen (27, 28, 31, 32) ausgeführt ist, die an deren freien Enden mit festen Knotenpunkten (18–22) versehen sind.
Werkzeug-Halter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenn Lastmomente in einem/einer oder mehreren Knotenpunkten und/oder Stangen verursacht werden, die Mittellinien (46) durch eines oder mehrere Rahmentragteile und/oder eine oder mehrere Schwenkhalterungen in einem Knotenpunkt derart angeordnet sind, dass sie sich nicht in einem gemeinsamen Knotenpunkt treffen.