Fügeeinheit

Die Erfindung betrifft eine Fügeeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Fügeeinheit ist aus der DE 203 05 789 Ul bekannt.

Die dort beschriebene Fügeeinheit weist einen Spindelantrieb zur Erzeugung einer Linearbewegung eines Fügewerkzeugs auf. Der Spindelantrieb ist von einem eine Spindel umschließenden Hohlwellenmotor gebildet.

Der Hohlwellenmotor ist als Elektroantrieb ausgebildet und weist einen Stator sowie einen fest mit der Spindel verbundenen Rotor auf. Durch den Rotor wird die Spindel in eine Drehbewegung versetzt.

Zur Generierung der Linearbewegung des Fügewerkzeugs ist ein Stößel vorgesehen, welcher die Unterseite eines rohrförmigen Gehäuseeinsatzes bildet, in dessen Innenraum ein Teilbereich der Spindel verläuft. An der Oberseite des Gehäuseeinsatzes ist eine Mutter vorgesehen, welche in ein Gewinde an der Mantelfläche der Spindel greift. Durch diese Kopplung wird die Drehbewegung der Spindel direkt in eine Längsbewegung des Stößels und damit des Fügewerkzeugs umgesetzt.

Ein Vorteil dieser Fügeeinheit besteht darin, dass zur Umsetzung der Drehbewegung des Spindelantriebs in eine Linearbewegung kein Getriebe benötigt wird.

Die Fügeeinheit weist somit einen einfachen und kostengünstigen Aufbau auf.

Ein wesentlicher Nachteil derartiger Fügeeinheiten besteht darin, dass deren Funktionssteuerung vorwiegend durch externe Einheiten erfolgt. Zwar sind in der Fügeeinheit selbst Positionssätze hinterlegt, die den Verlauf der Geschwindigkeit des Fügewerkzeugs in Abhängigkeit von Zielpositionen relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück vorgeben. Jedoch muss die Aktivierung des jeweiligen Positionssatzes durch eine externe Einheit wie zum Beispiel einer SPS- Steuerung erfolgen.

Weiterhin ist es bekannt, mit derartigen externen Einheiten eine Kraftabschaltung zum Schutz gegen Beschädigungen des Fügewerkzeugs oder des Werk- Stücks durchzuführen. Bei einer derartigen Kraftabschaltung wird bei überschreiten einer maximal zulässigen Kraft auf die Spindel über die externe Einheit ein Notstopp der Fügeeinheit ausgelöst. Aufgrund der für die Signalbearbeitung in der externen Einheit erforderlichen Zeit sowie der Zeit für die Signalübertragung zwischen der Fügeeinheit und der externen Einheit kann es vor- kommen, dass der Notstopp nicht rechtzeitig ausgelöst wird, was zu Beschädigungen von Komponenten der Fügeeinheit infolge zu hoher Kraftbeanspruchung führen kann.

Weiterhin ist ein System, bei welchem wesentliche Kontrollfunktionen durch externe Einheiten wahrgenommen werden, relativ komplex und damit für den Anwender schwer handhabbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fügeeinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, die neben einer hohen Funktionalität und Betriebssicherheit einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Fügeeinheit umfasst einen Spindelantrieb in Form eines eine Spindel umschließenden Hohlwellenmotors, welcher zur Erzielung einer Linearbewegung eines Fügewerkzeugs zur Durchführung eines Fügeprozesses dient. Die Fügeeinheit umfasst Mittel zur Vorgabe und/oder Bestimmung der beim Fügeprozess auftretenden Kräfte und/oder der Bewegung des Fügewerkzeugs.

Bei der erfindungsgemäßen Fügeeinheit sind die wesentlichen Funktionen, die zur Kontrolle und Vorgabe des Fügeprozesses benötigt werden, in der Fügeeinheit selbst integriert. Insbesondere ist die gesamte Ablaufsteuerung des Fü- geprozesses in der Fügeeinheit selbst integriert, so dass diese ein geschlossenes, weitgehend autarkes System bildet. Die so ausgebildete Fügeeinheit weist bei einem kompakten Aufbau eine hohe Funktionalität auf und ist zudem für eine Bedienperson einfach handhabbar.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Spindelantriebs in Form eines Hohlwellenmotors wird für den Antrieb des Fügewerkzeug kein Getriebe benötigt, so dass die Fügeeinheit ein kleines Bauvolumen aufweist und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin ist ein derartiger Antrieb gut regelbar und weist eine hohe Dynamik auf. Zudem ist beim Betrieb eines derartigen getriebelosen Antriebs keine eingangsseitige Drehzahleinschränkung gegeben. Weiterhin ist vorteilhaft, dass mit dem Getriebe ein Verschleißteil entfällt, welches gewartet werden müsste. Da ein Getriebe immer ein gewisses Getriebespiel aufweist, kann mit Fügeeinheiten, die Antriebe ohne Getriebe aufweisen, generell eine höhere Positioniereinheit erzielt werden als bei Systemen, die mit Getrieben arbeiten.

Besonders vorteilhaft sind wesentliche Funktionen zur Ablaufsteuerung und Kontrolle des Fügeprozesses in einem Controller des als Elektroantrieb ausgebildeten Hohlwellenmotors integriert.

Insbesondere können in diesem Controller nicht nur Positionssätze zur Vorgabe des zeitlichen Ablaufs des Fügeprozesses abgespeichert werden, vielmehr können die Positionssätze auch im Controller selbst aktiviert werden, so dass für die Ablaufsteuerung keine externe Einheiten benötigt werden.

Weiterhin können vom Controller Kontrollfunktionen zur überwachung beziehungsweise Dokumentation des Fügeprozesses übernommen werden, wobei hierbei im Controller Signale eines Drehgebers zur Bestimmung der aktuellen Drehposition der Spindel und eines Kraftsensors, der die Kräfte auf die Spindel beziehungsweise das Fügewerkzeug misst, ausgewertet werden.

Hierbei kann insbesondere zur Dokumentation und Prüfung der Qualität des Fügeprozesses im Controller eine Kraft- Weg-Auswertung vorgenommen werden.

Weiterhin kann im Controller eine Kraftregelung integriert sein, mittels derer bei Auftreten hoher Kraftspitzen Beschädigungen von Komponenten der Fü- geeinheiten vermieden werden. Besonders vorteilhaft wird die Kraftregelung derart durchgeführt, dass neben einer Geschwindigkeitsregelung auch die innerhalb des aktuell aktivierten Positionssatzes vorgegebene, mit dem Fügewerkzeug anzufahrende Zielposition entgegen der aktuellen Verfahrrichtung geändert wird. Dadurch wird ein Rückfahren des Fügewerkzeugs eingeleitet und dadurch bedingt ein Auflaufen des Fügewerkzeugs auf ein Hindernis verhindert.

Da die Kraftregelung im Controller des Elektroantriebs integriert ist und damit hierfür keine externe Einheiten benötigt werden, ist gewährleistet, dass die Kraftregelung sehr schnell erfolgen kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Fügeeinheit eine Endabschaltung auf, die zu einem Abschalten des Elektroantriebs bei Auftreten unzulässig hoher Kräfte führt und so die Fügeeinheit gegen Beschädigungen

schützt. Besonders vorteilhaft weist die Endabschaltung eine Federlagerung des Kraftsensors auf, wobei unzulässig hohe Kräfte durch Einfedern der Federlagerung erkannt werden. Die so ausgebildete Endabschaltung weist nicht nur einen einfachen, robusten Aufbau auf, sondern schützt zugleich den Kraftsensor ge- gen Beschädigungen.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Fügeeinheit eine Haltebremse auf, mittels derer auch bei einem Netzausfall und bei einem hohen Gewicht des Fügewerkzeugs gewährleistet ist, dass die Spindel sicher in ihrer Sollposition gehalten wird.

Besonders vorteilhaft weist die Fügeeinheit hinsichtlich ihrer mechanischen Komponenten einen modularen Aufbau auf. Insbesondere das den Elektroan- trieb und die Spindel aufnehmende Gehäuse sowie die Spindeln bilden modula- re Einheiten, so dass die Fügeeinheit ohne großen Aufwand für unterschiedliche Hübe der Fügewerkzeuge konfiguriert werden kann.

Die erfindungsgemäße Fügeeinheit ist universell für Fügeprozesse aller Art einsetzbar. Dabei kann mit der Fügeeinheit insbesondere ein Fügen auf Position durchgeführt werden, bei welchem ein Teil, wie zum Beispiel ein Lager, in eine Aufnahme, wie zum Beispiel einen Lagersitz, bis zu einer vorgegebenen Einfuhrtiefe eingefügt wird. Weiterhin kann mit einer Fügeeinheit ein Fügen auf Block durchgeführt werden, bei welchem ein Teil bis zu einem Bund oder allgemein einem Anschlag in eine Aufnahme eingefügt wird.

Des Weiteren kann die Fügeeinheit zu umformtechnischen Fügeverfahren, sogenannten Durchsetzfügen oder Clinchen eingesetzt werden. Bei derartigen Fügeverfahren werden formschlüssige Verbindungen durch Durchsetzen von mindestens zwei Fügeteilen hergestellt. Das Durchsetzen erfolgt in Verbindung mit einem Einschneiden oder Einpressen und anschließenden Kaltstauchen der Fügeteile.

Generell kann der erfindungsgemäße Spindelantrieb auch zur Erzeugung von Linearbewegungen weiterer Werkzeuge genutzt werden.

Weiterhin kann die Fügeeinheit zum Taumelnieten oder Prägen von Teilen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : Perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer

Fügeeinheit.

Figur 2: Schematische Darstellung des zeitlichen Ablauf eines mit der

Fügeeinheit gemäß Figur 1 durchgeführten Fügeprozesses.

Figur 3 : Fahrpro fil des Fügewerkzeugs der Fügeeinheit für den Fügepro- zess gemäß Figur 2.

Figur 4: Beispiel eines Kraft- Weg-Diagramm für einen mit der Fügeein- heit gemäß Figur 1 durchführbaren Fügeprozesses.

Figur 5: Schematische Darstellung der Komponenten einer Endabschaltung für die Fügeeinheit gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fügeeinheit 1. Die Fügeeinheit 1 ist in einem rotationssymmetrischen Gehäuse 2 integriert.

Im Innenraum des Gehäuses 2 ist eine Spindel 3 angeordnet, deren Längsachse in der Symmetrieachse des Gehäuses 2 verläuft. Die Spindel 3 ist bevorzugt von einer Kugelrollspindel oder einem Planetenrollantrieb gebildet.

Der Antrieb der Spindel 3 erfolgt mittels eines Hohlwellenmotors 4 und damit ohne Einsatz eines Getriebes. Der Hohlwellenmotor 4 ist als Elektroantrieb ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist der Elektroantrieb als Servomotor ausgebildet. Der Stator 4a des Elektroantriebs ist an der Innenwand des Gehäuses 2 konzentrisch zur Spindelachse angeordnet. Mit der Spindel 3 ist ein rohrförmi- ger Körper 5 fest verbunden. Der rohrförmige Körper 5 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, wobei dessen Mantelfläche konzentrisch zur Spindel 3 und in vorgegebenem Abstand zu dieser angeordnet ist. An einer Stirnfläche weist der rohrförmige Körper 5 ein fianschförmiges Anschlussstück 5a auf, mit welchem der rohrförmige Körper 5 mit der Spindel 3 fest verbunden ist. Mit dem anderen längsseitigen Ende ist der rohrförmige Körper 5 mittels eines Lagers 6 drehbar gelagert.

Auf der Außenseite des rohrförmigen Körpers 5 ist der Rotor 4b in Form einer Anordnung von Permanentmagneten aufgebracht. Der Rotor 4b liegt dem Stator 4a des Elektroantriebs gegenüber.

An das freie längsseitige Ende der Spindel 3 schließt ein koaxial zu dieser verlaufender und fest mit dieser verbundener Stößel 7 an, der in einer Führungs- buchse 8 geführt wird, wobei die Führungsbuchse 8 im vorderen Bereich des Gehäuses 2 gelagert ist. Das vordere längsseitige Ende des Stößels 7 steht über die Stirnseite des Gehäuses 2 hervor. An diesem freien Ende des Stößels 7 ist ein Fügewerkzeug 9 zur Durchführung eines Fügeprozesses angeordnet.

Mittels des Elektroantriebs wird die Spindel 3 über den rohrförmigen Körper 5 in eine Drehbewegung versetzt. Diese Drehbewegung der Spindel 3 wird durch die Führungsbuchse 8 in eine in Richtung der Längsachse des Stößels 7 gerichtete Verschiebebewegung des Stößels 7 umgesetzt, da die Führungsbuchse 8 nicht nur eine Führung, sondern auch einen Verdrehschutz für den Stößel 7 bildet. Durch diese Linearbewegung des Stößels 7 führt das Fügewerkzeug 9 eine entsprechende Hubbewegung zur Durchführung eines Fügeprozesses aus.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist im hinteren Bereich des Gehäuses 2 eine scheibenförmige Haltebremse 10 vorgesehen. Durch die Haltebremse 10 wird die Spindel 3 sicher in ihrer Position insbesondere auch dann gehalten, wenn das Fügewerkzeug 9 ein hohes Gewicht aufweist beziehungsweise wenn der Antrieb bei einem Netzausfall ausfällt.

An das hintere Ende des rohrförmigen Gehäuses 2 schließt ein Gehäuseansatz 1 1 an, an welchem Anschlüsse zum Anschluss eines nicht gesondert dargestell- ten Controllers vorgesehen sind. Der Controller ist Bestandteil des Elektroan- triebs und dient zu dessen Steuerung.

Weiterhin übernimmt der Controller auch die Steuerung der gesamten Steuereinheit. Hierzu werden Signale eines im Gehäuseansatz integrierten Drehgebers in den Controller eingelesen. Mit dem Drehgeber erfolgt die Bestimmung der aktuellen Winkelposition der Spindel 3 sowie deren Drehzahl. Zudem ist ein den Stößel 7 umschließender Kraftsensor 12 vorgesehen, dessen Signale ebenfalls in den Controller eingelesen werden. Mit dem Kraftsensor 12 werden die auf den Stößel 7 und damit die auf das Fügewerkzeug 9 beziehungsweise die Spindel 3 wirkenden Kräfte bestimmt. Der Kraftsensor 12 kann als Sensorelemente Dehnmessstreifen oder Piezosensoren aufweisen.

Im Controller erfolgt die Ablaufsteuerung des mit der Fügeeinheit 1 durchzuführenden Fügeprozesses. Zur Ablaufsteuerung sind im Controller Positions- sätze als Betriebsparameter abgespeichert, wobei zur Vorgabe des Fügeprozesses einzeln nacheinander in dem Controller bestimmte Positionssätze aktiviert werden. Ein Positionssatz beinhaltet jeweils die mit dem Fügewerkzeug 9 auszufahrende Zielposition sowie die Geschwindigkeit des Fügewerkzeugs 9, mit welcher die Zielposition angefahren wird.

Ein Beispiel für einen derartigen Fügeprozess ist in den Figuren 2 und 3 veranschaulicht. Figur 2 zeigt die mit a bis f bezeichneten unterschiedlichen Phasen des Fügeprozesses. Figur 3 zeigt die für diese Phasen unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Fügewerkzeugs 9.

In Figur 1 ist für die einzelnen Phasen a bis f des Fügeprozesses jeweils die Position und gegebenenfalls Bewegung der Fügeeinheit 1 mit dem Fügewerkzeug 9 relativ zu einer Halterung 13, die zur Aufnahme des zu bearbeitenden Werkstücks 14 dient, dargestellt.

Der Fügeprozess startet aus einer Grundstellung der Fügeeinheit 1 heraus (Phase a), in welcher das Fügewerkzeug 9 nicht bewegt wird und in Abstand zur Halterung 13 angeordnet ist.

In der darauffolgenden Phase b wird ein Positionssatz 0 aktiviert, so dass das Fügewerkzeug 9 wie in den Figuren 2, 3 dargestellt, mit einer ersten, im Positionssatz definierten Geschwindigkeit auf die Halterung 13 ohne Werkstück 14 zugeführt wird. Diese Phase ist mit Leerhub 1 bezeichnet.

In Phase c (Fügen 1 ) wird ein Fügeprozess simuliert und dabei das Fügewerkzeug 9 in die Halterung 13 mit einer zweiten, im Positionssatz 1 festgelegten Geschwindigkeit eingeführt.

Darauf folgt Phase d (Leerhub 2), in welcher das Fügewerkzeug 9 mit einer im Positionssatz 2 definierten Geschwindigkeit bewegt wird.

In Phase e (Fügen 2) erfolgt ein Fügen des Werkstücks 14 mit der im Positionssatz 3 festgelegten Geschwindigkeit.

Danach erfolgt in Phase f ein Rückhub mit einer im Positionssatz 4 definierten Geschwindigkeit. Hier wird das Fügewerkzeug 9 wieder aus der Halterung 13 herausgefahren.

In dem Controller des Elektroantriebs wird zudem auch eine Kraft-Weg- Auswertung übernommen. Hier wird durch Auswertung der Signale des Drehgebers und des Kraftsensors der Kraftverlauf in Abhängigkeit des vom Fügewerkzeug 9 zurückgelegten Wegs ermittelt. Zur Visualisierung dieses Kraftverlaufs können die entsprechenden Daten vom Controller an eine externe Einheit ausgegeben werden. Ein Beispiel eines derartigen Diagramms ist in Figur 3 dargestellt. Derartige Kraft- Weg- Verläufe dienen zur überprüfung und Kontrolle der Qualität des Fügeprozesses. Bei dem Beispiel gemäß Figur 3 sind zwei Toleranzbänder Ti, T ₂ vorgegeben. Ein fehlerfreier Fügeprozess liegt dann vor, wenn innerhalb vorgegebener Wegbereiche die entsprechende Kraft innerhalb der Toleranzbänder liegt.

In dem Controller ist weiterhin eine Kraftregelung integriert. Bei dieser Kraftregelung wird die Geschwindigkeit und auch die aktuelle Zielposition in dem aktuellen Positionssatz verändert, wenn die mit dem Kraftsensor 12 gemessene Kraft einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Besonders vorteilhaft wird dabei die Zielposition entgegen der aktuellen Verfahrrichtung des Fügewerkzeugs 9 geändert. Die Geschwindigkeitsänderung und die Zielpositionsänderung erfolgt dabei in einem applikationsspezifisch vom Bediener vorgegebenen Rahmen. Eine den Schwellwert überschreitende Kraft tritt beispielsweise auf, wenn das Fügewerkzeug 9 gegen ein Hindernis aufläuft. Da die Zielposition entgegen der Verfahrrichtung des Fügewerkzeugs 9 geändert wird, wird durch die Kraftregelung erreicht, dass das Fügewerkzeug 9 zurückgefahren wird und so dem Hindernis ausweicht, wodurch Beschädigungen von Komponenten der Fügeeinheit 1 vermieden werden, das heißt es wird ein überlast- schütz für die Fügeeinheit 1 realisiert.

Figur 5 zeigt ein Beispiel einer Endabschaltung 15, die in der Fügeeinheit 1 gemäß Figur 1 integriert werden kann. In Figur 5 ist ein die Spindel 3 der Fügeeinheit 1 umschließender Kraftsensor 12 dargestellt. Alternativ kann dieser wie in Figur 1 dargestellt, den Stößel 7 umschließen.

Der Kraftsensor 12 gemäß Figur 5 ist mittels einer Federlagerung federnd gelagert. Die Federlagerung besteht aus zwei Federpaketen 16a, b, die in axialer Richtung der Spindel 3 beidseits des Kraftsensors 12 angeordnet sind. Jedes Federpaket 16a, b weist in einer Kammer 17a, b gelagerte Federn 18a, b auf, wobei der Boden 19a, b einer Kammer 17a, b gegen das Oberteil der Kammer 17a, b gegen die Federkräfte verschiebbar ist.

Die Federn 18a, b der Federpakete 16a, b sind jeweils mit einer Vorspannkraft vorgespannt, wobei die Vorspannkräfte jeweils einem Grenzwert entsprechen. Der Grenzwert G ist dabei definiert als

G - N + T

wobei N die Nennfügekraft und T ein positiver Toleranzwert ist.

Jedem Federpaket 16a, b ist ein Schalter 20a, b zugeordnet, wobei im vorliegenden Fall die Schalter 20a, b als öffner ausgebildet sind. Die Signale der Schalter 20a, b sind auf einen Inverter 21 geführt und werden über diesen in den Controller eingelesen.

überschreitet die auf den Kraftsensor 12 wirkende Kraft den Grenzwert, so werden je nach Kraftrichtung die Federn 18a, b des ersten oder zweiten Federpakets 16a, b eingefedert, wodurch der Schalter 20a oder b des jeweiligen Federpakets 16a oder b anspricht. Dieses Signal wird in den Controller eingele- sen, worauf dieser einen Notstopp der Fügeeinheit 1 durchführt. Durch diese

Endabschaltung erfolgt ein Schutz der Fügeeinheit 1 gegen die Nennfügekraft überschreitende Kraftspitzen.

Mit der Endabschaltung 15 kann insbesondere der Kraftsensor 12 gegen über- last geschützt werden. Bei einer als Kugelrollspindel ausgebildeten Spindel wird zudem auch diese gegen überlast geschützt.