Setzsystem

Die Erfindung betrifft ein Setzsystem mit einem Setzkopf mit hubverstellbarem Setzstempel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .

In der Serienfertigung im Fahrzeugbau wird zum Beispiel beim Setzen eines Grobgewindebolzens ein Setzgerät eingesetzt, das am distalen Ende eines Roboterarms angeordnet ist. Das Setzgerät kann Bestandteil eines geschlossenen Setzsystems sein, bei dem der Setzkopf und ein Gegenhalter mit Matrize in einem biegesteifen C-Bügel integriert sind. Im Setzprozess wird zumindest ein Bauteil mit Hilfe eines Niederhalters zwischen dem Setzkopf und dem Gegenhalter geklemmt. Anschließend treibt ein im Setzkopf angeordnete Setzstempel das Setzelement (zum Bespiel ein Halbhohlstanzniet) in das Bauteil ein. Die am Gegenhalter befindliche Matrize unterstützt einen Aufspreizbewegung des Setzelementes im Bauteilmaterial. Bei einem solchen Setzgerät bildet der C-Bügel einen geschlossenen Kraftkreis, bei dem eine zur Setzrichtung gegenläufige Ausweichbewegung beziehungsweise Rückfederbewegung des Setzkopfes während des Setzprozess betriebssicher verhindert ist. Der C-Bügel erfordert jedoch eine beidseitige Werkzeugzugänglichkeit der Fügestelle.

In Abgrenzung dazu bildet ein gattungsgemäßes Setzsystem ein offenes System, bei dem der Setzkopf nicht in einem C-Bügel mit Gegenhalter integriert ist. Vielmehr sind der Setzkopf und ein Gegenhalter, der auf der, der Setzseite gegenüberliegenden Bauteilseite angeordnet ist, zueinander kraftübertragungsfrei. In diesem Fall besteht das Setzgerät nur aus dem Setzkopf, so dass kein geschlossener Kraftkreis zwischen dem Setzkopf und einem Gegenhalter vorliegt. Im Setzprozess kann es daher zu einer, zur Setzrichtung gegenläufigen Ausweichbewegung oder Rückfederung des Setzkopfes kommen, wodurch das Setzergebnis beeinträchtigt werden kann.

Um eine solche Beeinträchtigung des Setzergebnisses zu verhindern, arbeitet ein aus dem Stand der Technik bekannter Setzkopf mit einer übermäßig großen Setzkraft. Auf diese Weise ist trotz Setzkopf-Rückfederung ein einwandfreies Setzergebnis gewährleistet, und zwar in unterschiedlicher Setzkopf- Ausrichtung, das heißt in einer Normalposition mit einer Setzrichtung von oben nach unten, in einer Kopfüber-Position mit einer Setzrichtung von unten nach oben sowie in einer Position mit ausgestrecktem Roboterarm.

Bei einem solchen offenen Setzsystem ist daher ein übermäßig großer Energieeinsatz für einen einwandfreien Setzprozess erforderlich. Zudem ist das Setzsystem aufgrund seiner übermäßig großen Setzkraft nur für massive Bauteile geeignet, nicht jedoch für filigranere Bauteile, die aufgrund übermäßig großer Setzkraft beschädigt werden können.

Aus der DE 10 2006 002 237 A1 und aus der DE 10 2014 007 554 A1 sind jeweils ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Überwachen eines Setzbolzen-Fügeprozesses bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Setzsystem bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Energieaufwand arbeitet und/oder bei filigraneren Bauteilen einsetzbar ist. Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Die Erfindung geht von einem Setzsystem mit einem Setzkopf mit hubverstellbarem Setzstempel aus. Der Setzstempel treibt in einem Setzprozess ein Setzelement in einer Setzrichtung sowie mit einer Setzkraft in zumindest ein Bauteil ein. Zudem weist das Setzsystem eine Steuereinheit auf. Diese erzeugt im Setzprozess auf der Grundlage von Soll-Setzparametern ein Setzsignal, mit dem ein Druckgenerator ansteuerbar ist, der den Setzstempel über einen Setzweg sowie mit einer Setzgeschwindigkeit antreibt. Gemäß dem kennzeichneten Teil des Anspruches 1 weist das Setzsystem eine Sensoreinrichtung auf. Diese erfasst im Setzprozess eine Ausweichbewegung des Setzkopfes und/oder eine Ausweichbewegung des Bauteils. Die Steuereinheit weist zumindest einen Korrekturbaustein auf, der auf der Grundlage der erfassten Ausweichbewegung das Setzsignal anpasst, mit dem der Druckgenerator ansteuerbar ist. Beispielsweise erfasst die Sensoreinrichtung eine zur Setzrichtung gegenläufige Rückfederung des Setzkopfes. Die Steuereinheit weist zumindest einen Korrekturbaustein auf, der auf der Grundlage der erfassten Setzkopf-Rückfederung das Setzsignal anpasst, mit dem der Druckgenerator ansteuerbar ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Sensoreinrichtung eine Ausweichbewegung des Bauteils erfassen. In diesem Fall kann der Korrekturbaustein auf der Grundlage der erfassten Bauteil-Ausweichbewegung das Setzsignal anpassen, mit dem der Druckgenerator ansteuerbar ist.

Erfindungsgemäß wird somit der Setzstempel mit Hilfe eines kombinierten Kraft- Wegmesssystems überwacht und gesteuert. Auf diese Weise kann der tatsächlich vom Setzstempel zurückgelegte Setzweg ermittelt werden, und zwar unabhängig von Rückfederungen des Setzkopfes beziehungsweise des Roboterarms, die zum Beispiel durch Beaufschlagung der Setzkraft auf das Setzelement hervorgerufen werden. Mit der Erfindung kann während des Setzprozesses kontinuierlich ein dynamischer Abstand zwischen dem Setzkopf und der Bauteiloberfläche gemessen werden. Dieser Messwert wird mit dem Setzweg des Setzstempels online, das heißt während des Setzprozesses, verrechnet. Daraus ergibt sich der tatsächlich zurückgelegte Setzweg des Setzelementes sowie dessen Setzgeschwindigkeit. Aus den erfassten Daten kann der Setzweg und die Setzgeschwindigkeit online gesteuert/geregt werden. Zudem kann im erfindungsgemäßen Setzsystem auch die während des Setzprozesses auf das Setzelement wirkende Setzkraft ermittelt werden und online, das heißt kontinuierlich, geregt werden, und zwar über den kompletten Setzweg. Als Setzstempel-Antrieb kann zum Beispiel ein autarkes Hydrauliksystem eingesetzt werden, das im Setzkopf integriert ist. Vorteilhaft weist der Setzstempel eine geringere Masse auf, um eine exakte Steuerung des Setzprozesses sowie eine schnelle Beschleunigung des Setzstempels zu ermöglichen und um ein schwungmassenbedingtes Setzstempel-Nachdrücken bei abgeschlossenem Setzvorgang zu vermeiden.

Nachfolgend werden Aspekte der Erfindung im Einzelnen beschrieben: So kann die Sensoreinrichtung eine Weg-/Geschwindigkeitserfassung sein. Mittels der Sensoreinrichtung kann während des Setzprozesses eine Relativgeschwindigkeit erfasst werden, mit der sich der Setzkopf und das Bauteil auseinanderbewegen. Zudem kann ein Relativweg erfasst werden, über den sich der Setzkopf und das Bauteil im Setzprozess auseinanderbewegen.

In einer technischen Umsetzung kann ein Soll-Setzparameter die Soll- Setzgeschwindigkeit oder eine damit korrelierende Größe sein. In dem Korrekturbaustein kann auf der Grundlage der Soll-Setzgeschwindigkeit und der Relativgeschwindigkeit (zum Beispiel Setzkopf-Rückfedergeschwindigkeit) eine korrigierte Soll-Setzgeschwindigkeit (oder eine damit korrelierende Größe) ermittelt werden, auf dessen Grundlage das den Druckgenerator ansteuernde

Setzsignal erzeugt wird.

Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Soll-Setzparameter der Soll-Setzweg oder eine damit korrelierende Größe sein. Diese wird in dem Korrekturbaustein auf der Grundlage des Soll-Setzweges und des erfassten Relativwegs (zum Beispiel Setzkopf-Rückfederweg) ein korrigierter Soll-Setzweg ermittelt werden, auf dessen Grundlage das den Druckgenerator ansteuernde Setzsignal erzeugt wird.

Die Erfindung ist insbesondere bei einem offenen Setzsystem anwendbar, bei dem der Setzkopf nicht in einem C-Bügel mit Gegenhalter integriert ist, sondern vielmehr der Setzkopf und ein Gegenhalter zueinander kraftübertragungsfrei sind, der auf der, der Setzseite gegenüberliegenden Bauteilseite angeordnet ist.

Von besonderer Bedeutung ist es, wenn das Setzsystem komplett selbstregelnd ausgelegt ist. Vor diesem Hintergrund kann das Setzsystem zusätzlich eine Setzkrafterfassung aufweisen, mittels der im Setzprozess eine auf das Setzsystem wirkende Ist-Setzkraft erfasst werden kann. Die Steuereinheit kann einen Vergleicherbaustein aufweisen, der die erfasste Ist-Setzkraft mit einem Grenzwert vergleicht. Bei einer im Vergleich zum Grenzwert signifikant größeren Ist-Setzkraft kann die Steuereinheit ein Abschaltsignal erzeugen, mit dem der Setzprozess beendet wird und entsprechend der Setzhebel wieder in seine Ausgangslage zurückgestellt wird. In der Ausgangslage wird dem Setzkopf ein neues Setzelement zugeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Weg-/Geschwindigkeitserfassung des Setzkopfes mechanisch erfolgen. In diesem Fall kann die Sensoreinrichtung zumindest ein Sensorelement aufweisen, das am Setzkopf hubverstellbar in Setzrichtung gelagert ist und in einem am Setzkopf befestigten Sensorbaustein zusammenwirkt. Der Sensorbaustein kann in Signalverbindung mit der Steuereinheit sein. Zum Start des Setzprozesses ist das Setzelement bis in, insbesondere verformungsfreiem Kontakt mit einer Bauteiloberfläche positioniert. Zum Setzprozess-Start kann das hubverstellbare Sensorelement ebenfalls in Kontakt mit der Bauteiloberfläche positioniert sein. Damit eine Relativbewegung (das heißt Rückfederung des Setzkopfes und/oder eine Bauteil-Ausweichbewegung) während des Setzprozesses erfassbar ist, bleibt das Sensorelement während des Setzprozesses in Kontakt mit der Bauteiloberfläche. Hierzu kann das Sensorelement unter Federvorspannung auf der Bauteiloberfläche abgestützt sein. In diesem Fall kann bei einer Relativbewegung (das heißt Setzkopf- Rückfederung und/oder Bauteil-Ausweichbewegung) sich das Sensorelement um einen, vom Sensorbaustein erfassten Hubweg aus dem Setzkopf herausbewegen. Der vom Sensorbaustein erfasste Hubweg entspricht dem Relativweg, über den sich der Setzkopf und das Bauteil im Setzprozess auseinanderbewegen .

In einer Ausführungsvariante können mehrere Sensorelemente, zum Beispiel drei Sensorelemente, in Umfangsrichtung verteilt um den Setzstempel angeordnet sein. In diesem Fall kann zusätzlich eine Schrägstellung des Setzkopfes mit Bezug auf die Bauteiloberfläche erfasst werden. Alternativ dazu kann das Sensorelement eine Weg-/Positionshülse sein, die bevorzugt konzentrisch zur Setzachse angeordnet ist und/oder den Setzstempel radial außen umzieht.

Erfindungsgemäß können während der Setzprozess-Zeitdauer die, die Relativbewegung betreffenden Parameter, insbesondere die Rückfedergeschwindigkeit und/oder der Rückfederweg, kontinuierlich erfasst werden. Dabei kann das den Druckgenerator ansteuernde Setzsignal auf der Grundlage der Rückfeder-Parameter während der Setzprozess-Zeitdauer kontinuierlich angepasst werden.

Erfindungsgemäß kann daher noch während des Setzvorgangs selbststätig schnell nachgesteuert werden. Damit wird vor allem erreicht, dass die Setzelemente reproduzierbar stets mit gleicher Setzgeschwindigkeit in das Bauteil eingetrieben werden können, und zwar in jeglicher Ausrichtung des Setzkopfes, das heißt in einer Normalposition mit einer Setzrichtung von oben nach unten, einer Kopfüber-Position mit einer Setzrichtung von unten nach oben sowie in einer Position mit ausgestrecktem Roboterarm.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Setzkopf mit zugeordneter Steuereinheit;

Fig. 2 bis 5 jeweils Ansichten, anhand derer ein Setzprozess veranschaulicht ist.

In der Figur 1 ist ein Setzgerät gezeigt, das an einem distalen Ende eines Roboterarms 2 angeordnet ist und mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Robotersteuerung bis zu einer Fügestelle verstellt ist, in der ein Setzelement 1 (zum Beispiel ein Grobgewindebolzen) in ein Bauteil 3 während eines Setzprozesses eingetrieben werden soll.

Das Setzgerät besteht gemäß der Figur 1 nur aus einem Setzkopf 5 mit einem hubverstellbaren Setzstempel 7. Dieser treibt im Setzprozess das Setzelement 1 in einer Setzrichtung S sowie mit einer Setzkraft F in das Bauteil 3 ein. Dem Setzkopf 5 ist eine Steuereinheit 9 zugeordnet. Die Steuereinheit 9 erzeugt anhand von Soll-Setzparametern FSOLL, VSOLL, SSOLL ein Setzsignal SF, mit dem ein im Setzkopf 5 integrierter Druckgenerator 11 ansteuerbar ist, dem in der Figur 1 eine Hydraulikeinheit mit einem Hydraulikzylinder 13 zugeordnet ist. Bei Ansteuerung der Hydraulikeinheit wird der Hydraulikzylinder 13 mit Hydraulikdruck beaufschlagt, wodurch dessen Zylinderkolben 15 den hülsenförmigen Setzstempel 7 in Setzrichtung S antreibt.

Im Zylinderkolben 15 ist eine Kraftmessdose 17 integriert, die während des Setzprozesses eine Ist-Setzkraft Fist erfasst. Die Kraftmessdose 17 ist mit eine Vergleicherbaustein 18 in der Steuereinheit 9 in Signalverbindung. Zum Setzprozess-Ende drückt der Setzstempel 7 einen Ringbund 19 des Setzelementes 1 in Anlage mit der Bauteiloberfläche. Dadurch steigt die in der Kraftmessdose 17 erfasste Ist-Setzkraft Fist schlagartig an. Übersteigt die von der Kraftmessdose 17 erfasste Ist-Setzkraft Fist einen im Vergleicherbaustein 18 hinterlegten Grenzwert FG, SO wird ein Abschaltsignal Saus erzeugt, wodurch der Setzprozess beendet und der Setzstempel 7 in seine zurückgesetzte Position (Figur 2) rückgestellt wird.

Der Kern der Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung 21 zur Weg-/Geschwindigkeitserfassung der Relativbewegung zwischen dem Setzkopf 5 und dem Bauteil 3 während des Setzprozesses. Die Sensoreinrichtung 21 weist eine in Setzrichtung S hubverstellbare Weg-/Positionshülse 23 auf, die konzentrisch zur Setzachse angeordnet ist und den Setzstempel 7 umzieht. In der Figur 1 ist die Weg-/Positionshülse 23 in einer Setzkopf-Führung 25 hubverstellbar geführt. Zudem ist die Weg-/Positionshülse 23 im Setzkopf 5 gegen eine Vorspannfeder 27 abstützbar. Die Weg-/Positionshülse 23 wirkt mit einem ortsfest am Setzkopf 5 angeordneten Sensorbaustein 29 zusammen, der in Signalverbindung mit der Steuereinheit 9 ist. Nachfolgend wird anhand der Figuren 2 bis 5 ein Setzvorgang beschrieben: In der Figur 2 ist der Setzkopf 5 noch außer Eingriff mit der Bauteiloberfläche gezeigt. Mittels der Robotersteuerung wird der Setzkopf 5 bis zu einer (zum Beispiel in einem Teach-In-Prozess) vordefinierten Fügestelle verstellt, wie es in der Figur 3 gezeigt ist. In der Figur 3 ist die Weg-/Positionshülse 23 federvorgespannt auf der Bauteiloberfläche abgestützt. Zudem drückt der Setzstempel 7 das Setzelement 1 mit seiner Elementspitze 31 verformungsfrei bis in Kontakt mit der Bauteiloberfläche. In diesem Zustand startet der Setzprozess. Während des Setzprozesses kommt es gemäß der Figur 4 beispielhaft zu einer, zur Setzrichtung S gegenläufigen Rückfederung R des Setzkopfes 5, bei der sich der Setzkopf 5 mit einer zum Setzweg s gegenläufigen Rückfederweg SRF sowie mit einer Rückfedergeschwindigkeit VRF nach oben bewegt. Mit Hilfe der Sensoreinrichtung 21 wird während des Setzprozesses der Rückfederweg SRF des Setzkopfes 5 sowie die Rückfedergeschwindigkeit VRF des Setzkopfes 5 erfasst.

Die Rückfederung R des Setzkopfes 5 führt zu einer Relativbewegung (das heißt Relativgeschwindigkeit sowie Relativweg) zwischen dem Setzkopf 5 und dem Bauteil 3, die von der Sensoreinrichtung 21 erfassbar ist. Die Relativbewegung zwischen dem Setzkopf 5 und dem Bauteil 3 kann alternativ und/oder zusätzlich auch durch eine Ausweichbewegung A (Figur 4) des Bauteils 3 nach unten erzeugt werden.

Wie aus der Figur 1 hervorgeht, wird auf der Grundlage der erfassten Setzkopf- Rückfedergeschwindigkeit VRF (oder allgemein: Relativgeschwindigkeit) und der Soll-Setzgeschwindigkeit VSOLL eine korrigierte Soll-Setzgeschwindigkeit VK ermittelt; dies erfolgt in einem Korrekturbaustein 35 der Steuereinheit 9. Im Korrekturbaustein 35 der Steuereinheit 9 wird der Betrag der erfassten Setzkopf-Rückfedergeschwindigkeit VRF auf die Soll-Setzgeschwindigkeit VSOLL addiert, woraus sich die korrigierte Soll-Setzgeschwindigkeit VSOLL ergibt. Beispielhaft liegt die Soll-Setzgeschwindigkeit VK bei 20 m/s, während der Betrag der erfassten Setzkopf-Rückfedergeschwindigkeit VRF bei 5 m/s liegt. Daraus ermittelt der Korrekturbaustein 35 der Steuereinheit 9 eine korrigierte Soll-Setzgeschwindigkeit VK von 25 m/s. In gleicher Weise wird in einem weiteren Korrekturbaustein 33 der Steuereinheit 9 auf der Grundlage des

Betrags des Setzkopf-Rückfederwegs SRF (oder allgemein: Relativweg) und des Soll-Setzwegs SSOLL ein korrigierter Soll-Setzweg SK ermittelt. Auf Basis dieser korrigierten Parameter wird in einem Signalerzeugungsbaustein 37 der Steuereinheit 9 ein Setzsignal SF generiert, mit dem der Druckgenerator 11 angesteuert wird.

In der Figur 5 ist der Setzkopf 5 zum Ende des Setzprozesses gezeigt, bei dem das Setzelement 1 einwandfrei in das Bauteil 3 eingetrieben ist und der Ringbund 19 des Setzelements 1 auf der Bauteiloberfläche sitzt.

Bezuqszeichenliste

1 Setzelement

2 Roboterarm

3 Bauteil

5 Setzkopf

7 Setzstempel

9 Steuereinheit

11 Hydraulikeinheit

13 Hydraulikzylinder

15 Zylinderkolben

17 Kraftmessdose

19 Ringbund

18 Vergleicherbaustein

21 Sensoreinrichtung

23 Weg-/Positionshülse

25 Setzkopf-Führung

27 Vorspannfeder

29 Sensorbaustein

31 Elementspitze

33 erster Korrekturbaustein

35 zweiter Korrekturbaustein

FSOLL Soll-Setzkraft

SSOLL Soll-Setzweg

VSOLL Soll-Setzgeschwindigkeit

SRF Relativweg VRF Relativgeschwindigkeit

SK korrigierter Soll-Setzweg

VK korrigierte Soll-Setzgeschwindigkeit

Fist Ist-Setzkraft FG Grenzwert

Saus Abschaltsignal

SF Setzsignal

S Setzrichtung

R Setzkopf-Rückfederung A Bauteil-Ausweichbewegung