Bördeleinrichtung sowie Verfahren zum Rollbördeln von

Werkstücken

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine Bördeleinrichtung mit einem mehr- achsigen Industrieroboter, insbesondere einem Industrieroboter, der an seiner Hand ein Bördelwerkzeug mit einem Bördelkopf und zumindest einer am Bördelkopf befindlichen Bördelrolle trägt.

Eine solche Bördeleinrichtung ist beispielsweise aus der DE-U-299 10 871 bekannt. Das dort gezeigte robotergeführte

Bördelwerkzeug besitzt eine Bördelrolle, mit der ein Bördelflansch an einem Werkstück umgefalzt und niedergedrückt wird. Das Vor- und Fertigbördeln kann gegebenenfalls in mehreren Arbeitsgängen stattfinden.

Beim Einsatz einer solchen Bördeleinrichtung kommt es jedoch häufig beim Vorbördeln zur Bildung von Falten im Material des Flansches . Diese Falten müssen zur Bereitstellung einer fehlerfreien Oberfläche im Fertigbördeischritt beseitigt werden, was jedoch typischerweise nur im begrenzten Umfang möglich ist und zudem Aufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bördeleinrichtung anzugeben, die auf möglichst einfache Art das faltenfreie Bördeln von Werkstücken erlaubt.

Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Rollbördeln von Werkstücken anzugeben, mit dem die Bildung von Falten sicher vermieden werden kann .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche.

Eine erfindungsgemäße Bördeleinrichtung umfasst ein zur Aufnahme eines Werkstückes vorgesehenes Bördelbett und einen mehrachsigen Manipulator, insbesondere einen Industrieroboter, der an seiner Hand ein Bördelwerkzeug mit zumindest einer Bördelrolle trägt. Zumindest Teile der Bördelrolle weisen die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfs mit einer Kegelspitze, einer durch die Kegelspitze verlaufenden Symmetrieachse und einem öffnungswinkel auf, wobei für den öffnungswinkel α des Kegels 180° > α ≥ 140° gilt.

Die Erfindung geht von der überlegung aus, dass die Faltenbildung beim Vorbördeln von vornherein vermieden werden sollte. Wie sowohl in Experimenten als auch in Simulationen gezeigt werden konnte, ist die Faltenbildung auf lokale Dehnungen des Materials, besonders in der Nähe des Flanschrandes, beim Vorbördeln zurückzuführen .

Insbesondere im Bereich des Flanschrandes sollte die lokale Dehnung des Materials daher verhältnismäßig niedrig gehalten werden. Die Dehnung, die durch das „Herumwickeln" des

Flanschmaterials um die Bördelrolle zustande kommt, kann dadurch insbesondere im Bereich des Flanschrandes reduziert werden, dass statt der herkömmlichen zylinderförmigen Bördelrolle eine kegel-

förmige gewählt wird, wobei „kegelförmig" hier und im folgenden als Abkürzung verwendet wird und eine Bördelrolle meint, die entweder die Form eines Vollkegels oder die eines Kegelstumpfs aufweist oder die zumindest in Bereichen die Form eines Vollke- gels oder die eines Kegelstumpfs aufweist.

Eine solche kegelförmige Bördelrolle rollt wegen ihrer geraden Führung durch den Roboter nicht auf der gesamten Mantelfläche des Kegels ab, sondern streng genommen nur auf einer Kreislinie. Die anderen Bereiche der Mantelfläche üben einen deutlich geringeren Anpressdruck auf den Flansch aus. Damit weist der Anpressdruck entlang einer Strecke auf der Mantelfläche zwischen der Grundfläche und der Spitze des Kegels einen Gradienten auf, der geeignet ist, lokale Dehnungen des Flanschrandes zu verhindern.

Wie sich herausgestellt hat, ist die Stärke des Gradienten im Anpressdruck bei einem öffnungswinkel α des Kegels von mindestens 140°, vorzugsweise mindestens 160°, optimal.

Neben dem öffnungswinkel des Kegels sind noch weitere Parameter wie beispielsweise der Durchmesser der Bördelrolle für das Vermeiden lokaler Dehnungen wichtig. Die Grundfläche der kegelförmigen Bördelrolle weist vorteilhafterweise einen Durchmesser d von mindestens 60 mm auf.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die kegelförmige Bördelrolle als Vorbördelrolle vorgesehen und eine zylindrische weitere Bördelrolle als Fertigbördelrolle . Die Bördelrolle kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass sie einen kegel- oder kegelstumpfförmigen Bereich und außerdem einen zylindrischen Bereich aufweist, so dass sie sowohl als Vor- als auch als Fertigbördelrolle verwendbar ist.

Vorteilhafterweise ist die Bördeiroiie fest auf einer Abtriebswelle eines Antriebes angeordnet, mit welchem die Bördelrolle während des Bördelns mit einer definierten Drehzahl antreibbar ist. Die Drehrichtung der Bördelrolle erfolgt in Richtung des fahrenden Industrieroboters, wobei die Drehgeschwindigkeit der Bördelrolle größer als die Fahrgeschwindigkeit des Industrieroboters ist.

Die Reibung zwischen dem zu bördelnden Bördelflansch und der Oberfläche der den Bördelflansch bearbeitenden Bördelrollen sollte möglichst hoch sein. Ein "Durchdrehen" der angetriebenen Bördelrollen auf dem Bördelflansch ist unter allen Umständen zu vermeiden. Als zweckmäßige Ausgestaltung für die Bördelrollen hat sich hierbei erwiesen, die Bördelrollen aus einem Hartmetall- kern, vorzugsweise einem Stahl, mit einem darauf befindlichen Hartgummimantel auszubilden. Der Hartgummimantel kann dabei aufvulkanisiert sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass das Flanschmaterial durch die optimierte kegelförmige Geometrie der Bördelrolle weniger stark lokal gedehnt wird als durch herkömmliche Bördelrollen. Dadurch kommt es seltener zu Faltenbildungen am Werkstück und es kann auch aufwendige Bemühungen zur Reduzierung der Falten beim Fertigbördeln oder auf ein Herabsetzen der Translationsgeschwindigkeit verzichtet werden.

Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Rollbördeln von Metallteilen folgende Schritte: Zunächst wird ein zu bördelndes Werkstück mit einem Flansch, das auf einem Bördelbett angeordnet ist, bereitgestellt. Der Flansch wird mit einer durch einen mehrachsigen Manipulator, beispielsweise einen Industrieroboter, geführten Vorbördelrolle vorgebördelt, wobei die Vorbördelrolle die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes mit

einer Symmetrieachse,- einer Kegelspitze und einem öffnungswinkel α aufweist und der öffnungswinkel α des Kegels mindestens 140° beträgt. Anschließend wird der Flansch fertiggebördelt, vorzugsweise mit einer zylinderförmigen Fertigbördelrolle .

Durch die optimierte kegelförmige Geometrie der Bördelrolle treten besonders in der Nähe des Flanschrandes weniger starke lokale Dehnungen auf, die zur Faltenbildung führen können, als bei herkömmlichen Verfahren. Für die Führung der Bördelrolle gibt es dabei zwei Möglichkeiten:

Entweder steht die Symmetrieachse der kegelförmigen Bördelrolle während des Bördelvorganges ungefähr senkrecht zur Ebene des Bördelbetts. Dabei bedeutet „ungefähr senkrecht", dass die Symmetrieachse die Ebene des Bördelbetts in einem Winkel von mehr als 45° durchsticht.

In diesem Fall ist die Symmetrieachse der Vorbördelrolle vorteilhafterweise um einen Winkel ß entgegen dem Uhrzeigersinn gegen die Senkrechte zur Translationsrichtung gedreht.

Die Symmetrieachse der kegelförmigen Bördelrolle kann während des Bördelvorganges aber auch ungefähr parallel zur Ebene des Bördelbetts stehen. „Ungefähr parallel" bedeutet dabei, dass die Symmetrieachse die Ebene des Bördelbetts in einem Winkel von weniger als 45° durchsticht.

In diesem zweiten Fall ist die Symmetrieachse der Vorbördelrolle vorteilhafterweise um einen Winkel ß mit dem Uhrzeigersinn gegen die Senkrechte zur Translationsrichtung gedreht.

Vor dem Beginn des Vorbordelns sollte der Flanschwinkel Y zwischen dem Flansch und dem Bordelbett und damit der Ebene des Werkstuckes höchstens 90° betragen.

Die Translationsgeschwindigkeit vi, mit der die Bordelrolle wahrend des Vorbordelns gefuhrt wird, liegt vorteilhafterweise zwischen 1000 mm/s und 1600 mm/s. Sowohl zum Vor- als auch zum Fertigbordeln des Flansches können mehrere Vor- bzw. Fertigbor- delschritte vorgesehen sein.

Die Bordeleinrichtung eignet sich insbesondere zum Rollbordeln von Fahrzeugteilen wie Automobilturen, Motorhauben und Heckklappen.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefugten Figuren naher erläutert.

Figur 1 in einer schematischen Seitenansicht eine

Bordeleinrichtung mit einem Industrieroboter und einem Bordelwerkzeug mit einer angetriebenen

Bordelrolle;

Figur 2 schematisch eine Bordelrolle gemäß einer ersten

Ausfuhrungsform;

Figur 3 schematisch eine Bordelrolle gemäß einer zweiten

Ausfuhrungsform;

Figur 4 schematisch eine Bordelrolle gemäß einer dritten Ausfuhrungsform;

Figur 5 schematisch eine Seitenansicht der Bordelrolle wahrend des Bordelvorgangs;

Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei Möglichkeiten zur Durchführung des Rollbördelns. Dabei zeigen

Figur 6a schematisch eine Seitenansicht einer ersten Möglichkeit;

Figur 6b schematisch die erste Möglichkeit aus einer weiteren

Perspektive;

Figur 7a schematisch eine Seitenansicht einer zweiten Möglichkeit und

Figur 7b schematisch die zweite Möglichkeit aus einer weiteren Perspektive.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine

Bördeleinrichtung 1, die in der Hauptsache aus einem sechsachsi- gen Industrieroboter 2 und einem Bördelwerkzeug 5 besteht.

Das Bördelwerkzeug 5 wird von dem Industrieroboter 2 gegenüber einem ortsfest auf einem Gestell angeordneten und dort auf einem Bördelbett 12 eingespannten Werkstück 10 mit einem oder mehreren Bördelflanschen 11 bewegt.

Das Gestell kann auch als Drehtisch (nicht gezeigt) ausgeführt sein, auf dem das Bördelbett 12 aufmontiert ist, wobei der

Drehtisch entgegen der Fahrtrichtung des Roboters gedreht wird und dazu in die Steuerung des Industrieroboters 2 miteingebunden ist oder auf eine gemeinsame Steuerung zugreift.

Der in der Figur 1 gezeigte Industrieroboter weist sechs rotatorische Achsen auf. Die Achsenzahl kann jedoch auch kleiner oder größer sein. Der Industrieroboter 2 besitzt eine Robotersteuerung 13, über die seine Bewegungen und gegebenenfalls auch der Prozessablauf des Bördelns gesteuert und geregelt werden. Dazu ist in der Robotersteuerung 13 ein aus der Kontur der Bördelflansche abgeleiteter Bewegungsablauf des Roboters 2 sowie des Bördelwerkzeugs 5 programmiert und die CAD- und/oder CAM-Daten des Werkstücks 10 in einem Arbeitsspeicher abgelegt.

Der Industrieroboter 2 besitzt eine Schwinge und einen Ausleger 3, an dessen vorderem Ende eine Roboterhand 4 mit ein oder mehreren Bewegungsachsen angeordnet ist. Abtriebseitig weist die Roboterhand 4 einen Handflansch auf, an dem das Bördelwerkzeug 5 angeflanscht ist.

Das in der Figur 1 gezeigte Bördelwerkzeug 5 besitzt eine Bördelrolle 6. Die Bördelrolle 6 ist fest auf einer Abtriebswelle 7 befestigt. Die Abtriebswelle 7 steht in Verbindung mit einem Getriebe 8, welches auf einen Antriebsmotor 9 aufgeflanscht ist. Getriebe 8 und Antriebsmotor 9 befinden sich im Inneren des Bördelwerkzeugs 5.

Zum Ausführen des Rollbördelns am Werkstück 10 wird der

Industrieroboter 2 von der Steuerung 13 in Bewegung gesetzt und umfährt dabei den Bördelflansch 11 mit einer Geschwindigkeit vi . Gleichzeitig wird die Bördelrolle 6 auf den Bördelflansch gedrückt, so dass die Bördelrolle 6 den Bördelflansch nach unten falzt. Die Bördelrolle 6 wird dabei in eine Drehbewegung versetzt, die über den Antriebsmotor 9, das Getriebe 8 und letztendlich die Abtriebswelle 7 erfolgt. Die Drehbewegung der

Bördelrolle 6 erfolgt in Fahrtrichtung des Roboters 2 entlang der Außenkontur des Bördelflanschs 11.

Die Drehgeschwindigkeit V ₂ bzw. die Drehzahl der Bördelrolle 6 ist dabei größer als die Fahrgeschwindigkeit vi des sich bewegenden Roboters 2. Es gilt demnach v ₂ > vi. Die Geschwindigkeit v _x des Industrieroboters 2 liegt typischerweise zwischen 1000 mm/s und 1600 mm/s.

Dadurch wird das Werkstück im Bereich des Bördelflansches 11 von der Bördelrolle 6 leicht entgegen der Fahrtrichtung des Roboters 2 eingezogen. Ein Aufstauchen des Werkstücks 10 im Bereich des Bördelflansches 11 wird dadurch vermindert.

Der Industrieroboter 2 besitzt eine Robotersteuerung 13, mit der die Bewegungen und der gesamte Prozessablauf des durchgeführten Rollbördelns gemessen und geregelt werden. Die Robotersteuerung 13 ist als rechnergestützte Steuerung mit einem oder mehreren Prozessoren, mehreren Schnittstellen für die Ein- und Ausgabe von Daten und mehreren Speichern für Betriebs-, Prozess- und sonstige relevante Daten ausgeführt.

In der Robotersteuerung 13 sind der Bahnverlauf und der entsprechende Bewegungsablauf des Industrieroboters 2 und des Bördelwerkzeugs 8 programmiert und in einem Arbeitsspeicher abgelegt .

Die Bördeleinrichtung 1 besitzt im Bereich ihres Bördelkopfs 15 eine Messeinrichtung 20, mit der die aus dem Bördelvorgang erfassten Bördelgrößen gemessen werden. Die Messeinrichtung 20 ist über eine Leitung 19 mit der Robotersteuerung 13 verbunden. Die Robotersteuerung 13 ist wiederum mit einer Leitung 21 mit dem Industrieroboter 2 verbunden.

Mit der Messeinrichtung 20 wird insbesondere die Drehzahl und der Anpressdruck der Bördelrolle 6 während des Rollbördelns gemessen und über eine Soll-/Istwertabgleichung nachgeregelt. Die Nachre- gelung berücksichtigt insbesondere auch die exakte Einstellung des Anpressdrucks der sich drehenden Bördelrolle 6.

Da die Fahrtgeschwindigkeit des Roboters 2 beim Umfahren und Bearbeiten des Werkstücks 11 unterschiedlich sein kann, muss die Drehzahl der angetriebenen Bördelrolle 6 darauf abgestimmt werden. Dieser Abgleich erfolgt ebenfalls über die Robotersteuerung 13, in dem die Drehzahl der Bördelrolle 6 über die im Arbeitsspeicher abgelegten Programmdaten in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit des Roboters 2 eingestellt werden.

Zur wirksamen Verhinderung des Aufstauchens des Werkstücks 10 im Bereich des Bördelflansches 11, das zur Faltenbildung am Bördelflansch 11 führt, weist die Bördelrolle 6 eine besondere Geometrie auf.

Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen schematisch alternative Ausführungsformen der Bördelrolle 5.

Die Bördelrolle 6 gemäß Figur 2 hat die Form eines Kegels mit einer Mantelfläche 14 und einer Grundfläche 16. Die Geometrie des

Kegels ist charakterisiert durch seinen öffnungswinkel α und den Durchmesser d seiner Grundfläche 16. Besonders günstig zur Vermeidung von Faltenbildung ist ein öffnungswinkel α von mindestens 140°. Der Durchmesser d beträgt mindestens 60 mm.

Die Bördelrolle 5 kann entweder wie in Figur 2 gezeigt die Form eines vollen Kegels aufweisen. Sie kann aber auch wie in Figur 3 dargestellt, die Form eines Kegelstumpfes haben. Die kegel-

oder kpgelstumpfförmige Rolle 6 wird zum Vorbordeln des Werkstückes 10 verwendet. Zum Fertigbordeln kann beispielsweise eine nicht gezeigte zylindrische Fertigbordelrolle zum Einsatz kommen .

Die Arbeitsschritte des Vor- und Fertigbordeins können jedoch auch mit einer einzigen Bordelrolle 6 ausgeführt werden. Dafür weist die Bordelrolle gemäß Figur 4 einen kegelförmigen Bereich 25 zum Vorbordeln und einen zylindrischen Bereich 23 zum Fertigbordeln auf. Sowohl das Vor- als auch das Fertigbordeln kann in mehreren Durchgangen ausgeführt werden.

Figur 5 zeigt schematisch eine Seitenansicht der kegelförmigen Bordelrolle 6 und des Bordelflansches 11 wahrend des Bordelvor- gangs .

Die Bordelrolle 6 wird so angesetzt, dass sie in einem ersten Bereich 18 mit verhältnismäßig hohem Anpressdruck an den Bordelflansch 11 angepresst wird und sich dicht an diesen schmiegt. In einem zweiten Bereich 22, der naher zur Kegelspitze hin liegt, ist der Radius der Bordelrolle 6 aufgrund ihrer kegelförmigen Geometrie deutlich kleiner und die Mantelflache 14 des Kegels schmiegt sich in diesem zweiten Bereich 22 nicht so dicht an den Bordelflansch 11. Die Bordelrolle 6 rollt somit nicht auf ihrer gesamten Mantelflache 14 ab sondern streng genommen nur auf einem Kreis auf der Mantelflache.

Lokale Dehnungen, die zur Faltenbildung im Bordelflansch 11 fuhren, kommen durch das „Herumwickeln" des Flanschmaterials um die Bordelrolle zustande. Aus der Kegelgeometrie der Bordelrolle 6 resultiert wegen des geringeren Radius im zweiten Bereich 22, der naher zur Kegelspitze hin liegt, in der Nahe des Flanschrandes 24 eine besonders geringe lokale Dehnung.

Der Flansch 11 bildet mit der Ebene des Werkstücks 10 einen Flanschwinkel y. Vor dem Beginn des Vorbördelns sollte dieser Flanschwinkel Y höchstens 90° betragen.

Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei verschiedene Möglichkeiten der Führung der Bördelrolle 6.

In Figur 6a liegt die Symmetrieachse 27 der kegelförmigen Bördel- rolle 6 ungefähr parallel zur Ebene des Bördelbetts 12 und damit auch im Wesentlichen zur Oberfläche des Werkstücks 10. Die Kegelspitze 26 ist dem Werkstück 10 zugewandt. „Ungefähr parallel" bedeutet dabei, dass die Symmetrieachse 27 die Ebene des Bördelbetts 12 in einem Winkel von weniger als 45° durchsticht.

Bei dieser Ausrichtung der Bördelrolle 6 sollte der Winkel ß, wie in Abbildung 6b dargestellt, nach der mathematischen Definition negativ sein, das heißt durch eine Drehung mit dem Uhrzeigersinn aus der Senkrechten 28 zur Translationsrichtung vi hervorgegan- gen sein.

Bei der alternativen Möglichkeit gemäß Figur 7a steht die Symmetrieachse 27 ungefähr senkrecht auf der Ebene des Bördelbetts. „Ungefähr senkrecht" bedeutet dabei, dass die Symmetrieachse 27 die Ebene des Bördelbetts 12 in einem Winkel von mehr als 45° durchsticht.

Bei dieser alternativen Ausrichtung der Bördelrolle 6 sollte der Winkel ß, wie in Abbildung 7b dargestellt, nach der mathe- matischen Definition positiv sein, das heißt durch eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn aus der Senkrechten 28 zur Translationsrichtung vi hervorgegangen sein.

Bezugszeichenliste

1 Bördeleinrichtung

2 Industrieroboter

3 Ausleger

4 Roboterhand

5 Bördelwerkzeug

6 Bördelrolle

7 Abtriebswelle

8 Getriebe

9 Antriebsmotor

10 Werkstück

11 Bördelflansch

12 Bördelbett

13 RoboterSteuerung

14 Mantelfläche

15 Bördelkopf

16 Grundfläche

18 erster Bereich

19 Leitung

20 Messeinrichtung

21 Leitung

22 zweiter Bereich

23 zylindrischer Bereich

24 Flanschrand

25 kegelförmiger Bereich

26 Kegelspitze

27 Symmetrieachse

28 Richtung senkrecht zu V ₁ α öffnungswinkel ß Fahrtwinkel

Y Flanschwinkel

V _l Translationsgeschwindigkeit