Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil entlang einer Verbindungsachse mittels eines Fügewerkzeugs, welches ausgebildet ist, das Fügeelement in Richtung der Verbindungsachse zu führen.

Speziell in der Fügetechnik steigen die Anforderungen an Prozesssicherheit, Prozessführung und Prozessüberwachung. Um die steigenden Anforderungen zu erfüllen, werden Vorrichtungen der Fügetechnik wie beispielsweise Vorrichtungen zum Einbringen von Fügeelementen in Bauteile mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, um Prozesse aktiv zu regeln und Prozessgrößen wie Drehzahl, Drehmoment, Axialkraft, Querkraft, Biegebelastungen und Temperaturen zu überwachen und insbesondere auch zu visualisieren.

So wird bei einer Vielzahl von Fügeverfahren eine Kraft entlang einer Verbindungsachse auf die zu fügenden Bauteile und/ oder die Fügeelemente aufgebracht. Bei einem optimalen Fügevorgang befinden sich die Kraft- bzw. Verbindungsachse und die Bauteiloberflächennormale bzw. Zielbohrungsachse zu jedem Prozesszeitpunkt in Koinzidenz. Abweichungen bezüglich der Koinzidenz sind beispielsweise ein Kippen entlang einer Querachse (Winkelversatz) oder eine parallele Achsverschiebung (Achsversatz). In Fig. 1 sind solche Abweichungen im Vergleich zu einem Idealfall dargestellt. Mögliche Folgen einer Abweichung sind insbesondere erhöhte Belastungen der Fügevorrichtung, des Fügeelements und der Fügeteile, eine Schiefstellung des Fügeelements, ein Nicht-Erreichen der Kopfauflage, erhöhte Prozessgrößen bei der Verbindungsherstellung, ein Nicht-Erreichen der Sollwerte der hergestellten Verbindung, eine unzureichende Dichtigkeit der Verbindung und/ oder erhöhte Energie und Wärmeeinträge.

Verlässt ein Fügeelement während dem Einbringen in wenigstens ein vorgebohrtes Bauteil die Sollposition, gleicht sich die Verbindungsachse der Bohrungsachse an, was zu einer Durchbiegung des Verbindungswerkzeugs und zu einer Querbelastung des gesamten Systems führt. Verlässt ein Fügeelement während dem Einbringen in wenigstens ein vorlochfreies Bauteil die Sollposition, gleicht sich mit Erreichen der Kopfauflage die Verbindungsachse der Oberflächennormalen an, was zu einer Belastung bzw. Beschädigung des Fügewerkzeugs, des Fügeelements und der Fügeteile führt.

Speziell im Bereich des fließlochformenden Schraubens (vgl. Merkblatt DVS/EFB 3445-1) führen derartige Erscheinungen auf Grund der hohen Prozesskräfte zu bekannten Qualitätsmängeln. Die Ursache dieser Problematik liegt in den Alleinstellungsmerkmalen einer derartigen Verschraubung. Das fließlochformende Schrauben separiert sich in wesentlichen Aspekten von anderen bekannten Fügeverfahren. Beispielsweise sorgt eine Kombination aus einer einseitigen Zugänglichkeit und damit fehlender Möglichkeit zum Gegenhalten sowie hohen Fügekräften für teils temporäre, teils permanente Schiefstellungen von Fügeelementen im Fügeprozess.

Bereits bekannte Maßnahmen zur Verbesserung dieses Fügeverfahrens haben bislang zu keiner zufriedenstellenden Lösung geführt, um Abweichungen von der Fügeachse, und insbesondere Schiefstellungen der Verbindungselemente während und nach dem Prozess zu erkennen und hiervon ausgehend die Verbindungsqualität zu sichern. Bislang bekannte Maßnahmen sind beispielsweise die bewusste Fehlpositionierung der Schraubachse vor dem Prozess, eine Minderung der Prozessleistung und/oder nachgelagert eine zerstörende Qualitätssicherung in Form von Makroschliffen. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil sowie eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Fügewerkzeug zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil zur Verfügung zu stellen.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil entlang einer Verbindungsachse vorgeschlagen, mittels eines Fügewerkzeugs, welches ausgebildet ist, das Fügeelement in Richtung der Verbindungsachse zu führen. Dabei weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: a) Aufnehmen des Fügeelements am Fügewerkzeug; b) Positionieren des Fügewerkzeugs mit dem Fügeelement am Bauteil; c) Führen des Fügeelements in das Bauteil, wobei c1 ) am Fügewerkzeug Daten wenigstens einer die Belastung des in das Bauteil geführten Fügeelements charakterisierenden Prozessgröße erfasst und an eine Maschinensteuerung gesendet werden; c2) die Maschinensteuerung mithilfe der erhaltenen Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine Belastung des Fügeelements und hieraus eine mögliche Abweichung der Belastung des Fügeelements von einer Soll-Belastung bestimmt, wodurch eine zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität während und nach dem Führen des Fügeelements in das Bauteil ermöglicht wird; und d) Lösen des Fügewerkzeugs vom Fügeelement, sobald das Fügeelement in das Bauteil eingebracht ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil entlang einer Verbindungsachse handelt es sich insbesondere um ein Fügeverfahren, bei welchem Fügeelemente wie beispielsweise Schrauben, Niete, Bolzen und dergleichen in wenigstens ein Bauteil eingebracht werden. Das Verfahren umfasst dabei alle Arten von Fügeelementen, welche entlang einer Verbindungsachse in ein Bauteil eingebracht werden, unabhängig davon, ob diese ein- oder mehrteilig ausgeführt sind. Insbesondere geeignet ist das Verfahren für das fließlochformende Schrauben. Ferner betrifft das vorgeschlagene Verfahren ein Einbringen eines solchen Fügeelements in wenigstens ein Bauteil, um beispielsweise das Fügeelement mit einem oder mehreren Bauteilen zu verbinden und/ oder, um zwei oder mehrere Bauteile durch das wenigstens eine Fügeelement miteinander zu verbinden. Entsprechend betrifft die weitere Beschreibung immer alle solchen Fälle.

Das wenigstens eine Bauteil kann eine zum Fügen mit einem Fügeelement vorgesehene, insbesondere hierfür vorbereitete Bauteilgestaltung wie beispielsweise eine Öffnung oder Vertiefung aufweisen. Ebenso kann das Bauteil an der Verbindungsposition keine besondere für den Verbindungsvorgang vorgesehene Gestaltung aufweisen, wobei eine solche während dem Verbindungsvorgang ausgebildet werden kann. Das Verbindungswerkzeug ist dabei ausgebildet, das Fügeelement insbesondere axialkraftbeaufschlagt in Richtung der Verbindungsachse zu führen und dabei das Fügeelement in das wenigstens eine Bauteil einzubringen. Dabei kann während der Bewegung des Fügeelements in Richtung der Verbindungsachse auch wenigstens zeitweise eine Rotationsbewegung vorgesehen sein, wodurch das Fügeelement beispielsweise in das Bauteil eingedreht, insbesondere eingeschraubt wird. Bei einer besonderen Ausführungsform ist das Fügewerkzeug ausgebildet an einer Roboterstation angeordnet zu sein.

In einem ersten Schritt a) wird das Fügeelement am Fügewerkzeug aufgenommen. Insbesondere weist das Verbindungswerkzeug hierfür eine insbesondere an dessen axialem Ende angeordnete Aufnahmeeinrichtung auf, an welcher das wenigstens eine Fügeelement insbesondere formschlüssig aufnehmbar ist. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass das Fügeelement an der Aufnahmeeinrichtung insbesondere zusätzlich auch kraftschlüssig, beispielsweise durch Magnet- oder Induktionskraft aufnehmbar ist.

In einem zweiten Schritt b) wird das Fügewerkzeug mit dem Fügeelement am Bauteil positioniert. Dabei wird das Fügeelement insbesondere an dessen dem Bauteil zugewandten axialem Ende an der Stelle des wenigstens einen Bauteils positioniert, an welcher das Fügeelement insbesondere entlang der Verbindungsachse in das Bauteil eingebracht werden soll. Ferner wird das Fügewerkzeug mit dem Fügeelement so gegenüber dem Bauteil positioniert, dass das Fügeelement übereinstimmend mit der vorgesehenen Verbindungsachse ausgerichtet ist. Dabei ist die Verbindungsachse insbesondere in Koinzidenz, also übereinstimmend mit einer Bauteiloberflächennormale angeordnet. Insbesondere erfolgt die Positionierung des Fügeelements konzentrisch zu einer an dem wenigstens einen Bauteil vorgesehenen Ziel- oder Verbindungsbohrung bzw. -Öffnung.

In einem dritten Schritt c) wird das Fügeelement in das wenigstens eine Bauteil geführt und damit eingebracht, wobei in einem Teilschritt c1) am oder insbesondere unmittelbar im Fügewerkzeug insbesondere während dem gesamten oder eines Teils des Einbringvorgangs des Fügeelements in das Bauteil Daten wenigstens einer die Belastung bzw. den Belastungszustand des in das Bauteil geführten Fügeelements charakterisierenden Prozessgröße erfasst und an eine Maschinensteuerung gesendet werden. Das Erfassen dieser Daten erfolgt insbesondere mittels geeigneter Sensoren, welche beispielsweise am Fügewerkzeug angeordnet oder auch integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildet sein können. Insbesondere handelt es sich dabei um Daten von am Fügewerkzeug wirkenden Prozessgrößen wie Drehzahl, Drehmoment, Axialkraft, Querkraft, Biegebelastung, Beschleunigung und/ oder Temperatur, wobei diese Prozessgrößen sowohl von für diesen Zweck vorgesehenen Sensoren als auch von anderen am Einbringen eines Fügeelements beteiligten Einrichtungen wie insbesondere von Antrieben erfasst werden können.

In einem weiteren Teilschritt c2) wird insbesondere von einer Recheneinrichtung der Maschinensteuerung mithilfe der erhaltenen, insbesondere am und/ oder im Fügewerkzeug erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine Belastung des Fügeelements und hieraus eine mögliche Abweichung der Belastung des Fügeelements von einer Soll-Belastung bzw. eines Soll- Belastungszustands bestimmt. Hierdurch wird insbesondere eine zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität bereits während dem Führen des Fügeelements in das Bauteil sowie auch anhand der erfassten Daten nach dem Führen des Fügeelements in das Bauteil ermöglicht. Eine Soll-Belastung eines Fügeelements ist insbesondere durch am Fügewerkzeug erfassbare Daten von Prozessgrößen bzw. einer Relation solcher Prozessgrößen bei einem geplant ablaufenden Fügevorgang definiert. Eine Abweichung von der Soll-Belastung bzw. eines Soll-Belastungszustands liegt insbesondere dann vor, wenn ein Wert oder eine Relation mehrerer Werte einer oder mehrerer insbesondere am Verbindungswerkzeug erfasster Prozessgrößen eine vorbestimmte Sollgröße über- oder unterschreitet bzw. der Wert der Sollgröße nicht in einem vorgesehenen Bereich liegt. Die Kenntnis einer bestimmten Abweichung von der Soll-Belastung während dem Führen des Fügeelements in das Bauteil, insbesondere eines Werts der Abweichung in Verbindung mit der Sollgröße bzw. einer oder mehrerer Relationen hierzu erlaubt eine Bewertung einer Qualität des Vorgangs des Führens bzw. Einbringens des Fügeelements in das wenigstens eine Bauteil und damit auch einer Qualität einer hergestellten Verbindung insbesondere zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil bzw. zwischen zwei Bauteilen mittels dem Fügeelement.

In einem vierten Schritt d) wird das Fügewerkzeug vom Fügeelement gelöst, sobald das Fügeelement in das Bauteil eingebracht ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verbindung hergestellt und der Vorgang des Führens bzw. Einbringens des Fügeelements in das wenigstens eine Bauteil entsprechend abgeschlossen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht das Bestimmen einer Abweichung wenigstens einer die Belastung eines Fügeelements charakterisierenden Prozessgröße von einem Soll-Prozess bereits während dem Einbringen des Fügeelements in ein Bauteil. Auf Basis der bestimmten Abweichung ist es möglich, den Einbringvorgang und damit die Qualität hergestellter Verbindungen zu verbessern. Ferner kann eine fehlende Abweichung oder eine Abweichung innerhalb vorgegebener Toleranzwerte als Nachweis für die Qualität der hergestellten Verbindung dienen.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil bestimmt die Maschinensteuerung im Schritt c2) zusätzlich die mögliche Abweichung der Positionierung des Fügewerkzeugs von einer Soll-Positionierung. Die Abweichung kann dabei beispielsweise als Axialoder Winkelversatz oder als kombinierter Versatz mit Anteilen insbesondere derartiger Versatzarten ausgebildet sein. So ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren auch das Bestimmen einer Abweichung bei der Positionierung eines Fügeelements von einer Soll-Positionierung bereits während dem Einbringen des Fügeelements in ein Bauteil.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements leitet die Maschinensteuerung in einem weiteren Schritt c3) im Falle einer bestimmten Abweichung insbesondere der Belastung des Fügeelements bzw. der Positionierung des Fügewerkzeugs wenigstens einen Korrekturwert für wenigstens eine Prozessgröße ab. Der wenigstens eine Korrekturwert für die wenigstens eine die Abweichung charakterisierende Prozessgröße kann insbesondere aus wenigstens einem die Abweichung charakterisierenden Wert, insbesondere in Verbindung mit wenigstens einer Sollgröße der Prozessgröße oder beispielsweise einer Relation mehrerer Sollgrößen einer oder mehrerer insbesondere am Fügewerkzeug erfasster Prozessgrößen abgeleitet werden. Der wenigstens eine abgeleitete Korrekturwert kann beispielsweise als Basis für eine Verbesserung eines zum Zeitpunkt der erkannten Abweichung noch laufenden und/ oder eines späteren Fügevorgangs verwendet werden.

Betrifft die bestimmte Abweichung und damit der wenigstens eine abgeleitete Korrekturwert die Positionierung des Fügewerkzeugs gegenüber dem Bauteil, kann dieser aus wenigstens einer die Abweichung charakterisierenden Prozessgröße, insbesondere in Verbindung mit wenigstens einer Sollgröße einer Position oder beispielsweise einer Relation mehrerer Sollgrößen einer oder mehrerer insbesondere am Fügewerkzeug erfasster Prozessgrößen abgeleitet werden. Der wenigstens eine abgeleitete Korrekturwert kann insbesondere als Basis für eine Korrektur der Belastung bzw. der Positionierung des Fügewerkzeugs bzw. des Fügeelements eines zum Zeitpunkt der erkannten Abweichung noch laufenden und/ oder eines späteren Fügevorgangs verwendet werden.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements wird in einem weiteren Schritt c4) die wenigstens eine Prozessgröße mithilfe des wenigstens einen im Schritt c3) abgeleiteten Korrekturwerts für die wenigstens eine Prozessgröße korrigiert. Dabei kann die Korrektur der wenigstens einen Prozessgröße bereits während des aktuellen noch laufenden Einbringens eines Fügeelements in ein Bauteil erfolgen und dabei die Qualität der aktuell hergestellten Verbindung erhöhen. Ebenso kann die Korrektur der wenigstens einen Prozessgröße zur Prozessverbesserung verwendet werden. Dabei erfolgt die Korrektur der wenigstens einen Prozessgröße nach Fertigstellung des aktuellen Einbringvorgangs und kommt bei einer nachfolgenden Durchführung des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements in ein Bauteil zum Tragen, so dass beispielsweise eine stetige Prozessverbesserung ermöglicht wird. Ebenso kann die Korrektur der wenigstens einen Prozessgröße insbesondere wiederholt nach einem Bestimmen einer Abweichung und einem Ableiten eines Korrekturwerts beim Einlern- bzw. Teach-ln-Vorgang des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements bei einer für die Anwendung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements ist das Fügewerkzeug mittels der Positioniereinrichtung gegenüber dem Bauteil sowohl in einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse als auch in wenigstens einem Winkel zu einer Bauteiloberfläche und damit auch in einem Winkel zur ursprünglichen Verbindungsachse positionierbar. Insbesondere ist das Fügewerkzeug mittels der Positioniereinrichtung dabei räumlich frei gegenüber dem Bauteil bzw. der Bauteiloberfläche positionierbar. Bei dieser Ausführung kann die Positioniereinrichtung im Schritt c4) basierend auf dem wenigstens einen abgeleiteten Korrekturwert die Positionierung des Fügewerkzeugs gegenüber dem Bauteil korrigieren. Dabei kann die Korrektur der Positionierung des Fügewerkzeugs und damit auch des Fügeelements vor bzw. nach und/ oder während dem Einbringen des Fügeelements in das Bauteil erfolgen. Die Korrektur der Positionierung kann dabei sowohl in einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse als auch in wenigstens einem Winkel zu einer Bauteiloberfläche und insbesondere räumlich frei gegenüber dem Bauteil bzw. der Bauteiloberfläche bzw. der ursprünglichen Verbindungsachse erfolgen. Insbesondere wird die Korrektur der Positionierung derart durchgeführt, dass die erkannte Abweichung kompensiert, abhängig von der Art der Abweichung auch zumindest teilweise überkompensiert wird. So ist es möglich, die Qualität einer hergestellten Verbindung sowohl bereits während als auch nach dem Fügevorgang deutlich zu verbessern.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements wird in einem weiteren Schritt e) der wenigstens eine im Schritt c3) abgeleitete Korrekturwert für die Positionierung des Fügewerkzeugs bei der Ausführung des Schritts b) verwendet, dem Positionieren des Fügewerkzeugs mit dem Fügeelement am Bauteil. Insbesondere wird der Schritt e) bei einem nachfolgendem Fügevorgang und dabei bei einer nachfolgenden Durchführung des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements ausgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, das vorgeschlagene Verfahren während einer mehrmaligen Ausführung insbesondere hinsichtlich der Qualität der hergestellten Verbindungen zu verbessern. Dieser Verfahrensschritt kann insbesondere vorteilhaft beim Einlern- bzw. Teach-ln-Vorgang eines Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements eingesetzt werden.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen eines Verbindungselements sind die im Schritt c1) am Verbindungswerkzeug erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße geeignet, um eine am Fügewerkzeug und/ oder am Fügeelement wirkende Querkraft zu bestimmen. Die während dem Fügevorgang am Fügewerkzeug wirkende Querkraft ist als Kenngröße für die Bauteilbelastung und damit für die Überwachung der hergestellten Verbindungsqualität geeignet. Insbesondere stellt deren Wert auch ein Maß für eine mögliche Abweichung der Positionierung des Fügewerkzeugs von dessen Soll-Positionierung dar. So kann durch eine Überwachung der Querkraft bereits während dem Einbringen eines Fügeelements eine mögliche Abweichung der Bauteilbelastung von der Soll-Belastung bestimmt und wenigstens ein Korrekturwert für die Prozessgrößen bei der Einbringung des Fügeelements in das Bauteil abgeleitet werden. Außerdem stellt die Querkraft auch eine Kenngröße dar, mittels welcher eine Abweichung der Positionierung des Fügewerkzeugs bestimmt und wenigstens ein Korrekturwert für die Positionierung des Fügewerkzeugs abgeleitet werden kann. So resultiert eine am Bauteil und damit auch am Fügelement bzw. Fügewerkzeug wirkende Querkraft in einem Kippmoment an wenigstens einer Lagerstelle des Fügewerkzeugs. Ausgehend von einer Analyse von Bauteilsteifigkeiten der am Fügeverfahren beteiligten Komponenten der für das Fügeverfahren verwendeten Vorrichtung ist es in Verbindung mit der im Verfahren erfassten Querkraft möglich, eine Druckellipsenabschneidung in Wälzkörperlagern des Fügewerkzeugs und/ oder weiterer Komponenten zu überwachen und/ oder zu verhindern.

In einem zweiten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe eine Vorrichtung zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil entlang einer Verbindungsachse vorgeschlagen. Zum Einbringen des Fügeelements weist die Vorrichtung ein Fügewerkzeug auf, welches ausgebildet ist, das Fügeelement in Richtung der Verbindungsachse zu führen. Das Fügewerkzeug weist eine Aufnahmeeinrichtung auf, an welcher ein Fügeelement am Fügewerkzeug aufnehmbar ist und eine Antriebseinrichtung zum Führen des Fügeelements in das Bauteil. Am bzw. unmittelbar im Fügewerkzeug der Vorrichtung ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von in Relation stehenden Daten wenigstens einer die Belastung eines in das Bauteil geführten Fügeelements charakterisierenden Prozessgröße angeordnet. Ferner weist die Vorrichtung eine Maschinensteuerung auf, welche eingerichtet ist, mithilfe der erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine mögliche Abweichung der Belastung des Fügeelements von einer Soll-Belastung zu bestimmen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere geeignet, ein oder mehrere Schritte des vorausgehend vorgeschlagenen Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil auszuführen. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung eine zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität während und nach dem Führen des Fügeelements in das Bauteil. Gesichtspunkte des Verfahrens, welche die Ausgestaltung von Elementen der Vorrichtung bzw. der zu verbindenden Elemente und deren Bezug zueinander beeinflussen, sind analog wie in der vorausgehenden Beschreibung zu verstehen und werden daher in Verbindung mit der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht gesondert erläutert.

Das Fügewerkzeug der Vorrichtung ist ausgebildet, das Fügeelement insbesondere axialkraftbeaufschlagt in Richtung der Verbindungsachse zu führen und dabei das Fügeelement in das wenigstens eine Bauteil einzubringen. Zur Aufnahme eines Fügeelements weist das Fügewerkzeug eine hierfür insbesondere an dessen dem Bauteil zugewandten axialem Ende angeordnete Aufnahmeeinrichtung auf, an welcher das wenigstens eine Fügeelement insbesondere formschlüssig aufnehmbar ist. Ferner kann die Aufnahmeeinrichtung auch so ausgebildet sein, dass ein Fügeelement insbesondere zusätzlich zu einer formschlüssigen Aufnahme auch wenigstens teilweise kraftschlüssig wie beispielsweise mittels Magnet- oder Induktionskraft an der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbar ist. Das Fügewerkzeug weist eine Antriebseinrichtung auf, oder ist mit einer Antriebseinrichtung verbunden, um ein an der Aufnahme aufgenommenes Fügeelement insbesondere kraftbeaufschlagt und insbesondere in einer Längsbewegung in Richtung der Verbindungsachse zu führen. Dabei kann die Antriebseinrichtung eingerichtet sein, das Fügeelement wenigstens zeitweise insbesondere zusätzlich zur axialen Beaufschlagung auch rotierend anzutreiben, wodurch das Fügeelement in das Bauteil beispielsweise eingedreht, insbesondere eingeschraubt wird.

Am oder unmittelbar im Fügewerkzeug der vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Daten wenigstens einer die Belastung eines anliegenden Fügeelements charakterisierenden Prozessgröße angeordnet. Dabei ist „am Fügewerkzeug angeordnet“ so zu verstehen, dass die wenigstens eine Sensoreinrichtung so an der Vorrichtung vorgesehen ist, dass mittels dieser am Fügewerkzeug wirkende Prozessgrößen erfassbar sind. Entsprechend kann die Sensoreinrichtung beispielsweise unmittelbar am Fügewerkzeug selbst, in unmittelbarer Nähe zu diesem oder integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildet sein. Als unmittelbar im Fügewerkzeug angeordnet ist dabei beispielsweise eine Montage einer Sensoreinrichtung in einer Bohrung oder Nut eines den Kraftfluss beim Einbringen eines Fügeelements übertragenden Elements des Fügewerkzeugs zu verstehen Die Sensoreinrichtung kann dabei einen oder mehrere so am Fügewerkzeug angeordnete Sensoren bzw. Sensorelemente aufweisen, dass eine oder mehrere Prozessgrößen mittels des einen oder der mehreren Sensorelemente erfassbar sind. Die Sensorelemente sind insbesondere so ausgebildet, dass diese zum Erfassen der wenigstens einen Prozessgröße einen oder mehrere physikalische Effekte nutzen.

Ferner weist die Vorrichtung wenigstens eine Maschinensteuerung auf, welche eingerichtet ist, mithilfe der erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine mögliche Abweichung von der Soll-Belastung zu bestimmen. Wie bereits ausgeführt definiert eine Soll-Belastung insbesondere eine am Fügewerkzeug erfassbare Prozessgrößen bzw. eine Relation solcher Prozessgrößen bei einem geplant ablaufenden Fügevorgang. Eine Abweichung von der Soll-Belastung liegt insbesondere dann vor, wenn ein Wert oder eine Relation von Werten einer oder mehrerer insbesondere am Fügewerkzeug erfasster Prozessgrößen eine vorbestimmte Sollgröße über- oder unterschreitet. Die Kenntnis einer bestimmten Abweichung von der Soll-Belastung, insbesondere eines Werts der Abweichung in Verbindung mit der Soll-Belastung während dem Führen des Fügeelements in das Bauteil, insbesondere eines Werts der Abweichung in Verbindung mit der Sollgröße bzw. einer oder mehrerer Relationen hierzu erlaubt eine insbesondere zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität des Vorgangs des Führens bzw. Einbringens des Fügeelements in das wenigstens eine Bauteil und damit auch einer Qualität der hergestellten Verbindung insbesondere zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil bzw. zwischen zwei Bauteilen mittels dem Fügeelement.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht das Bestimmen einer Abweichung der Belastung des Fügeelements mittels erfasster Daten wenigstens einer Prozessgröße insbesondere während dem Führen bzw. Einbringen eines Fügeelements in ein Bauteil. Basierend auf einer bestimmten Abweichung der Belastung des Fügeelements von einer Soll-Belastung ist eine insbesondere zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität während und nach dem Führen des Fügeelements in das Bauteil möglich. Hierdurch wird ferner ermöglicht, den Soll-Prozess der Vorrichtung so anzupassen, dass der Einbringvorgang und damit die Qualität mit der Vorrichtung hergestellter Verbindungen verbessert wird. Darüber hinaus kann eine fehlende Abweichung der Belastung des Fügeelements oder eine Abweichung innerhalb vorgegebener Toleranzwerte einen Nachweis für die Qualität der hergestellten Verbindung darstellen.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Maschinensteuerung eingerichtet, mithilfe der erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine mögliche Abweichung der Ist-Position des Fügewerkzeugs von einer Soll-Position zu bestimmen. Die Abweichung kann dabei beispielsweise ein Axial- oder Winkelversatz oder ein kombinierter Versatz insbesondere mit Anteilen solcher Versatzarten sein. Die Vorrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass bereits während dem Führen bzw. Einbringen des Fügeelements in ein Bauteil eine Abweichung der Ist-Position eines Fügeelements von einer Soll-Position bestimmbar ist.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Positioniereinrichtung zum Lagern und Positionieren des Fügewerkzeugs am Bauteil auf. Mittels der Positioniereinrichtung ist das Fügewerkzeug gegenüber dem Bauteil sowohl in einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse als auch in einem Winkel zu einer Bauteiloberfläche positionierbar. Insbesondere ist die Positioniereinrichtung eingerichtet, das Fügewerkzeug räumlich frei gegenüber dem Bauteil bzw. der Bauteiloberfläche zu positionieren.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Positioniereinrichtung eingerichtet, die Positionierung des Fügewerkzeugs gegenüber dem Bauteil zu korrigieren. Insbesondere ist die Positioniereinrichtung so ausgebildet, dass eine Positionierung bzw. Korrektur der Position des Fügewerkzeugs bzw. eines daran angeordneten Fügeelements wenigstens teilweise vor, während und/ oder nach einem Einbringen des Fügeelements in ein Bauteil durchführbar ist.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, wenigstens eine Prozessgröße zu erfassen, welche ausgewählt ist aus einer Gruppe, welche die Prozessgrößen Drehzahl, Drehmoment, Axialkraft, Querkraft, Biegebelastung, Beschleunigung und Temperatur aufweist. Selbstverständlich können der Gruppe weitere Prozessgrößen angehören, welche mittels der Sensoreinrichtung der Vorrichtung erfassbar sind und mittels welcher wenigstens eine Prozessgröße erfassbar ist, aus deren Wert bzw. in Verbindung mit deren Wert oder dem Wert wenigstens einer weiteren Prozessgröße eine mögliche Abweichung der Bauteilbelastung von einer Soll-Belastung und/ oder eine mögliche Abweichung von einer Soll-Positionierung eines Fügeelements bestimmbar ist.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Maschinensteuerung eingerichtet, aus den Daten der wenigstens einen erfassten Prozessgröße wenigstens eine am Fügewerkzeug wirkende Reaktionsgröße wie die Querkraft, die Normalkraft und/ oder das Drehmoment zu ermitteln. Die jeweils verwendete Reaktionsgröße kann dabei entweder direkt erfasst oder anhand einer Relation zwischen den Werten wenigstens zweier Prozessgrößen ermittelt werden. Beispielsweise ist eine am Fügewerkzeug wirkende Querkraft anhand eines (Biege-)Normalspannungssensorelements ermittelbar.

In einem dritten Aspekt wird zur Lösung der Aufgabe ein Fügewerkzeug zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil entlang einer Verbindungsachse vorgeschlagen, welches ausgebildet ist, das Fügeelement in Richtung der Verbindungsachse zu führen, wobei das Fügewerkzeug eine Aufnahmeeinrichtung aufweist, an welcher das Fügeelement am Fügewerkzeug aufnehmbar ist. Das vorgeschlagene Fügewerkzeug weist wenigstens eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Daten wenigstens einer am Fügewerkzeug erfassbaren Prozessgröße auf, welche integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildet ist. Insbesondere ist das Fügewerkzeug ausgebildet, bei der Ausführung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens insbesondere auch in Verbindung mit der vorausgehend beschriebenen Vorrichtung eingesetzt zu werden.

Bei einer integrierten Ausbildung einer Sensoreinrichtung mit dem Fügewerkzeug stellt die Sensoreinrichtung eine Funktionseinheit mit dem Fügewerkzeug dar. Insbesondere dienen Elemente des Fügewerkzeugs auch zur Umsetzung wenigstens einer Funktion der mit diesem integriert ausgebildeten Sensoreinrichtung, wie beispielsweise ein Übertragen von Temperaturen oder Kräften bzw. Verformungen auf Messelemente der wenigstens einen Sensoreinrichtung oder auch zum Abschirmen der Sensorelemente gegenüber der Umgebung.

Entsprechend ist die wenigstens eine integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildete Sensoreinrichtung des Fügewerkzeugs insbesondere eingerichtet, mit wenigstens einem Element des Fügewerkzeugs zusammenzuwirken, um die jeweilige Prozessgröße(n) zu erfassen. Hierzu kann die Sensoreinrichtung in einem im Inneren des Fügewerkzeugs ausgebildeten Hohlraum angeordnet sein. So können beispielsweise im Inneren des dem Fügewerkzeugs angeordnete und mit einem Strukturelement des Fügewerkzeugs stoffschlüssig verbundene Dehnmesstreifen beim Verbindungsvorgang wirkende Kräfte bzw. resultierende Dehnungen des Fügewerkzeugs unmittelbar erfassen. Ferner können Bewegungssensoren im Inneren des Fügewerkzeugs angeordnet oder zumindest teilweise durch das Fügewerkzeug ausgebildet sein, welche Bewegungen des Fügewerkzeugs wie beispielsweise dessen Drehzahl oder dessen axiale und/ oder rotatorische Kräfte bzw. Beschleunigungen erfassen. In gleicher weise können eine Vielzahl weiterer Sensorelemente, welche zum Erfassen einer oder mehrerer Prozessgrößen zum Bestimmen einer möglichen Abweichung vom Soll- Prozess geeignet sind, integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildet sein.

Insbesondere weist das Fügewerkzeug eine Antriebseinrichtung auf, oder ist mit einer Antriebseinrichtung verbunden, um ein an der Aufnahme aufgenommenes Fügeelement insbesondere kraftbeaufschlagt und insbesondere in einer Längsbewegung in Richtung der Verbindungsachse zu führen. Dabei kann die Antriebseinrichtung auch ausgebildet sein, eine rotatorische Bewegung auf das Fügewerkzeug aufzubringen, um insbesondere während der Bewegung des Fügeelements in Richtung der Verbindungsachse dieses wenigstens zeitweise auch rotierend anzutreiben, so dass das Fügeelement mittels dem Fügewerkzeug in das Bauteil eindrehbar bzw. einschraubbar ist.

Zur Aufnahme eines Fügeelements weist das Fügewerkzeug eine insbesondere an dessen dem Bauteil zugewandten axialem Ende angeordnete Aufnahmeeinrichtung auf, an welcher das wenigstens eine Fügeelement insbesondere formschlüssig aufnehmbar ist. Die Aufnahmeeinrichtung kann dabei auch so ausgebildet sein, dass ein Fügeelement insbesondere zusätzlich zu einer formschlüssigen Aufnahme auch wenigstens teilweise kraftschlüssig wie beispielsweise mittels Magnet- oder Induktionskraft an der Aufnahmeeinrichtung aufnehmbar ist.

Um die zum Bestimmen einer Abweichung von einem Soll-Prozess erforderlichen Prozessgrößen zu erfassen ist eine geeignete Ausführung des Fügewerkzeugs insbesondere hinsichtlich dessen Geometrie, seiner Werkstoffeigenschaften und der geometrischen Widerstandfähigkeit erforderlich. Hierzu ist das Fügewerkzeug an die Randbedingungen der vorgesehenen Fügeaufgabe anzupassen, wodurch insbesondere auch ein Erfassen mehrerer Messgrößen an einer Position des Bauteils ermöglicht werden kann.

Das vorgeschlagene Fügewerkzeug ermöglicht das Bestimmen einer Abweichung wenigstens einer Prozessgröße von einem Soll-Prozess bereits während dem Einbringen des Fügeelements in ein Bauteil. Auf Basis der bestimmten Abweichung ist es möglich, insbesondere gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die Bauteilbelastung beim Einbringvorgang zu erfassen und damit die Qualität hergestellter Verbindungen zu bewerten und hiervon ausgehend verbessern. Ferner kann eine fehlende Abweichung oder eine Abweichung innerhalb vorgegebener Toleranzwerte der Bauteilbelastung als Nachweis für die Qualität der hergestellten Verbindung dienen. Merkmale und Eigenschaften des vorgeschlagenen Fügewerkzeugs, insbesondere in Verbindung mit einem Einbringen eines Fügeelements in ein Bauteil sind im Wesentlichen analog zur vorausgehend beschriebenen Vorrichtung zum Einbringen eines Fügeelements zu verstehen, in Verbindung mit welcher die hier beschriebene Ausführung des Fügewerkzeugs zum Einbringen eines Fügeelements in ein Bauteil einsetzbar ist. Gesichtspunkte des Verfahrens und Eigenschaften der Vorrichtung, welche die Ausgestaltung von Elementen der Vorrichtung bzw. der zu verbindenden Elemente und deren Bezug zueinander beeinflussen, sind analog wie in der vorausgehenden Beschreibung zu verstehen und werden daher zu dieser speziellen Ausführung des Fügewerkzeugs nicht gesondert erläutert.

Eine Ausführungsform des Fügewerkzeugs weist eine Schnittstelle zur Energie- und/ oder Datenversorgung der wenigstens einen mit dem Fügewerkzeug integriert ausgebildeten Sensoreinrichtung auf. Eine bevorzugte Ausführung weist eine einzige solche Schnittstelle auf, allerdings kann bei einer Ausführung, bei welcher eine Energie- und/ oder Datenversorgung wenigstens einer Sensoreinrichtung nicht mit der Energie- und/ oder Datenversorgung wenigstens einer weiteren Sensoreinrichtung kompatibel ist, wenigstens eine weitere Schnittstelle erforderlich sein. Insbesondere für Vorrichtungen mit Schraubendreherhub, bei welchen die Energieversorgung und Datenübertragung über einen Axialbereich hinweg sichergestellt sein muss, kann die Anzahl der erforderlichen Anschlusspunkte verringert werden, wodurch die Kabelführung zum und vom Fügewerkzeug erleichtert wird.

Bei einer Ausführungsform des Fügewerkzeugs erfolgt die Datenübertragung wenigstens einer integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildeten Sensoreinrichtung über eine drahtlose Verbindung. Beispielsweise erfolgt die Datenübertragung dabei insbesondere auch über größere Entfernungen via Bluetooth, WLAN, IWLAN oder Li-Fi, Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft bei einer Verwendung sogenannter intelligenter Sensoreinrichtungen.

Bei einer Ausführungsform des Fügewerkzeugs erfolgt die Energieversorgung wenigstens einer integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildeten Sensoreinrichtung durch Energiespeicher wie beispielsweise Batterien bzw. Akkumulatoren. Bei dieser Ausführung sind vorteilhaft keine Kabelführungen oder Einrichtungen zur induktiven Energieübertragung erforderlich.

Bei einer Ausführungsform des Fügewerkzeugs erfolgt die Energie- und/ oder Datenversorgung wenigstens einer integriert mit dem Fügewerkzeug ausgebildeten Sensoreinrichtung induktiv. Dabei kann zur Energie- und/ oder Datenversorgung eine Induktionsspule eingesetzt werden, welche sich insbesondere über eine ausreichende Hublänge des Fügewerkzeugs erstreckt. Bei dieser Ausführung können vorteilhaft Kabelführungen zur Energie- und/ oder Datenversorgung entfallen.

Bei einer Ausführungsform des Fügewerkzeugs sind die Aufnahmeeinrichtung und die wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung in Richtung einer Verbindungsachse vor einer Lagerung des Fügewerkzeugs angeordnet. Bei einer Anordnung der Sensoreinrichtung vor einer Lagerung des Fügewerkzeugs ist diese insbesondere in geringer Entfernung bzw. in unmittelbarer Nähe zum Schraubort angeordnet. Die Prozessgrößen sollen möglichst unverfälscht erfasst werden. Daher werden insbesondere Drehmoment- und Kraftsensoren am besten in unmittelbarer Nähe zur prozessrelevanten Stelle und damit vor einer insbesondere ersten Lagerstelle des Fügewerkzeugs angeordnet. Mit zunehmender Nähe der Sensoreinrichtung zum Schraubort verbessert sich das mit der Sensoreinrichtung erfassbare Messergebnis und damit die Qualität des Erkennens einer Abweichung eines Verbindungsprozesses vom Soll-Prozess.

Bei einer Ausführungsform des Fügewerkzeugs ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, wenigstens eine Prozessgröße zu erfassen, welche ausgewählt ist aus einer Gruppe aufweisend die Prozessgrößen Drehzahl, Drehmoment, Axialkraft, Querkraft, Biegebelastung, Schwingung, Beschleunigung und Temperatur. Aus den Daten dieser Prozessgrößen kann wenigstens eine am Fügewerkzeug wirkende Reaktionsgröße wie die Querkraft, die Normalkraft und/ oder das Drehmoment ermittelt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung von Beispielen einer fehlerhaften

Positionierung von Fügeelementen verglichen mit einer optimalen Positionierung;

Fig. 2: eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil;

Fig. 3: eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Fügewerkzeugs zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil;

Fig. 4: zeigt ein Fügewerkzeug mit integriertem Sensorelement; und

Fig. 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements in wenigstens ein Bauteil.

Fig. 1 zeigt verschiedene Situationen bei der Positionierung von Fügeelementen 10 zum Einbringen in ein Bauteil 11. In der oberen Reihe ist ein Fügeelement 10 beim Einbringvorgang in ein Bauteil 11 von oben dargestellt. Dabei zeigt die linke Darstellung eine ideale Positionierung, welche nachfolgend ohne Abweichung und insbesondere querkraftfrei gefügt werden kann. Die mittlere Darstellung zeigt einen axialen Positionierungsfehler, welcher typischerweise durch Fertigungstoleranzen einer Vorbohrung 12 des Bauteils 11 oder eine ungenaue Positionierung des Fügewerkzeugs entsteht. Um das Einbringen des Fügeelements 10 in das Bauteil 11 trotz des axialen Positionierungsfehlers zu ermöglichen, können sowohl Fügeelemente 10 als auch das Bauteil 11 mit Fasen 10a, 11a versehen sein. Hierdurch kann das Fügeelement 10 auch bei einem Versatz a durch die axiale Fügekraft F in das Bauteil 11 eingebracht werden. Wird die Position des Fügeelements 10 und damit die Position der Krafteinleitung nicht korrigiert, entsteht beim Einbringen des Fügeelements 10 in das Bauteil 11 eine erhöhte Belastung bzw. ein erhöhter Belastungszustand des Fügeelements 10. Die beiden Darstellungen ganz rechts zeigen einen Winkelversatzfehler. Die geneigte Verbindungsachse 14‘ weist dabei einen Winkel ß zu einer Bauteiloberfläche 11 b und entsprechend einen Wnkel a zur vorgesehenen Verbindungsachse 14 auf. Dabei stimmt die Neigung des Fügewerkzeugs 30 nicht mit der Bauteiloberflächennormalen bzw. bei Vorhandensein einer Vorbohrung 12 mit der Bohrungsachse überein. Wird das Fügeelement 10 in dieser Situation dennoch in das Bauteil 11 eingebracht, gleicht sich die Fügeachse 14 während dem Einbringvorgang der Achse der Vorbohrung 12 an. Dies führt zu einer Biegebeanspruchung des Fügewerkzeugs 30 und zu einer Biegebelastung des Fügeelements 10, die sich auch in einer Querbelastung der gesamten Vorrichtung 20 wiederspiegelt.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zum Einbringen eines Fügeelements 12 in ein Bauteil 11 entlang einer Verbindungsachse 14 mit einem Fügewerkzeug 30. Das Fügewerkzeug 30 ist ausgebildet, das Fügeelement 10 in Richtung der Verbindungsachse 14 zu führen und weist eine Aufnahmeeinrichtung 31 zum Aufnehmen des Fügeelements 10 am Fügewerkzeug 30 auf. Ferner weist die Vorrichtung 20 eine Antriebseinrichtung 32 zum Führen des Fügeelements 10 in das Bauteil 11 auf. Am Fügewerkzeug 10 ist eine Sensoreinrichtung 33 zum Erfassen von Daten wenigstens einer Prozessgröße angeordnet. Die Sensoreinrichtung 33 ist eingerichtet, wenigstens eine Prozessgröße zu erfassen, wie beispielsweise eine vom Fügewerkzeug 30 aufgebrachte Axialkraft F, ein vom Fügewerkzeug 30 aufgebrachtes Drehmoment und/ oder die Drehzahl der Rotation, oder am Fügewerkzeug 30 wirkende Kräfte wie die Querkraft, die Biegebelastung, die Beschleunigung oder die Temperatur des Fügewerkzeugs 30 an einer vorbestimmten Position.

Die beispielhafte in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 20 weist ferner eine

Positioniereinrichtung 35 zum Lagern und Positionieren des Fügewerkzeugs 30 und damit des Fügeelements 10 am Bauteil 11 auf. Das Fügewerkzeug 10 kann mittels der Positioniereinrichtung 35 gegenüber dem Bauteil 11 sowohl in einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse 11 als auch in einem Winkel ß zu der insbesondere dem Fügeelement 10 zugewandten Oberfläche 11b des Bauteils 11 positioniert werden. Die beispielhafte Positioniereinrichtung 35, hier ein Mehrachsroboter, ist eingerichtet, die Positionierung des Fügewerkzeugs 10 gegenüber dem Bauteil 11 zu korrigieren.

Ferner weist die Vorrichtung 20 eine Maschinensteuerung 40 zum Steuern der Vorrichtung 20 auf. Die Maschinensteuerung 40 ist ferner eingerichtet, mithilfe der von der wenigstens einen Sensoreinrichtung 33 erfassten Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine mögliche Abweichung vom Soll-Prozess zu bestimmen. Darüber hinaus kann die Maschinensteuerung 40 eingerichtet sein, aus den Daten der wenigstens einen erfassten Prozessgröße wenigstens eine am Fügewerkzeug 30 wirkende Reaktionsgröße wie die Querkraft, die Normalkraft und/ oder das Drehmoment zu ermitteln.

Fig. 3 zeigt rechts eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fügewerkzeugs 30 zum Einbringen eines Fügeelements 10 in wenigstens ein Bauteil 11. In der linken Darstellung in Fig. 3 ist ein Fügewerkzeug 130 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, an welchem mehrere Sensoreinrichtungen 133 angeordnet sind. Eine Antriebseinrichtung 132 dient zum Antreiben des Fügewerkzeugs 130. Die Erfassung der Prozessgrößen soll möglichst unverfälscht erfolgen, weshalb Sensoreinrichtungen 133 am Fügewerkzeug 130 auch möglichst in unmittelbarer Nähe zur Aufnahme 131 eines Fügeelements 10 angebracht werden. Wie aus der linken Darstellung in Fig. 3 hervorgeht, ist dies insbesondere bei Einzelgrößensensoren 133 nicht problemlos möglich. Zusätzlich können in dem Bauraum, der für Sensoreinrichtungen 133 genutzt wird, keine Lagerungen 134 vorgesehen werden, was für größere Abstände und somit höhere Hebelwirkungen sorgt. Die Baugröße der Sensoren 133 hat zudem direkten Einfluss auf die Gesamtbaulänge des Fügewerkzeugs 130, was vor allem bei robotergeführten Anwendungen nachteilig ist. In der rechten Darstellung in Fig. 3 ist ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Fügewerkzeug 30 zum Einbringen eines Fügeelements 10 in wenigstens ein Bauteil 11 entlang einer Verbindungsachse 14 dargestellt. Das Fügewerkzeug 30 weist eine Aufnahmeeinrichtung 31 auf, an welcher ein Fügeelement 10 am Fügewerkzeug 30 aufnehmbar ist. Beim beispielhaften erfindungsgemäßen Fügewerkzeug 30 ist wenigstens eine Sensoreinrichtung 33 zum Erfassen von Daten wenigstens einer am Fügewerkzeug 30 erfassbaren Prozessgröße integriert mit dem Fügewerkzeug 30 ausgebildet. Die Aufnahmeeinrichtung 31 und die wenigstens eine integrierte Sensoreinrichtung 33 sind in Richtung der Verbindungsachse 14 vor einer Lagerung 34 des Fügewerkzeugs 30 angeordnet. Auch das Fügewerkzeug 30 ist mit einer Antriebseinrichtung 32 verbunden.

Das Fügewerkzeug 30 weist ferner eine Schnittstelle 36 zur Energie- und/ oder Datenversorgung der wenigstens einen mit dem Fügewerkzeug 30 integriert ausgebildeten Sensoreinrichtung 33 auf, wobei die Datenübertragung wenigstens einer integriert mit dem Fügewerkzeug 30 ausgebildeten Sensoreinrichtung 33 über eine drahtlose Verbindung erfolgen kann.

Die Energieversorgung wenigstens einer integriert mit dem beispielhaften erfindungsgemäßen Fügewerkzeug 30 ausgebildeten Sensoreinrichtung 33 erfolgt durch einen Energiespeicher 37, wobei die Energie- und/ oder Datenversorgung wenigstens einer integriert mit dem Fügewerkzeug 30 ausgebildeten Sensoreinrichtung 33 auch induktiv erfolgen kann.

Fig. 4 zeigt ein Fügewerkzeug 30 mit integrierter Sensoreinrichtung 33 in Form eines Querkraftsensors 33a. An der Aufnahmeeinrichtung 31 des Fügewerkzeugs ist ein beispielhaft als fließloch- und gewindeformende Schraube ausgebildetes Fügeelement 10 angeordnet, welche in ein Bauteil 11 in Form eines Blechs geführt wird. An der Aufnahmeeinrichtung 31 ist ein beispielsweise als Bit ausgebildetes Eingriffselement angeordnet, welches sich im Eingriffsmerkmal des Kopfs des Fügeelements 10 befindet. Während das Fügewerkzeug 30 das Fügeelement 10 in das Bauteil 11 führt, erfasst der Querkraftsensor 33 die am Fügewerkzeug 30 wirkende Querkraft F. Die erfassten Daten der Querkraft F stellen Daten einer Prozessgröße dar, welche die Belastung des Fügeelements 10 charakterisieren und an eine Maschinensteuerung gesendet werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt eine aus dem Einbringprozess resultierende Querkraft F an der Verbindungsstelle zwischen der Aufnahmeeinrichtung 31 und dem Kopf des Fügeelements 10, aus welcher eine Belastung des Fügeelements 10 ableitbar ist. Die resultierende Querkraft F führt zu einer messbaren Biegebeanspruchung des Fügewerkzeugs 30 sowie gleichzeitig zu einer Biegebelastung des Fügeelements 10. Im Ausführungsbeispiel stellt damit die erfasste Querkraft F die Prozessgröße dar, welche die Belastung des Fügeelements 10 charakterisiert und deren Daten an die Maschinensteuerung gesendet werden.

Die Maschinensteuerung bestimmt mithilfe dieser Daten die Belastung des Fügeelements 10. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies unter Berücksichtigung des Abstands a des Querkraftsensors 33a sowie des Abstands s des Fügeelements 10 von der Oberfläche des Bauteils 11 , in welches das Fügeelement 11 eingebracht werden soll. Die Kalibrierung des Querkraftsensors 33a erfolgte unter Berücksichtigung dieser Abstände. Eine Belastung des Fügeelements 10 durch die auf das Fügeelement 10 wirkende Querkraft F kann so anhand wenigstens einer im Fügewerkzeug 30 erfassten Prozessgröße bestimmt werden. Mit Kenntnis der Abstände a und s kann ferner auch die Biegebelastung des Fügeelements während dem Fügeprozess berechnet werden. So kann eine mögliche Abweichung der Belastung des Fügeelements 10 von einer Soll- Belastung, im Ausführungsbeispiel insbesondere eine durch eine Querkraft bzw. eine Biegebelastung definierte Soll-Belastung bestimmt werden. So kann bereits während dem Führen des Fügeelements 10 in das Bauteil 11 eine Bewertung der Verbindungsqualität erfolgen. In Verbindung mit einer Speicherung der Daten der während dem Einbringen erfassten wenigstens einen Prozessgröße ist es außerdem möglich, die Verbindungsqualität auch zu einem späteren Zeitpunkt zu bewerten.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements 10 in wenigstens ein Bauteil 11 entlang einer Verbindungsachse 14 mittels eines Fügewerkzeugs 30, welches ausgebildet ist, das Fügeelement 10 in Richtung der Verbindungsachse 14 zu führen. In einem ersten Schritt a) wird das Fügeelement 10 am Fügewerkzeug 30 aufgenommen. In einem zweiten Schritt b) wird das Fügewerkzeug 30 mit dem Fügeelement 10 am Bauteil 11 positioniert und in Schritt c) in das Bauteil 11 geführt. Dabei werden am Fügewerkzeug 30 in einem Teilschritt c1) Daten wenigstens einer die Belastung des Fügeelements 10 während dessen Führung in das Bauteil 11 charakterisierenden Prozessgröße erfasst und an eine Maschinensteuerung 40 gesendet, wobei in einem weiteren Teilschritt c2) die Maschinensteuerung 40 mithilfe der erhaltenen Daten der wenigstens einen Prozessgröße eine mögliche Abweichung der Belastung des Fügeelements 10 von einer Soll-Belastung bestimmt, so dass eine zerstörungsfreie Bewertung der Verbindungsqualität während und nach dem Führen des Fügeelements 10 in das Bauteil 11 ermöglicht ist. Ist das Fügeelement 10 in das Bauteil 11 eingebracht, wird im Schritt d) das Fügewerkzeug 30 vom Fügeelement 10 gelöst. Die im Schritt c1) am Fügewerkzeug 30 erfassten Daten der wenigstens einen die Belastung des anliegenden Fügeelements 10 charakterisierenden Prozessgröße sind insbesondere geeignet, um die Belastung des Fügeelements 10 durch eine auf dieses wirkende Querkraft zu bestimmen.

Optional kann im Schritt c2) die Maschinensteuerung 40 die mögliche Abweichung der Positionierung des Fügewerkzeugs 30 von einer Soll- Positionierung bestimmen. Ebenso optional kann im Schritt c) ein weiterer Teilschritt c3) ausgeführt werden, in welchem die Maschinensteuerung 40 im Falle einer bestimmten Abweichung der Belastung des Fügeelements 10 und/ oder der Positionierung des Fügewerkzeugs 30 wenigstens einen Korrekturwert für wenigstens eine Prozessgröße ableitet.

In einem weiteren optionalen Teilschritt c4) wird die wenigstens eine Prozessgröße mithilfe des wenigstens einen im Schritt c3) abgeleiteten Korrekturwerts für diese wenigstens eine Prozessgröße korrigiert. Dabei kann bei einer Ausführung der Vorrichtung 20, bei welcher das Fügewerkzeug 30 mittels einer Positioniereinrichtung 35 gegenüber dem Bauteil 11 sowohl in einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse 14 als auch in wenigstens einem Winkel ß zu einer Bauteiloberfläche 11 b positionierbar ist, basierend auf dem wenigstens einen abgeleiteten Korrekturwert die Positionierung des Fügewerkzeugs 30 gegenüber dem Bauteil 11 korrigiert werden.

In einem weiteren optionalen Schritt e) wird der wenigstens eine im Schritt c3) abgeleitete Korrekturwert für die Positionierung des Fügewerkzeugs 30 bei der Ausführung des Schritts b), dem Positionieren des Fügewerkzeugs 30 mit dem Fügeelement 10 am Bauteil 11 bei einer nachfolgenden Durchführung des Verfahrens zum Einbringen eines Fügeelements 10 verwendet.