DE19602712A1 - Verfahren und Simulationsvorrichtung zur Ermittlung von experimentellen Daten zur Qualitätsbewertung von Werkzeugträgern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von experimentellen Daten zur Qualitätsprognose bei der Konstruktion von Werkzeugträgern und/oder zur Qualitätsbewertung von Werkzeugträgern, insbesondere C-förmigen Werkzeugträgern, zum Halten von zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen zum Verbinden von Bauelementen.

Darüberhinaus betrifft die Erfindung einen Werkzeugträger zum Halten zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen zum Verbinden von Bauelementen mit einem unter Bildung einer C- Form aus einem Steg, zwei im wesentlichen rechtwinklig dazu einseitig abgewinkelten Schenkeln sowie daran im wesentlichen rechtwinklig zum jeweiligen Schenkel angeordneten, nach innen aufeinanderzuweisenden Endstegen bestehenden Grundrahmen, an dessen zueinanderweisenden offenen Endstegen mindestens eine Aufnahme für ein Unter- bzw. ein Oberwerkzeug angeordnet ist.

Derartige C-förmige Werkzeugträger werden üblicherweise für die Verbindung von Blechteilen, z. B. in der Automobilindustrie, genutzt. Die Ober- und Unterwerkzeuge können hierbei z. B. Punktschweißelektroden sein, es kann sich aber auch um Werkzeuge zum umformtechnischen Fügen, z. B. Durchsetzfügewerkzeuge oder Stanznietwerkzeuge, handeln.

Insbesondere bei der Verwendung von Durchsetzfüge- und Nietwerkzeugen, bei denen die Ober- und Unterwerkzeuge mit großer Kraft gegeneinander wirken, kommt es aufgrund der hohen Kräfte und der endlichen Steifigkeit der Werkzeugträger zu einer Aufbiegung konventioneller C-förmiger Werkzeugträger, so daß Ober- und Unterwerkzeug nicht mehr fluchten, sondern einen Lateral- oder Winkelversatz aufweisen. Dies führt zu einer Qualitätsminderung der gefertigten Verbindung. Um dieses zu reduzieren, ist es notwendig, die Werkzeugträger besonders stabil hinsichtlich der unerwünschten Aufbiegung auszulegen. Andererseits sollten die Werkzeugträger jedoch aus Energie- und Materialersparnisgründen, aus Gründen des leichteren Handlings und wegen der besseren Zugänglichkeit zu den Bauelementen möglichst leicht und klein ausgeführt sein.

Zum Bau optimaler Werkzeugträger ist es daher bisher üblich, jeweils aufwendige Prototypen herzustellen und diese dann versuchsweise zur Verbindung von Bauelementen zu verwenden. Auf diese Weise werden experimentelle Kennwerte, wie z. B. Zugfestigkeit, Scherfestigkeit, die Steifigkeit, das Energieaufnahmevermögen oder die Bruchdehnung, bei den unter Einsatz des Werkzeugträgers gefertigten Verbindungen gewonnen. Die aus diesen Kennwerten und den optischen Bewertungen von metallographischen Schliffen der Verbindungen bestehenden Daten geben dann Aufschluß über die Qualität der Verbindung bzw. über die Qualität und die Einsatzfähigkeit des Werkzeugträgers.

Die Herstellung von Prototypen ist jedoch zum einen sehr zeitaufwendig und zum anderen auch sehr kostenintensiv. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit Hilfe dessen schon direkt aus den Konstruktionsdaten für den Werkzeugträger, auch ohne Bau eines Prototyps, solche experimentellen Daten und damit die spätere Qualität der unter Zuhilfenahme des Werkzeugträgers hergestellten Verbindungen, bzw. die Qualität des Werkzeugträgers selbst, ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß aus den Konstruktionsdaten für den Werkzeugträger und/oder aus der Analyse von Verformungen an Werkzeugträgern des vorgegebenen Typs mindestens ein Lateral- und ein Winkelversatz zwischen Ober- und Unterwerkzeug und/oder dem Bauelement in Abhängigkeit von einer Druckkraft zwischen dem Ober- und dem Unterwerkzeug ermittelt werden und daß in einer ein entsprechendes Ober- und ein Unterwerkzeug aufweisenden Simulationsvorrichtung beim Verbinden von entsprechenden Bau- und/oder Prüfelementen für jede Druckkraft die zugehörigen ermittelten Versatzdaten definiert eingestellt werden und anschließend die in der Simulationsvorrichtung gefertigten Verbindungen auf die zu ermittelnden Daten hin untersucht werden.

Mit diesem Verfahren ist es möglich aus der Aufbiegung von Werkzeugträgern resultierende Fluchtungsfehler definiert zu simulieren und ggf. zu kompensieren.

Somit kann mit Hilfe dieses Verfahrens der Werkzeugträger ohne großen zeitlichen und finanziellen Aufwand direkt schon in der Konstruktionsphase optimiert werden. Die Herstellung mehrerer Prototypen erübrigt sich.

Die Aufbiegeeigenschaften des Werkzeugträgers bzw. die Versatzdaten in Abhängigkeit von der Druckkraft können z. B. mittels der Finiten-Elemente-Methode aus den Konstruktionsdaten ermittelt werden.

Selbstverständlich kann mit dem Verfahren auch eine Qualitätsbewertung von bereits realisierten Werkzeugträgern durchgeführt werden. Hierzu müssen lediglich die Konstruktionsdaten bekannt sein. Es ist daher auch möglich, eine Qualitätsbewertung von Werkzeugen per Ferndiagnose durchzuführen, indem die Daten telefonisch übermittelt werden.

Bei der Bewertung von bereits realisierten Werkzeugträgern ist es natürlich auch möglich, die Aufbiegeeigenschaften direkt experimentell vom Werkzeugträger abzunehmen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Konstruktionsdaten und/oder die Daten über den Werkzeugversatz und/oder die ermittelten Kennwerte in Datenbanken abgespeichert werden und/oder mit jeweils entsprechenden, bereits in einer Datenbank gespeicherten Daten verglichen werden. Durch das Anlegen entsprechender Datenbanken bzw. Bibliotheken kann die Durchführung von gleichartigen Simulationen vermieden werden, so daß hier ein zusätzlicher finanzieller und zeitlicher Vorteil entsteht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine entsprechende Simulationsvorrichtung für die Werkzeugträger zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine jeweils an einem Gestell angeordnete Unterwerkzeugaufnahme und eine Oberwerkzeugaufnahme, welche zum Verbinden von Bau- und/oder Prüfelementen aufeinander zu zusammenfahrbar und wieder auseinanderfahrbar sind, mindestens eine Meßvorrichtung zum Messen der beim Verbindungsvorgang an den einzelnen Werkzeugen und/oder den Werkzeugaufnahmen auftretenden Kräfte und mindestens eine Vorrichtung zur Verstellung der relativen Position des Unter- und/oder des Oberwerkzeugs und/oder der Unter- und/oder der Oberwerkzeugaufnahme zueinander während des Verbindungsvorgangs.

Die Unteransprüche 4 bis 11 enthalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Simulationsvorrichtung.

Wie eingangs beschrieben, ist es gewünscht, die Werkzeugträger möglichst klein und leicht zu gestalten. Durch die benötigten Stabilitätsbedingungen ist diese Möglichkeit nach unten limitiert, so daß auch bei einer geschickten, optimalen Konstruktion nicht über diese untere Grenze hinausgegangen werden kann.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Werkzeugträger der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher besonders leicht aufgebaut ist und bei welchem trotzdem ein Lateral- oder Winkelversatz zwischen Ober- und Unterwerkzeug vermieden wird. Dieser Werkzeugträger sollte zudem einfach und kostengünstig aufgebaut sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Werkzeugträger Bewegungsorgane zur zueinanderfluchtenden Ausrichtung der in den Aufnahme befindlichen Ober- und Unterwerkzeuge angeordnet sind.

Ein so aufgebauter Werkzeugträger muß nicht die Stabilität aufweisen wie ein herkömmlicher Werkzeugträger, bei dem unbedingt eine Aufbiegung des Trägers beim Fügeprozeß minimiert werden muß. Er kann daher erheblich leichter und weniger stabil aufgebaut sein. Langwierige Optimierungen bei der Konstruktion werden erheblich reduziert.

Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Werkzeugträger den Vorteil, daß auch nicht konstruktionsbedingte Fehler, wie Beschädigungen des Werkzeugträgers beim Gebrauch, z. B. Verbiegungen aufgrund von Kollisionen mit anderen Geräten, jederzeit korrigiert werden und ein Austausch des Werkzeugträgers im Gegensatz zu den herkömmlichen Werkzeugträgern nicht mehr in jedem Fall nötig ist.

Die Unteransprüche 13 bis 28 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeugträgers.

Die Bewegungsorgane können jeweils zwischen dem Steg und jeweils einem der Endstege verlaufende Schub- und/oder Zugorgane sein, welche beim Auseinanderdrücken der Bewegungsorgane den Winkel zwischen dem jeweiligen Endsteg und dem Steg spreizen und beim Zusammenziehen verengen.

Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Bewegungsorgane zwischen jeweils einem Endsteg und dem zugehörigen Schenkel diagonal angeordnet sind. Innerhalb des C-Rahmens steht dann ein größerer Freiraum zur Verfügung, was beim Fügen von raumgreifenden Bauteilen von Vorteil sein kann.

Vorzugsweise sind die Endstege jeweils gelenkig mit den Schenkeln verbunden und zwar so, daß die Schwenkachsen der Verbindungsgelenke zwischen den Schenkeln und den Endstegen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Schenkel und des Stegs angeordnet sind. In diesem Fall können die Endstege durch die Bewegungsorgane nicht nur fluchtend ausgerichtet werden, sondern sie können ggf. auch noch vorne aufgeklappt werden, um so den Zugang der Fügewerkzeuge zu nur schwer zugänglichen Stellen an den zu fügenden Bauteilen möglich zu machen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn mindestens ein Schenkel ein Längenausgleichselement zur Variation der Schenkellänge aufweist und wenn der Werkzeugträger mindestens eine Lageausgleichsvorrichtung aufweist, welche eine Verschiebung des Werkzeugträgers parallel zu den Schenkeln erlaubt.

Mit Hilfe des Längenausgleichselements und der Lageausgleichsvorrichtung kann der sogenannte Schiebungseffekt kompensiert werden. Dieser Schiebungseffekt besteht darin, daß bei einer Spreizung des Winkels zwischen Steg und Schenkel und einer anschließenden Kompensation der daraus resultierenden Winkelveränderung zwischen Steg und Endsteg durch eine Veränderung des Winkels zwischen Endsteg und Schenkel, der Endsteg anschließend zwar wieder in der gleichen Richtung bezüglich des Stegs wie vorher liegt, jedoch der Endsteg dann parallel versetzt an den Steg heran oder davon weggeschoben ist. Bei einer asymmetrischen Aufbiegung des Werkzeugträgers und einer entsprechenden Kompensation in den beiden Winkeln zwischen Endsteg und jeweiligem Schenkel führt dies zu einem parallelen Lateralversatz zwischen dem Unter- und dem Oberwerkzeug bzw. zum gewünschten Fügepunkt.

Der Lateralversatz zwischen Ober- und Unterwerkzeug kann dann mittels des Längenausgleichselements kompensiert werden. Der Versatz zum Fügepunkt wird über die Lageausgleichsvorrichtung kompensiert. An Stelle der Lageausgleichsvorrichtung kann diese Bewegung selbstverständlich auch direkt von einem den Werkzeugträger haltenden Fertigungsroboter durchgeführt werden.

Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn parallel zum Grundrahmen am Werkzeugträger ein Referenzrahmen angeordnet ist und wenn am Grundrahmen bzw. Referenzrahmen Meßelemente zur Positionsmessung und/oder Überwachung von mindestens einem, vorzugsweise mehreren Meßpunkten des Grundrahmens angeordnet sind. Bei dem Referenzrahmen kann es sich um einen parallel zum Grundrahmen des Werkzeugträgers liegenden leichten Rahmen, z. B. aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen oder aus faserverstärkten Kunststoffen, handeln. An den bestimmten zu kontrollierenden Stellen, z. B. an den Werkzeugaufnahmen des Grundrahmens, können sich dann z. B. die Sender einer Lichtschranke befinden. An den entsprechenden Stellen des Referenzrahmens sind die Empfänger der Lichtschranke angeordnet. Vorteilhafterweise ist an die Lichtschranken ein Regelgerät angeschlossen, welches die jeweiligen Ist-Positionen der Meßpunkte ermittelt und in Abhängigkeit von der Lage der Ist-Positionen zu den dem Regelgerät zuvor eingegebenen Soll-Positionen die Bewegungsorgane entsprechend ansteuert und so den Grundrahmen entsprechend dem Referenzrahmen wieder ausrichtet und die Unter- und Oberwerkzeuge jeweils zueinander fluchtend ausrichtet.

Eine weitere Möglichkeit, die Verformung des Werkzeugträgers bzw. des Grundrahmens zu vermessen besteht darin, daß am Grundrahmen an den kritischen Stellen Dehnungsmeßstreifen oder piezoresistive Kraftsensoren, wie z. B. die herkömmlichen bekannten Kraftmeßdübel, angebracht werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination der verschiedenen Meßmöglichkeiten denkbar.

Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Simulationsvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des mit X bezeichneten Ausschnitts der Simulationsvorrichtung aus Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Werkzeugträgers,

Fig. 4 eine schematische Vorderansicht des Werkzeugträgers aus Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Werkzeugträgers mit dazwischenliegenden zu fügenden Bauteilen,

Fig. 6 eine weitere schematische Seitenansicht des Werkzeugträgers aus Fig. 5 mit aufgeklappten Endstegen zum Einbringen des zu fügenden Bauelements.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von experimentellen Kennwerten zur Qualitätsprognose bei der Konstruktion von C-förmigen Werkzeugträgern oder zur Qualitätsbewertung von bereits realisierten Werkzeugträgern (1) zum Halten von zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen (2, 3) für die Verbindung von Bauelementen (4) werden aus den Konstruktionsdaten für den Werkzeugträger (1) jeweils der Lateral- und der Winkelversatz zwischen dem Oberwerkzeug (2) und dem Unterwerkzeug (3) und dem Bauelement (4) in Abhängigkeit von der jeweiligen Druckkraft zwischen Ober- und Unterwerkzeug (2, 3) ermittelt.

Dies ist mit bekannten Berechnungsmethoden, z. B. der Finiten- Elemente-Methode, möglich. Falls es sich um die Bewertung von bereits realisierten Werkzeugträgern (1) handelt, ist es alternativ auch möglich, die Versatzdaten in Abhängigkeit von der Druckkraft experimentell an dem bereits vorhandenen Werkzeugträgergrundrahmen (30) zu messen. Die so ermittelten Daten bilden die Eingangsdaten bzw. Solldaten für eine dann folgende Simulation und können in einer Datenbank abgespeichert werden.

In einer ein entsprechendes Unter- und Oberwerkzeug (2, 3) aufweisenden Simulationsvorrichtung (10) werden beim Verbinden von entsprechenden Bau- bzw. Prüfelementen (4) für jede Druckkraft die zugehörigen zuvor ermittelten Versatzdaten über entsprechend geregelte Stellglieder automatisch definiert eingestellt. Anschließend werden die in der Simulationsvorrichtung (10) gefertigten Verbindungen auf die zu ermittelnden Kennwerte hin mit den üblichen Methoden, d. h. durch Belastungsprüfungen, wie z. B. Zugprüfungen oder auch durch Durchtrennen der Verbindungsstellen im Querschnitt und anschließende optische Kontrolle, auf die zu ermittelnden Daten, d. h. auf die Eigenschaften der Verbindung hin untersucht.

Die so ermittelten Daten werden ebenfalls in Datenbanken abgespeichert. Es ist jederzeit ein Vergleich mit den bereits in Datenbanken gespeicherten entsprechenden Daten möglich.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Simulationsvorrichtung eine jeweils an einem Gestell (11) angeordnete Unterwerkzeugaufnahme (13) und eine Oberwerkzeugaufnahme (12) auf, welche zum Verbinden von Bau- bzw. Prüfelementen (4) relativ aufeinander zu zusammenfahrbar und wieder auseinanderfahrbar sind.

Das Gestell (4) besteht aus einer unteren und einer oberen Trägerplatte (22, 26), welche durch vier an den Ecken befindliche Trägersäulen (24) in einem Abstand miteinander verbunden sind. An der Oberseite der unteren Trägerplatte (22) ist zwischen den Trägerplatten (22, 26) die Unterwerkzeugaufnahme (13) angeordnet. Gegenüberliegend der Unterwerkzeugaufnahme (13) ist die Oberwerkzeugaufnahme (12) mit einer Antriebseinheit (27) zum Auf- und Abfahren der Oberwerkzeugaufnahme (12) verbunden, welche an der oberen Trägerplatte (26) festgelegt ist. Bei der Antriebseinheit (27) kann es sich z. B. um eine elektromotorische, pneumatische oder hydraulische Antriebseinheit (27) handeln.

Die Unterwerkzeugaufnahme (13) ist mittels eines Stellglieds (14) um eine horizontale Achse (15) verkippbar auf einem Schlitten (19) gelagert. Das Stellglied (14) ist an einer Seite gelenkig mit der Unterwerkzeugaufnahme (13) und am anderen Ende mit einem ebenfalls auf dem Schlitten (19) festgelegten Stützblock (21) gelenkig verbunden.

Der Schlitten (19) ist in oder an der unteren Trägerplatte (22) horizontal verschiebbar geführt und über ein Stellglied (18) mit einem an der unteren Trägerplatte (22) festgelegten Stützblock (21) verbunden. Somit kann ein Lateralversatz und ein Winkelversatz der Unterwerkzeugaufnahme (13) relativ zur Oberwerkzeugaufnahme (12) über die Stellglieder (14, 18) eingestellt werden. Bei den Stellgliedern kann es sich um z. B. elektromotorische Stellglieder oder Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, die über Servo-Ventile angesteuert werden, handeln.

Die Unterwerkzeugaufnahme (13) und die Oberwerkzeugaufnahme (12) bzw. die Antriebseinheit (27) sind mit Meßelementen zur Ermittlung der Kraft beim Zusammendrücken des Oberwerkzeugs (2) auf das Unterwerkzeug (3) versehen (nicht dargestellt). Dies können z. B. in der Unterwerkzeugaufnahme (13) bzw. der Oberwerkzeugaufnahme (12) befindliche Kraftmeßdosen sein. Bei einer motorischen Antriebseinheit (27) kann die Kraftermittlung z. B. auch über die Ermittlung der Motorbelastung erfolgen.

Weiterhin weist die Simulationsvorrichtung eine Bau- bzw. Prüfelementhalterung (20) auf. Diese ist mittels Stellgliedern (16) horizontal zwischen die Ober- und Unterwerkzeugaufnahmen (12, 13) sowie vertikal zwischen den Ober- und Unterwerkzeugaufnahmen (12, 13) verfahrbar. Weiterhin ist die Bau- und/oder Prüfelementhalterung (20) um eine parallel zur Verkippungsachse (15) der Unterwerkzeugaufnahme (13) liegende Achse (17) verkippbar. Somit können alle beliebigen Stellungen zwischen Bau- bzw. Prüfelement (20), Unterwerkzeug (3) und Oberwerkzeug (2) relativ zueinander, d. h. auch der bereits erläuterte Schiebungseffekt, simuliert werden.

Selbstverständlich besteht eine äquivalente Lösung darin, die Bau- bzw. Prüfelementehalterung (20) starr zu befestigen und die Ober- und Unterwerkzeugaufnahmen entsprechend relativ zur Halterung (20) zu verfahren bzw. zu verkippen.

Die Unterwerkzeugaufnahme (13) und die Oberwerkzeugaufnahme (12) sowie die Bau- und/oder Prüfelementhalterung (20) sind jeweils mit Meßelementen zur Ermittlung der Lage des Unterwerkzeugs (3), des Oberwerkzeugs (2) bzw. des Bau- und/oder Prüfelements (4) versehen. Diese Lagemeßelemente ermitteln sowohl die Position im Raum als auch die jeweilige Richtung der Unter- und Oberwerkzeuge (2, 3).

Die Kraftmeßelemente, die Lagemeßelemente und die Stellglieder (14, 16, 18) sind mit Kontroll- und Steuereinrichtungen verbunden. Diese sind wiederum an einem mit einem Datenspeicher verbundenen Computer angeschlossen (nicht dargestellt).

Der Datenspeicher enthält die nötigen Funktionen der Versatzdaten in Abhängigkeit von der Druckkraft entweder in tabellarischer Form oder als analytische Funktion, wie sie aus den Konstruktionsdaten für den zu simulierenden Werkzeugträger ermittelt bzw. experimentell an einem bereits vorhandenen Werkzeugträger gemessen wurden. Entsprechend dieser Daten wird dann während des Fügens der Versatz in Abhängigkeit von der von den Meßelementen gemessenen Kraft und der derzeitigen Ist- Position bzw. Lage der Werkzeuge (2, 3) über die Steuereinrichtung eingestellt.

Der erfindungsgemäße Werkzeugträger (1) weist gemäß den Ausführungsbeispielen in Fig. 3 bis 6 einen C-förmigen Grundrahmen (30), bestehend aus einem Steg (31), zwei im wesentlichen rechtwinklig dazu einseitig abgewinkelten Schenkeln (34) sowie daran im wesentlichen rechtwinklig zum jeweiligen Schenkel (34) angeordneten, nach innen aufeinanderzuweisenden Endstegen (32, 33) auf. An den zueinanderweisenden offenen Endstegen (32, 33) befindet sich jeweils eine Aufnahme (12, 13) für ein Unter- bzw. ein Oberwerkzeug (2, 3).

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 befinden sich parallel zu den Schenkeln (34) des Grundrahmens (30) zwischen dem Steg (31) und jeweils einem der Endstege (32, 33) verlaufende Schub-/Zug-Organe (35). Bei diesen Schub-/Zug- Organen (35) handelt es sich um Stellglieder (35) in Form von z. B. von Servo-Ventilen gesteuerten Hydraulik- /Pneumatikzylindern, elektromotorischen Schub-/Zugstangen od. dgl . . Diese Stellglieder (35) sind endseitig jeweils gelenkig mit dem Steg (31) und dem jeweiligen Endsteg (32, 33) verbunden.

Die Endstege (32, 33) sind ebenfalls jeweils gelenkig mit den angrenzenden Schenkeln (34) verbunden. Die Schwenkachsen dieser Verbindungsgelenke (36) zwischen den Schenkeln (34) und den Endstegen (32, 33) sind senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Schenkel (34) und des Stegs (31) angeordnet. Über die Stellglieder (35) ist damit der Winkel zwischen dem jeweiligen Endsteg (32, 33) und dem Steg (31) veränderbar, d. h. der Winkel wird beim Auseinanderfahren der Stellglieder (35) gespreizt und beim Zusammenziehen verengt. Bei einem Auseinanderspreizen der beiden Schenkel (34) aufgrund einer zu großen Kraft zwischen Unter- und Oberwerkzeug (2, 3) können über die Stellglieder (35) Unter- und Oberwerkzeug (2, 3) jeweils fluchtend zueinander eingeregelt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 und 6 sind die Bewegungsorgane (35) jeweils diagonal zwischen einem Endsteg (32, 33) und dem zugehörigen Schenkel (34) angeordnet. Dadurch verbleibt innerhalb des C-förmigen Grundrahmens (30) erheblich mehr Freiraum für eventuell größere oder unhandlichere Bauelemente (4).

Bei einer so konstruierten Werkzeugaufnahme ist es möglich, die Endstege (32, 33), welche die Werkzeuge halten, jeweils nach vorne wegzuklappen, um auf diese Weise einfacher an ansonsten nur schwer zugängliche Fügestellen zu gelangen (siehe Fig. 6).

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und 6 weist ein Schenkel (34) ein Längenausgleichselement (35a) zur Variation der Schenkellänge auf. Der Werkzeugträger (1) ist außerdem über eine Längenausgleichsvorrichtung (35b) mit seiner Halterung verbunden. Hierüber ist eine Verschiebung des Werkzeugträgers (1) parallel zu den Schenkeln (34) möglich. Diese Bewegung kann selbstverständlich auch direkt von der Halterung, z. B. dem Fertigungsroboter, durchgeführt werden.

Der Längenausgleich und der Lageausgleich wird durchgeführt um den schon zuvor erläuterten Schiebungseffekt zu kompensieren.

Vorteilhafterweise befindet sich an der Oberwerkzeugaufnahme (12) ein ringförmig um die Oberwerkzeugaufnahme (12) angeordneter, über das Oberwerkzeug (2) verschiebbarer Niederhalter (37) zum Festklemmen der jeweils zu fügenden Bauteile (4) beim Verbinden.

Die gelenkige Verbindung zwischen Schenkeln (34) und Endstegen (32, 33) ist nicht zwingend notwendig. Bei leichten Trägerkonstruktionen kann der jeweilige Endsteg (32, 33) auch durch einen entsprechenden hohen Kraftaufwand durch das Stellglied (35) gegen den jeweiligen Schenkel (34) verbogen werden.

Der obere Endsteg (33) ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Rohr ausgeführt und bildet gleichzeitig ein Gehäuse für die Antriebsmittel (38) zur Auf- und Abbewegung des Oberwerkzeugs (2) und des Niederhalters (37).

Parallel zum Grundrahmen (30) ist am Werkzeugträger (1) ein Referenzrahmen (40) angeordnet. Hierbei handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen leichten, dünnen Alu-Rahmen (40), der im Bereich des Stegs (31) mit dem Grundrahmen (30) verbunden ist. Am Grundrahmen (30) sowie am Referenzrahmen (40) befinden sich Meßelemente (41, 42) zur Positionsmessung von verschiedenen Meßpunkten am Grundrahmen (30).

Als Meßpunkte wurden im vorliegenden Beispiel jeweils ein Punkt direkt an der Oberwerkzeugaufnahme (12) und ein weiterer Meßpunkt an der Unterwerkzeugaufnahme (13) ausgewählt. Die Meßelemente bestehen jeweils aus gegenüberliegend am Grundrahmen (30) sowie am Referenzrahmen (40) an den entsprechenden Meßpunkten angeordneten Sendern (41) bzw. Empfängern (42) einer Lichtschranke.

An Stelle einfacher Lichtschranken ist es auch sinnvoll, z. B. optische Abstandsmesser einzusetzen, um so die jeweilige Lage des Grundrahmens (30) zum Referenzrahmen (40) an den entsprechenden Meßpunkten dreidimensional zu erfassen.

Alternativ können an Stelle der hier genannten Methode mittels eines Referenzrahmens (40) oder auch in Kombination mit dieser Methode am Grundrahmen (30) Dehnungsmeßstreifen zur Messung der Aufbiegung des Werkzeugträgers (1) angeordnet sein. Ebenso ist selbstverständlich auch die Verwendung von piezoresistiven Kraftsensoren, z. B. den bekannten Kraftmeßdübeln, denkbar.

Die Meßelemente (41, 42) und die Stellglieder (35) sind mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden. Dieses Regelgerät (nicht dargestellt) ermittelt über die angeschlossenen Meßelemente (41, 42) die jeweilige Ist-Position der Meßpunkte. In Abhängigkeit von der Differenz der jeweiligen Ist- Positionen zu den dem Regelgerät voreingegebenen Soll- Positionen werden die Stellglieder (35) entsprechend angesteuert, so daß immer die gewünschte fluchtende Ausrichtung von Ober- und Unterwerkzeug (2, 3) eingehalten wird.

Claims (28)

1. Verfahren zur Ermittlung von experimentellen Daten zur Qualitätsprognose bei der Konstruktion von Werkzeugträgern und/oder zur Qualitätsbewertung von Werkzeugträgern (1), insbesondere C-förmigen Werkzeugträgern (1), zum Halten von zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen (2, 3) zum Verbinden von Bauelementen (4), dadurch gekennzeichnet, daß aus den Konstruktionsdaten für den Werkzeugträger (1) und/oder aus der Analyse von Verformungen an Werkzeugträgern des vorgegebenen Typs mindestens ein Lateral- und ein Winkelversatz zwischen Ober- und Unterwerkzeug (2, 3) und/oder dem Bauelement (4) in Abhängigkeit von einer Druckkraft zwischen dem Ober- und dem Unterwerkzeug (2, 3) ermittelt werden und daß in einer ein entsprechendes Ober- und ein Unterwerkzeug (2, 3) aufweisenden Simulationsvorrichtung (10) beim Verbinden von entsprechenden Bau- und/oder Prüfelementen (4) für jede Druckkraft die zugehörigen ermittelten Versatzdaten definiert eingestellt werden und anschließend die in der Simulationsvorrichtung (10) gefertigten Verbindungen auf die zu ermittelnden Daten hin untersucht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktionsdaten und/oder die Daten über den Werkzeugversatz und/oder die ermittelten Kennwerte in Datenbanken gespeichert werden und/oder mit jeweils entsprechenden, bereits in Datenbanken gespeicherten Daten verglichen werden.

3. Vorrichtung zur Simulation von Werkzeugträgern (1), insbesondere C-förmigen Werkzeugträgern (1) zum Halten von zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen (2, 3) zum Verbinden von Bauelementen (4), insbesondere zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine jeweils an einem Gestell (11) angeordnete Unterwerkzeugaufnahme (13) und eine Oberwerkzeugaufnahme (12), welche zum Verbinden von Bau- und/oder Prüfelementen (4) aufeinander zu zusammenfahrbar und wieder auseinanderfahrbar sind, mindestens einer Meßvorrichtung zum Messen der beim Verbindungsvorgang an den eingesetzten Werkzeugen (3, 4) und/oder den Werkzeugaufnahmen (12, 13) auftretenden Kräfte und mindestens einer Vorrichtung (14, 15, 18) zur Verstellung der relativen Position des Unter- (2) und/oder des Oberwerkzeugs (3) und/oder der Unter- (12) und/oder Oberwerkzeugaufnahme (13) zueinander während des Verbindungsvorganges.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestell (4) aus einer unteren und einer oberen Trägerplatte (22, 26) besteht, welche unter Bildung eines Spalts in einem Abstand miteinander verbunden sind, und daß an der Oberseite der unteren Trägerplatte (22) zwischen den Trägerplatten (22, 26) die Unterwerkzeugaufnahme (13) angeordnet ist, und gegenüberliegend der Unterwerkzeugaufnahme (13) die Oberwerkzeugaufnahme (12) mit einer Antriebseinheit (27) zum Auf- und Abfahren der Oberwerkzeugaufnahme (12) verbunden ist, welche an der oberen Trägerplatte (26) festgelegt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterwerkzeugaufnahme (13) mittels eines Stellglieds (14) um eine horizontale Achse (15) verkippbar mit dem Gestell (11) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterwerkzeugaufnahme (13) mit einem im oder am Gestell (11) horizontal verschiebbar geführten Schlitten (19) verbunden ist, welcher über ein Stellglied (18) mit einem am Gestell (11) festgelegten Stützblock (21) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterwerkzeugaufnahme (13) und/oder die Oberwerkzeugaufnahme (12) und/oder die Antriebseinheit (27) mit Meßelementen zur Ermittlung der Kraft beim Zusammendrücken des Unterwerkzeugs (3) und des Oberwerkzeugs (2) versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mit einer mittels Stellgliedern (16) horizontal zwischen die Ober- und Unterwerkzeuge (2, 3) und vertikal zwischen den Ober- und Unterwerkzeugen (2, 3) verfahrbaren Bau- und/oder Prüfelementhalterung (20) versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bau- und/oder Prüfelementhalterung (20) um eine parallel zur Verkippungsachse (15) der Unterwerkzeugaufnahme (13) liegende Achse (17) verkippbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterwerkzeugaufnahme (13) und/oder die Oberwerkzeugaufnahme (12) und/oder die Bau- und/oder Prüfelementenhalterung (20) mit Meßelementen zur Ermittlung der Lage des Unterwerkzeugs (3) und/oder des Oberwerkzeugs (2) und/oder des Bau- und/oder Prüfelements (4) versehen sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßelemente und die Stellglieder (14, 16, 18) mit mindestens einer Kontroll-, Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden sind, welche wiederum an einen mit einem Datenspeicher verbundenen Computer angeschlossen sind.

12. Werkzeugträger (1) zum Halten von zusammenwirkenden Ober- und Unterwerkzeugen (2, 3) zum Verbinden von Bauelementen (4) mit einem, unter Bildung einer C-Form, aus einem Steg (31), zwei im wesentlichen rechtwinklig dazu einseitig abgewinkelten Schenkeln (34) sowie zwei daran im wesentlichen rechtwinklig zum jeweiligen Schenkel (34) angeordneten, nach innen aufeinanderzuweisenden Endstegen (32, 33) bestehenden Grundrahmen (30), an dessen zueinanderweisenden offenen Endstegen (32, 33) mindestens eine Aufnahme (12, 13) für ein Unter- bzw. ein Oberwerkzeug (2, 3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Werkzeugträger (1) Bewegungsorgane (35) zur zueinander fluchtenden Ausrichtung der in der Aufnahme (12, 13) befindlichen Ober- und Unterwerkzeuge (2, 3) angeordnet sind.

13. Werkzeugträger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsorgane (35) Schub- und/oder Zugorgane (35) sind.

14. Werkzeugträger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Bewegungsorgane (35) zwischen dem Steg (31) und jeweils einem der Endstege (32, 33) verlaufen und beim Auseinanderdrücken der Bewegungsorgane (35) der Winkel zwischen dem jeweiligen Endsteg (32, 33) und dem Steg (31) gespreizt und beim Zusammenziehen verengt wird.

15. Werkzeugträger nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Bewegungsorgane (35) zwischen jeweils einem Endsteg (32, 33) und dem zugehörigen Schenkel (34) diagonal angeordnet sind und beim Auseinanderdrücken der Bewegungsorgane (35) der Winkel zwischen dem jeweiligen Endsteg (32, 33) und dem Schenkel (34) gespreizt und beim Zusammenziehen verengt wird.

16. Werkzeugträger nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstege (32, 33) jeweils gelenkig mit den Schenkeln (34) verbunden sind.

17. Werkzeugträger nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachsen der Verbindungsgelenke (36) zwischen den Schenkeln (34) und den Endstegen (32, 33) senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Schenkel (34) und des Stegs (31) angeordnet sind.

18. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schenkel (34) ein Längenausgleichselement (35a) zur Variation der Schenkellänge aufweist.

19. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugträger (1) mindestens eine Lageausgleichsvorrichtung (35b) aufweist, welche eine Verschiebung des Werkzeugträgers (1) parallel zu den Schenkeln (34) erlaubt.

20. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberwerkzeugaufnahme (12) ein ringförmig um die Oberwerkzeugaufnahme (12) angeordneter, über das Oberwerkzeug (2) verschiebbarer Niederhalter (37) zum Festklemmen des Bauteils beim Verbinden angeordnet ist.

21. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß am oder im oberen Endsteg (32) mindestens ein Antriebselement (38) zur Auf- und Abbewegung des Oberwerkzeugs (2) und/oder des Niederhalters (37) angeordnet ist.

22. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Grundrahmen (30) am Werkzeugträger (1) ein Referenzrahmen (40) angeordnet ist und daß am Grundrahmen (30) und/oder am Referenzrahmen (40) Meßelemente (41, 42) zur Positionsmessung und/oder Überwachung von mindestens einem, vorzugsweise mehreren, Meßpunkten des Grundrahmens (30) angeordnet sind.

23. Werkzeugträger nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Meßpunkt an der Oberwerkzeugaufnahme (12) und/oder am oberen Endsteg (32) und ein weiterer Meßpunkt an der Unterwerkzeugaufnahme (13) und/oder dem unteren Endsteg (33) angeordnet ist.

24. Werkzeugträger nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (41, 42) jeweils aus gegenüberliegend an den entsprechenden Meßpunkten am Grundrahmen (30) und am Referenzrahmen (40) angeordneten Sendern (41) und Empfängern (42) für elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Lichtstrahlung, bestehen.

25. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß am Grundrahmen (30) mindestens ein Dehnungsmeßstreifen zur Messung der Aufbiegung des Werkzeugträgers (1) angeordnet ist.

26. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß am Grundrahmen (30) mindestens ein piezoresistiver Kraftsensor zur Messung der Aufbiegung des Werkzeugträgers (1) angeordnet ist.

27. Werkzeugträger nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 11 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsorgane (35) und/oder Meßelemente (41, 42) mit mindestens einem Kontroll-, Steuer- und/oder Regelgerät verbunden sind.

28. Werkzeugträger nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer- und/oder Regelgerät über die angeschlossenen Meßelemente (41, 42) die jeweilige Ist-Position der Meßpunkte ermittelt und in Abhängigkeit von der Lage der Ist-Position zu einer dem Steuer- und/oder Regelgerät zuvor eingegebenen Soll- Position die Bewegungsorgane (35) ansteuert.