WO2002014141A1

WO2002014141A1 - Verfahren und spannrahmen zum fügen mehrerer bauteil-einzelteile zu einem komplexen zusammengesetzten bauteil

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Publication number: WO2002014141A1
Application number: PCT/EP2001/009268
Authority: WO
Inventors: Jürgen Becker; Rainer Class; Hans-Günther ZIEGLER
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-08-12
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2002-02-21
Anticipated expiration: 2003-02-12
Also published as: WO2002014141B1; US6863210B2; EP1307381A1; JP3746039B2; JP2004505794A; DE10039593A1; US20040020974A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stufenweisen Fügen mehrerer Bauteil-Einzelteile zu einem komplexen zusammengesetzten Bauteil. Um eine möglichst hohe Genauigkeit des fertigen Bauteils zu erreichen, werden die Einzelteile wahrend des stufenweisen Fügeprozesses so zueinander positioniert und fixiert, dass kein Umspannen des Zwischenbauteils zwischen den einzelnen Fügestufen notwendig ist. Hierzu wird ein Spannrahmen verwendet, der zunächst mit einigen Spannelementen bestückt wird, in die ein erster Satz von Bauteil-Einzelelementen eingelegt wird, welche miteinander zu einem Zwischenbauteil gefügt werden. Im zweiten Schritt wird der Spannrahmen mit weiteren Spannelementen bestückt, in welche die ihnen entsprechenden Bauteil-Einzelelemente eingelegt sind, und diese weiteren Bauteil-Einzelelemente werden in einem weiteren Fügeschritt mit dem Zwischenbauteil zum fertigen Bauteil gefügt werden. Zur Aufnahme und Fixierung der weiteren Spannelemente auf dem Spannrahmen sind Dockingstationen vorgesehen, welche eine reproduzierbare Positionierung und Ausrichtung der Spannelemente auf dem Spannrahmen sicherstellen.

Description

Verfahren und Spannrahmen zum Fügen mehrerer Bauteil-Einzelteile zu einem komplexen zusammengesetzten Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mehrerer Bauteil-Einzelteile zu einem komplexen zusammengesetzten Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Spannrahmen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim Fügen mehrerer Bauteil-Einzelteile zu einem zusammengesetzten Bauteil, z.B. mit Hilfe eines Schweißverfahrens, werden die Einzelteile zunächst in Zusammenbaulage zueinander fixiert und dann miteinander verbunden. Zum Fixieren der Einzelteile wird ein Spannrahmen verwendet, welcher mehrere Spannelemente aufweist, mit Hilfe derer die Einzelteile in definierter Raumlage eingespannt werden. Die Spannelemente in Verbindung mit dem Spannrahmen erfüllen hierbei einerseits eine Positionieraufgabe, indem sie die zu verbindenden Einzelteile in Relativlage zueinander exakt ausrichten, andererseits erfüllen sie eine Fixieraufgabe, indem sie die zu verbindenden Einzelteile in festem Kontakt miteinander halten.

Wenn das auf diese Weise zu fügende Bauteil aus einer Vielzahl von Einzelteilen besteht, so ist es oftmals schwierig, die zur Fixierung dieser Einzelteile notwendigen Spannelemente gemeinsam so auf dem Spannrahmen anzuordnen, daß sie sich gegenseitig nicht beeinträchtigen und die räumliche Zugänglichkeit der Fügevorrichtung, z.B. des Schweißroboters, nicht allzu stark beeinträchtigen. Zur Lösung dieser Problematik schlägt die DE 35 36 015 C2 für den Anwendungsfall des Fügens einer Karosserie vor, die Spannelemente und die Schweißroboter in unterschiedli- eher Höhe in bezug auf den Spannrahmen anzuordnen, indem z.B. die Spannelemente hängend am Spannrahmen befestigt sind, während die Schweißroboter auf dem Boden der Montageebene stehen. Während diese Anordnung im Fall des Fügens einer Fahrzeugkarosserie eine gegenseitige Beeinträchtigung der Spannelemente und der Schweißrobotern verhindert, eignet sie sich nur für solche Einsatzfälle, in denen keine direkte Überlappung der Schweißroboter mit den Spannelementen auftritt; somit eignet sie sich vornehmlich zum schnellen Zusammenheften von Einzelteilen, die in einem weiteren Prozeßschritt - nun ohne Spannelemente - fest miteinander verbunden werden. Weiterhin ist das Verfahren nicht anwendbar, wenn die zu fügenden Einzelteile in Zusammenbaulage in den Fügebereichen Überlappungen und/oder Hinterschneidungen aufweisen, so daß die Zugänglichkeit der Fügevorrichtung in die Fügebereiche durch die Spannelemente oder durch andere Einzelteile behindert ist.

Das Fügen zusammengesetzter Bauteile mit Überlappungen und/oder Hinterschneidungen erfolgt herkömmlicherweise in einem mehrstufigen Verfahren unter Verwendung mehrerer Spannrahmen: Zunächst werden einige der Einzelteile mittels Spannelementen auf einem ersten Spannrahmen befestigt und verschweißt. Das hierbei entstehende Zwischenteil wird in einen zweiten Spannrahmen transferiert, welcher mit weiteren in Spannelementen gehaltenen Einzelelementen bestückt wird, und wird dort mit diesen weiteren Einzelelementen verschweißt. Je nach Komplexität des Bauteils sind mehrere Schweißstufen und somit mehrere Spannrahmen benötigt; dies ist sehr kostenintensiv, da jeder Spannrahmen eine hohe Investition darstellt. Weiterhin führt das mehrmalige Umspannen des Zwischenteils von Spannrahmen zu Spannrahmen zu Un- genauigkeiten in dem zu fertigenden Bauteil und ist daher nicht geeignet für hochgenau zu fügende zusammengesetzte Bauteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen mehrere Einzelteile, aus denen ein komplexes zusammengesetztes Bauteil gefügt werden soll, während des Fügeprozesses relativ zueinander posi- tioniert und fixiert werden können, ohne daß ein mehrmaliges Umspannen notwendig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Danach erfolgt das Fügen der Einzelelemente zu einem zusammengesetzten Bauteil unter Verwendung eines einzigen Spannrahmens in mehreren Prozeßschritten, in denen stufenweise zusätzliche, mit Einzelelementen bestückte Spannelemente an definierten Positionen des Spannrahmens befestigt werden und diese zusätzlichen Einzelelemente dann mit den bereits vorhandenen Einzelelementen gefügt werden: Im ersten Schritt enthält der Spannrahmen nur einige Spannelemente mit darin fixierten Bauteil- Einzelelemente. Diese Bauteil-Einzelelemente sind so gewählt und die dazugehörigen Spannelemente so gestaltet, daß die Fügebereiche zwischen diesen Einzelelementen für die Fügevorrichtung gut zugänglich sind und diese Einzelelemente somit entlang der Fügebereiche miteinander verbunden werden können. Nach dem Fügen dieses ersten Satzes von Einzelelementen zu einem Zwischenbauteil wird der Spannrahmen nun mit zusätzlichen Bauteil- Einzelelementen bestückt, welche in weiteren Spannelementen fixiert sind. Zur Aufnahme dieser weiteren Spannelemente sind auf der Spannvorrichtung Dockingstationen vorgesehen, in die die Spannelemente in definierter Raumlage reproduzierbar eingespannt werden können. Die weiteren Spannelemente sind so gestaltet und die Position der Dockingstationen so gewählt, daß die Fügebereiche zwischen den zusätzlichen Bauteil- Einzelelementen und dem Zwischenbauteil für die Fügevorrichtung gut zugänglich sind und diese Bauteil-Einzelelemente nun mit dem Zwischenbauteil verbunden werden können. Je nach Komplexität des Bauteils sind anschließend noch weitere Prozeßschritte notwendig, im Zuge derer weitere, mit Bauteil-Einzelelementen bestückte Spannelemente in definierte Dockingstationen eingesetzt werden und diese Einzelelemente dann mit dem Zwischenbauteil gefügt werden. rr- co N rt- co Φ Hi 3 3 G. iQ ro et S i et Cfl o N S3J σ et tr α Cd M tr 3 σ

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Fig. 1 eine Darstellung einer Gesamtanlage zum Fügen eines Bauteils, bestehend aus einer Einlegestation und einer Fügestation;

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Spannrahmen beim Fügen mehrerer Einzelelemente zu einer Fahrzeug-Hinterachse: Fig. 2a der Spannrahmen mit Dockingstationen und Spannelementen vor der Bestückung mit den Einzelelementen; Fig. 2b der Spannrahmen mit eingelegten Einzelelementen; Fig. 2c zusätzliche Spannelemente mit darauf montierten zusätzlichen Einzelelementen; Fig. 2d der Spannrahmen mit daran befestigten zusätzlichen Spannelementen und zusätzlichen Einzelelementen;

Fig. 3 der Spannrahmen der Figur 2 mit Dockingstationen anstatt Spannelementen.

Figur 1 zeigt eine Anlage 1 zum Fügen eines komplexen zusammengesetzten Bauteils 2, das in einer Fügestation 3 mit Hilfe einer Fügevorrichtung 4 aus mehreren Einzelelementen 5 zusammengefügt wird. Die Anlage 1 umfaßt weiterhin eine Einlegestation 6, in der ein Spannrahmen 7 mit den zu fügenden Einzelelementen 5 bestückt wird. Die Einzelelemente 5 werden dabei durch Spannelemente 8 auf dem Spannrahmen 7 in Zusammenbaulage relativ zueinander positioniert und fixiert. Der bestückte Spannrahmen 7 wird dann mit Hilfe einer Transporteinrichtung in Form eines Manipulators 9, insbesondere eines Industrieroboters, in die Fügestation 3 transferiert. In der Fügestation 3 werden die aufgespannten Einzelelemente 5 mit Hilfe der Fügevorrichtung 4 zu einem Zwischenbauteil 10 verbunden. Anschließend wird der Spannrahmen 7 mit Hilfe des Manipulators 9 (vorzugsweise eines Industrieroboters, alternativ einer Portal- und/oder Hebeeinheit) zur Einlegestation 6 zurücktransferiert, wo er mit weiteren Einzelelementen 11 bestückt wird, welche in zusätzlichen Spannelementen 12 eingespannt sind. Zur Aufnahme dieser zusätzlichen Spannelemente 12 sind auf dem Spannrahmen 7 Dockingstationen 13 vorgesehen, in denen diese zusätzlichen Spannelemente <Ω α tc CΛ D σ T) Xi L N Ω t-¹ 3 Q 03 S3J 3 3 tr L M P- d 3 CΛ -¹ CΛ P P-¹

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nem Spannelement 12' oder das Fügen dieses weiteren Einzelelements 11' räumlich behindert. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das betreffende „störende" Spannelement 8,12 zu entfernen, bevor das weitere Einzelelement 11' auf dem Spannrahmen 7 befestigt wird; das hat den zusätzlichen Vorteil, daß eine bei der Entnahme des „störenden" Spannelements 8,12 eventuell freiwerdende Dockingstation 13 zur Befestigung dieses (oder eines weiteren) Spannelements 12' genutzt werden kann. Alternativ kann das „störende" Spannelement 8,12 mit einer Schwenkvorrichtung versehen sein, die ein Hinausschwenken dieses Spannelements 8,12 aus dem kritischen Bereich ermöglicht. Natürlich muß dabei jedoch in jeder der beiden Alternativen sicherstellt sein, daß das Zwischenbauteil 10 - trotz Entfernen des betroffenen „störenden" Spannelements 8,12 - sicher auf dem Spannrahmen 7 fixiert bleibt.

Weiterhin läßt sich die Variabilität und die Wiederverwendbarkeit des Spannrahmens 7 erheblich erhöhen, wenn die nicht nur die Zusatz-Spannelemente 12, sondern auch die ursprünglich vorgesehenen Spannelemente 8 über Dockingstationen 13,13' am Spannrahmen 7 befestigt sind. Figur 3 zeigt ein Beispiel eines solchen Spannrahmens 7 für die Hinterachse 14 der Figur 2a - 2d, der eine Vielzahl von Dockingstationen 13,13' aufweist. Bei Änderungen des zu verschweißenden Bauteils 2 brauchen in einem solchen Fall lediglich die entsprechenden Spannelemente 8,12 ausgewechselt zu werden, während der Spannrahmen 7 weiterhin unverändert benutzt werden kann; somit kann ein und derselbe Spannrahmen 7 insbesondere zur Herstellung von Hinterachsen 14 unterschiedlicher Varianten und Baureihen verwendet werden.

Um eine hochgenaue Positionierung der Schweißbahnen sicherzustellen, kann der Spannrahmen 7 zusätzlich mit (in den Figuren nicht gezeigten) Sensoren versehen sein, deren Signal zur hochgenauen Führung des Schweißroboters 18 genutzt wird.

Wurde bisher eine manuelle Bestückung des Spannrahmens 7 mit Einzelelementen 15,16,17,11 beschrieben, bei der eine Montage- mannschaft die Einzelelemente 5 in die Spannelemente 8 des Spannrahmens 7 einlegt und fixiert bzw. die mit Zusatz- Einzelelementen 11 bestückten Zusatz-Spannelemente 12 manuell in die Dockingstationen 13 einklinkt, so kann sowohl die Bestückung des Spannrahmens 7 mit Seitenteilen 15, Querbrücke 16 und Anbauteilen 17 im ersten Montageschritt als auch die Bestückungen der zusätzlichen Spannelemente 12 mit Zusatz- Einzelelementen 11 alternativ auch automatisch mit Hilfe eines Industrieroboters erfolgen. Weiterhin kann auch das Zuführen und Einklinken der mit den zusätzlichen Einzelelementen 11 versehenen Zusatz-Spannelemente 12 in die Dockingstationen 13 des Spannrahmens 7 im zweiten Montageschritt automatisch mit Hilfe eines Industrieroboters erfolgen.

Die Auslegung der Spannrahmen 7 mit den entsprechenden Dockingstationen 13,13' und Spannelementen 8,12,12' und die detaillierte Ablaufplanung der aufeinanderfolgenden Montage- und Fügeschritte stellt - insbesondere bei mehrstufigen Fügeprozessen zum Zusammenbau komplexer Bauteile 2 - eine äußerst komplizierte Planungsaufgabe dar, die vorzugsweise mit Hilfe eines CAD- Systems gelöst wird, welches sowohl eine Simulation der einzelnen Montage- und Fügeschritte als auch eine vollständige Kollisionsbetrachtung ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Fügeverfahren eignet sich zur Herstellung beliebiger zusammengesetzter Bauteile 2, die aufgrund des gewählten Fügeverfahrens und/oder der Raumlage der Fügebereiche mehrstufig, d.h. in mehreren Fügeschritten, aus Einzelteilen zusammengefügt werden müssen. Da das Zwischenbauteil 10 während des gesamten Verfahrens auf demselben Spannrahmen 7 verbleibt, also nicht umgespannt zu werden braucht, eignet sich das Verfahren insbesondere für diejenigen Einsatzfälle, in denen sehr hohe Anforderungen bezüglich der Genauigkeit des fertigen Bauteils 2 gestellt werden. So können durch die in Figuren 2a - 2d dargestellten Schritte zur Herstellung einer Hinterachse 14 die fügebedingten Toleranzen an der Hinterachse 14 auf 0.3 mm reduziert werden - eine erhebliche Maßhaltigkeitsverbesserung ge- genüber dem herkömmlichen Fügeverfahren, bei dem die Hinterachse 14 durch mehrfaches Umspannen auf unterschiedliche Spannrahmen hergestellt wurde, und bei dem die Toleranzen der fertig gefügten Hinterachse 14 bei etwa 1 mm lagen. Weiterhin wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur noch ein einziger Spannrahmen 7 zur Fixierung der Hinterachse 14 während des Fügens benötigt, was erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt. Beispiele für weitere Anwendungen des Verfahrens im Fahrzeugbau sind die Herstellungen von Rahmenkonstruktionen und Karosseriekomponenten, wie z.B. Integralträgern, Instrumententrägern, und A-, B- und C-Säulen.

Neben der oben beschriebenen Anwendung auf Schweißanwendungen, insbesondere für das Schweißen von Aluminiumblechen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren auch für Klebeanwendungen große Vorteile: Da im Großserieneinsatz die Klebstoffraupen mittels sehr voluminöser Auftragsvorrichtungen aufgebracht werden, müssen die Fügebereiche der zu verklebenden Bauteile in Zusammenbaulage weitgehend frei von Spannvorrichtungen 12 und überlappenden Zusatz-Einzelelementen 11 sein, um eine gute Zugänglichkeit der Auftragsvorrichtung zu gewährleisten. Auch hier empfiehlt es sich, zum Fügen komplexer Bauteile 2 die Einzelteile 5,11 schrittweise miteinander zu verkleben, wobei das Zwischenbauteil 10 während aller Einzelschritte fest auf dem Spannrahmen 7 verbleibt und die Zusatz-Einzelelemente 11 in aufeinanderfolgenden Montageschritten mit Hilfe von Spannelementen 12 gegenüber dem Zwischenbauteil 10 fixiert und verklebt werden.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Fügen mehrerer Bauteil-Einzelelemente zu einem komplexen zusammengesetzten Bauteil,

- wobei die Bauteil-Einzelelemente in einer vorgegebenen räumlichen Ausrichtung in Spannelemente eingelegt werden, die der Geometrie des entsprechenden Bauteil- Einzelelements angepaßt sind,

- wobei die in den Spannelementen fixierten Bauteil- Einzelelemente mit Hilfe eines die Spannelemente aufnehmenden Spannrahmens relativ zueinander positioniert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- daß der Spannrahmen (7) zunächst mit einigen Spannelementen (8) bestückt wird, in die die ihnen entsprechenden Bauteil-Einzelelemente (5) eingelegt werden,

- daß diese Bauteil-Einzelelemente (5) in einem ersten Fügeschritt miteinander zu einem Zwischenbauteil (10) gefügt werden,

- daß der Spannrahmen (7) dann mit weiteren Spannelementen (12) bestückt wird, in welche die ihnen entsprechenden

Bauteil-Einzelelemente (11) eingelegt sind,

- und daß diese Bauteil-Einzelelemente (11) schließlich in einem weiteren Fügeschritt mit dem Zwischenbauteil (10) zum fertigen Bauteil

(2) gefügt werden.

Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einige der zunächst vorgesehenen Spannelemente (8,12) vom Spannrahmen (7) entfernt werden, bevor der Spannrahmen (7) mit weiteren Spannelementen (12') bestückt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bestückung des Spannrahmens (7) mit Spannelementen (12,12' ) automatisiert mit Hilfe eines Industrieroboters erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bestückung der Spannelemente (8,12,12') mit Bauteil- Einzelelementen (5,11,11') automatisiert mit Hilfe eines Industrieroboters erfolgt.

5. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren zum Fügen mehrerer Bauteil-Einzelelemente (5,11) aus Aluminium mit Hilfe eines Schweißverfahrens verwendet wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren zum Fügen mehrerer Bauteil-Einzelelemente (5,11) mit Hilfe eines Klebeverfahrens verwendet wird.

7. Spannrahmen zum Fixieren mehrerer zu einem komplexen Bauteil zu fügender Bauteil-Einzelelemente,

- wobei der Spannrahmen Spannelemente aufweist, mit Hilfe derer Bauteil-Einzelelemente in einer vorgegebenen räumlichen Ausrichtung positionierbar und fixierbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,

- daß der Spannrahmen (7) weiterhin Dockingstationen

(13,13') zur lösbaren Anbindung weiterer Spannelemente (12,12') aufweist,

- wobei die Dockingstationen (13,13') eine reproduzierbare räumlichen Ausrichtung der Spannelemente (12,12') auf dem Spannrahmen (7) sicherstellen.