DE3852634T2

DE3852634T2 - Nietverfahren und Vorrichtung.

Info

Publication number: DE3852634T2
Application number: DE3852634T
Authority: DE
Inventors: Carmine Aresa; Cristiano Bonomi; Giovanni Battista Bonomi; Valerio Frigo; Luigi Giacomini
Original assignee: Aeroflex Technologies Inc
Current assignee: Aeroflex Technologies Inc
Priority date: 1988-04-19
Filing date: 1988-08-09
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2008-08-10
Also published as: DE3852634D1; DE338117T1; ES2029779T3; ES2029779T1; EP0338117A3; US4885836A; BR8804204A; CA1301491C; EP0338117B1; EP0338117A2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Verbindungstechnik und insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Verbinden von Strukturteilen mittels Nieten oder ähnlicher Verbindungselemente.

Hintergrund

Obwohl die nachstehend beschriebene Erfindung speziell in der Luftfahrtindustrie Anwendung findet, wo große Außenhautteile, oftmals in mehrfach gekrümmter Form, ebenso wie tragende Strukturteile und -komponenten durch Nietung miteinander verbunden werden, sind die hierin enthaltenen Lehren in gleicher Weise auch auf andere industrielle Bereiche übertragbar.
Die normale Vorgehensweise beim Setzen eines Niet umfaßt grundsätzlich die verschiedenen Schritte der Vorbereitung des Nietlochs, des Einsetzen des Niets und des Schlagens des Niets. Normalerweise werden alle drei Arbeitsgänge am Ort jedes einzelnen Niets nacheinander ausgeführt und abgeschlossen.
Früher wurden diese Schritte in der Schmiede Niet für Niet von Hand mittels eines Hammers, Döppern und eines Amboß ausgeführt.
Später wurden die zusammenzufügenden Komponenten in einer festen Position eingespannt und mit von Hand geführten und durch Fremdenergie versorgten Werkzeugen zur Durchführung der erforderlichen Nietarbeiten, etwa elektrisch oder durch Druckluft betriebenen Bohrmaschinen und Niethämmern, wiederum Niet für Niet zusammengefügt.
In jüngerer Zeit wurden schwere, stationäre halbautomatische Nietmaschinen zur Durchführung dieser Arbeiten entwikkelt, wobei die Bauteile gegenüber der Maschine versetzt wurden; letztere besitzt normalerweise einen gabelförmigen Rahmen zur Aufnahme der Bearbeitungswerkzeuge, wobei die Bauteile in die offene Seite des gabelförmigen Rahmens eingebracht werden. Auch hier erfolgt das eigentliche Vernieten Niet für Niet.
Mit der Einführung neuester Technologien fanden schnelle, ferngesteuerte Bearbeitungszentren oder "Prozeßroboter", die einen oder mehrere Werkzeugköpfe in jeweils ausgewählte räumliche Positionen bringen können, und die für den Einsatz einer Vielzahl von Anbauwerkzeugen geeignet sind, weite Verbreitung in der Industrie. Zum jetzigen Zeitpunkt befindet sich jedoch der Einsatz solcher Roboter für Vernietungsarbeiten im wesentlichen im Versuchsstadium und ist auf Anwendungsfälle begrenzt, bei denen ein einzelner Roboter mit mehreren Arbeitsspindeln zur Verbindung von tragenden Komponenten oder Rahmenteilen, z.B. einer in einer Montagehalterung aufgenommenen Tragflügelstruktur, mit Hilfe von Blindnieten eingesetzt wird. Die Funktion des Roboters umfaßt die gesamte Abfolge des Vernietens, d.h. Bohren, Einsetzen und Schlagen des Niets für jede Nietverbindung, bevor mit der nächsten Nietung weitergefahren wird.
Die obige kurze Beschreibung des Standes der Technik läßt viele wünschenswerte Gesichtspunkte offen. In denjenigen Fällen, in denen die Bauteile gegenüber einer stationären Nietmaschine versetzt werden, gestaltet sich das Verfahren und Positionieren schwerer oder sperriger Baugruppen langsam und schwierig, da die Größe und/oder die Form der Teile durch die Abmessungen insbesondere der Aufnahmeseite der Nietmaschine begrenzt sind. Umgekehrt treten im Fall in einer Halterung aufgenommener Bauteile und diesen gegenüber beweglichen Werkzeugen, wie dies für die beschriebenen durch Roboter gehandhabten Werkzeuge zutrifft, schwerwiegende Probleme hinsichtlich der exakten Positionierung und Repositionierung der Werkzeuge auf, die von einer Tendenz zur Deformation und Überbeanspruchung der fertigmontierten Teile begleitet werden, die zu unbrauchbaren und nicht maßhaltigen Endprodukten führt.
Die DE-C-3 535 761 beschreibt einen Apparat, bei dem die in einer Spannvorrichtung aufgenommenen Bauteile relativ zu den Werkzeugköpfen bewegt werden. Die Tragflächenabschnitte oder Bauteile sind in einem Halterahmen aufgenommen, der in X-Richtung vorwärts und rückwärts zwischen Nietwerkzeugsystemen verfahren werden kann, die auf vertikalen Schienen geführt sind, so daß die Nietwerkzeugsysteme in einer vertikalen Y-Richtung auf den Schienen beweglich sind, wobei letztere in einer Z-Richtung in Richtung des in der beweglichen Spannvorrichtung aufgenommenen Bauteils bzw. von diesem weg bewegt werden können Die Werkzeugköpfe der Nietwerkzeugsysteme sind um den Winkel α um eine horizontale Achse schwenkbar. Die Werkzeugköpfe arbeiten ausschließlich in einer vertikalen Ebene, wobei solche Werkzeugköpfe trotz der Anpassung um den Winkel α an gleichförmig gekrümmte Bauteile nicht für mehrfach gekrümmte Konturen beliebigen Typs verwendet werden können, da sie nicht um eine zweite Drehachse schwenkbar sind, wie dies für die vorliegende Anmeldung zutrifft. Weiter ist festzustellen, daß es sich bei diesem dem Stand der Technik zugehörigen System um ein "seriell" arbeitendes Nietsystem handelt, d.h. die Herstellung und Vorbereitung des Nietlochs sowie Einsetzen und Schlagen des Niets erfolgen nacheinander am vorgegebenen Ort einer jeden Nietverbindung, wobei anschließend das Nietwerkzeug zum nächsten Verbindungspunkt verfahren und dort der gesamte Arbeitsablauf erneut wiederholt wird.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

In Erkenntnis der oben beschriebenen sowie anderer Nachteile der dem Stand der Technik zugehörigen Technologien zur Verbindung von Bauteilen zu einer Gesamtstruktur unter Verwendung von Nieten oder ähnlichen Verbindungselementen stellt die vorliegende Erfindung ein neuartiges und verbessertes Vorgehen bzw. Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung exakt gleichförmig vernieteter Baugruppen bereit.
Kurz gesagt, die Erfindung wird vorzugsweise in einer Montagezelle unter Verwendung eines Paares unter Rechnersteuerung synchron arbeitender Robotik-Bearbeitungszentren realisiert, die in der Lage sind, automatisch und spiegelbildlich zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der in einer Einspannung gehalterten und zu verbindenden Bauteile zu arbeiten; dabei steuern die Rechner die Roboter aufgrund von in einem Speicher gehaltenen Konstruktionsdaten für die gesamte Baugruppe.
Vor dem Montage schritt wird ein Inspektionszyklus mittels an den Robotern angebrachter Sensoren durchgeführt, wobei ein Roboter in der Lage ist, die Spannvorrichtung und alle zusammenzubauenden Einzelkomponenten hinsichtlich korrekter Positionierung und passender Größe zu überprüfen. Hierfür ist die Spannvorrichtung mit festgelegten Referenzpunkten versehen, die eine exakte Positionierung der Einzelkomponenten erlauben. Nach Abschluß des Inspektionszyklus und der Überprüfung der Positionierung der Bauteile wird der Verbindungszyklus gestartet, der einen Schritt für das Bohren und Vorbereiten des Nietlochs gefolgt von einem Schritt für das Setzen des Niets umfaßt.
Anders als bei der vorherrschenden Praxis der bisher bekannten Technologie werden gemäß der Erfindung die Schritte für das Vorbereiten des Nietlochs und das Setzen des Niets im Gegensatz zur derzeit angewendeten seriellen Bearbeitungsweise parallel abgewickelt. Das bedeutet, anstelle des aufeinanderfolgenden Vorbereitens des Nietlochs, des Einsetzens und des Schlagens des Niets am Ort einer jeden Verbindung entsprechend dem derzeitigen "seriellen" Vorgehen trennt die vorliegende Erfindung die Schritte der Vorbereitung des Nietlochs und des Setzens des Niets, so daß zunächst alle Nietlöcher hergestellt werden und dann das Einsetzen und Schlagen der einzelnen Nieten in die vorbereiteten Nietlöcher erfolgt.
Für den Schritt der Vorbereitung des Nietlochs werden vorzugsweise rotierende Spindeln des Bearbeitungszentrums oder durch Roboter geführte Werkzeugköpfe zur Aufnahme von rotierenden Bohrern, Reibahlen, Entgratern etc. eingesetzt, die unter Steuerung eines zuvor erstellten Computerprogramms automatisch ausgewählt und in den Werkzeugkopf des Bearbeitungszentrums eingesetzt werden. Der Schritt des Bohrens und Vorbereitens des Nietlochs wird von zwei Robotern ausgeführt, die zueinander spiegelbildlich auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile arbeiten, wobei Endstücke und Werkzeuge für das Zusammenklemmen der Bauteile insbesondere im Bereich der herzustellenden Nietlöcher zum Einsatz gelangen, ohne jedoch unerwünscht hohe Kräfte auf die Halterungen auszuüben oder die Bauteile zu überlasten bzw. zu verformen. Diese Klemmfunktion ist wichtig für die Vermeidung der Bildung bzw. Ablagerung von Spänen zwischen den Teilen und für die Verhinderung von Deformationen der Gesamtstruktur.
Nach Abschluß des Bohrzyklus wechseln die Roboter automatisch bestimmte Werkzeuge und Endstücke gegen solche, die speziell auf die Eigenschaften des verwendeten Niets oder Verbindungselements abgestimmt sind. Aufgrund der festen Halterung der Bauteile in der Spannvorrichtung sind die Roboter in der Lage, die Positionen der zuvor gebohrten Nietlöcher mit großer Genauigkeit wiederzuf inden, um die Nieten in diese einzusetzen. Auch während des Nietvorgangs werden die Bauteile durch beiderseitige Endstücke so zusammengepreßt, daß übergroße Kräfte auf die Bauteile und die Spannvorrichtung vermieden werden.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten mechanisierten Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verbindung von Bauteilen einer Struktur mittels Nieten oder ähnlicher Verbindungselemente.
Insbesondere stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum automatischen Verbinden von Bauteilen einer Struktur mittels ausgewählter Verbindungsnieten bereit, welche folgendes umfaßt:
ein Paar beweglicher, schnellaufender, ferngesteuerter, synchronisierter automatischer Bearbeitungszentren oder Roboter mit Werkzeugköpfen, die auf drei linearen Achsen und mindestens etwa zwei Drehachsen in Bewegung gesetzt werden können, so daß die Köpfe zu einer ausgewählten räumlichen Position in der Lage sind;
wobei jeder Roboter einen Sockel umfaßt, der so gelagert ist, daß er sich entlang einer horizontalen X-Achse bewegen kann, einen vertikalen Ständer, der auf dem Sockel gelagert ist und um eine vertikale Y-Achse drehbar ist, einen horizontalen Schlitten, der so auf dem Ständer gelagert ist, daß er sich längs dessen vertikaler Achse und längs seiner eigenen horizontalen Z-Achse bewegen kann, einen auf zwei Achsen drehbaren Kopf am äußeren Ende des Schlittens, und eine in Drehung versetzte Werkzeugbetätigungsspindel, die auf dem Kopf gelagert ist und längs einer linearen Achse unabhängig in bezug auf den Kopf bewegbar ist;
eine Spannvorrichtung, die die zusammenzubauenden Bauteile starr in einer feststehenden Position zwischen den Robotern hält, so daß die Köpfe der letzteren an jeden gewählten Punkt auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile bewegt werden können;
eine Klemmeinrichtung, die auf den Werkzeugköpfen angeordnet ist, um die Bauteile mit einer vorbestimmten Kraft zusammenzuklemmen, die so gewählt ist, daß die auf die Spannvorrichtung und die Bauteile einwirkenden Spannkräfte eingedämmt und neutralisiert werden; wobei die Klemmeinrichtung wahlweise an vorbestimmten Stellen auf den Bauteilen aktiviert wird, wo Löcher auszubilden und Verbindungselemente darin anzubringen sind;
eine Werkzeugeinrichtung, die wahlweise anzubringen ist und von den Werkzeugköpfen betätigt wird, um an den genannten Stellen Verbindungslöcher in den Bauteilen auszubilden und herzustellen;
eine Einrichtung, die mindestens einen der Roboter mit ausgewählten Verbindungselementen versorgt;
eine zusätzliche Werkzeugeinrichtung, die wahlweise an den Werkzeugköpfen angebracht und von diesen betätigt werden kann, um die Verbindungselemente in den Löchern aufzunehmen und anzubringen; und
eine Computereinrichtung zur Steuerung und Handhabung der koordinierten Betätigung der Roboter nach einem vorbestimmten Programm und einer vorbestimmten Montagegeometrie, so daß die Köpfe sich über einander entgegengesetzte Seiten der Bauteile bewegen und das Herstellen der Löcher und das Anbringen der Verbindungselemente bewerkstelligen.

INHALT DER ZEICHNUNGEN:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Arbeitszelle und eines Robotik-Bearbeitungszentrums entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Arbeitszelle von Fig. 1 einschließlich der zugehörigen Rechnersteuerungen;
Fig. 3 ist ein partieller Aufriß in teilweise geschnittener Darstellung eines Bohrendstücks und des zugehörigen Roboters im Zustand für das Einbringen einer Bohrung;
Fig. 3A ist eine schematische Darstellung des Bohrwerkzeugs und des Werkzeughalters für das Bohrendstück von Fig. 3;
Fig. 4 ist ein partieller Aufriß ähnlich wie in Fig. 3 nach erfolgtem Einbringen der Bohrung;
Fig. 5 - 8 sind schematische Darstellungen des Arbeitsablaufs beim Einbringen einer Bohrung;
Fig. 9 ist ein partieller Aufriß in teilweise geschnittener Darstellung eines Endstücks für Klemmen und Entgraten einschließlich des zugehörigen Roboters;
Fig. 10, 11 und 12 sind partielle Aufrisse zur schematischen Darstellung der Arbeitsschritte des Endstücks von Fig. 9 beim Klemmen und Entgraten;
Fig. 13 ist ein partieller Aufriß in teilweise geschnittener bzw. aufgeschnittener Darstellung eines Endstücks zum Setzen von Nieten einschließlich des zugehörigen Roboters im Zustand vor dem Klemmen;
Fig. 14 ist ein partieller Aufriß ähnlich wie in Fig. 13, der das Endstück in Klemmposition zeigt;
Fig. 15 ist ein partieller Aufriß in teilweise geschnittener Darstellung eines Döpperendstücks einschließlich des zugehörigen Roboters im Zustand vor dem Klemmen;
Fig. 16 ist ein partieller Aufriß zur Darstellung des Endstücks von Fig. 15 in Klemmposition;
Fig. 17 - 24 sind partielle Auf risse zur Darstellung eines vollständigen Nietzyklus der durch Roboter betätigten Endstücke von Fig. 13 und 15; und
Fig. 25 - 30 sind partielle Aufrisse zur schematischen Darstellung des Setzens eines Niet.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Vor der Wiedergabe einer detaillierten Beschreibung der Technologie des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden einige einführende Betrachtungen zu den allgemeinen Merkmalen einer bevorzugten Arbeitsumgebung angestellt, in der sich die verschiedenen Schritte der im Anschluß zu beschreibenden Erfindung bestmöglich realisieren lassen.
Wie weiter oben angemerkt, betrifft die dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Fertigung und Montage von Komponenten und Bauteilen im Bereich der Luftfahrtindustrie, wozu auch große und vergleichsweise schwere Strukturen von komplexer Form, etwa Tragflächen und Rumpfabschnitte, gehören.

Arbeitszelle

Die grundsätzliche Ausbildung einer bevorzugten Arbeitsumgebung ist in Teilen in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt. Wie dort gezeigt, umfaßt die Arbeitszelle mindestens zwei schnelle Bearbeitungszentren oder "Roboter" R1 und R2, die auf parallelen Bahnen mit horizontal erstreckten Schienen oder Führungsbetten 20, 20 angeordnet sind und mittels motorisch betriebener Zahnstangenantriebe verfahren werden können. Jeder Roboter ist von kartesischem Aufbau mit X-, Y- und Z-Achse in Längs-, Hoch- und Querrichtung; die X- Achse wird durch die horizontalen linearen Führungsbetten 20 bestimmt, die Y-Achse wird durch einen zentralen vertikalen Ständer 21 der Maschine gebildet und die Z-Achse wird durch einen in Querrichtung motorisch beweglichen Schlitten 22 festgelegt. Ein Handgelenk bzw. ein Schwenkkopf 23 mit zwei Drehachsen A und C ist am äußersten Ende des Schlittens 22 angebracht. Der Ständer 21 ist um seine vertikale Achse drehbar und legt damit eine dritte Drehachse B fest. Der Kopf 23 ist mit einer zusätzlichen linearen Spindelachse W ausgestattet, die unabhängig von der Schlittenbewegung mit den an ihr befestigten Werkzeugen in linearer Richtung aus- oder eingefahren werden kann. Der Schlitten 22 kann in Richtung der Y- und der Z-Achse verfahren werden.
Zwischen den beiden Robotern R1 und R2 ist eine in automatischer Weise anpaßbare bzw. einstellbare Spannvorrichtung (F) zur Aufnahme der zusammenzubauenden Bauteile und Komponenten wie Beplankungen und Rippen von Tragflächen, wie diese allgemein unter dem Bezugszeichen 25 in der Fig. 1 angedeutet sind, angeordnet. Es ist anzumerken, daß die beiden Roboter spiegelbildlich zueinander auf gegenüberliegenden Seiten der in der Spannvorrichtung gehalterten Bauteile arbeiten. Die Spannvorrichtung F ist parallel zwischen den X-Achsen der beiden Roboter angeordnet.
Der Kopf 23 besitzt eine rotierende Spindel für den automatischen Werkzeugwechsel mittels Aufnahmekegeln und dient zur Ausführung verschiedener Bearbeitungsoperationen innerhalb der Arbeitszelle, etwa Bohren, Randbearbeitung, Vernieten etc.
Jeder Roboter ist mit einer horizontalen Aufnahme für den Anbau einer Nietzuführung und eines automatischen Werkzeugmagazins für die Aufnahme verschiedender Endstücke 26 für den jeweiligen Werkzeugkopf 23 ausgestattet. Ein stationäres Nietmagazin und ein stationäres Werkzeugwechselmaga zin sind an den beiden Enden der in Längsrichtung erstreckten Schienen (X-Achse) für jeden Roboter auf dem Hallenboden aufgestellt. Das Nietmagazin dient zum Nachfüllen der Nietzuführung des Roboters, während das Werkzeugmagazin für die automatische Werkzeughandhabung vorgesehen ist. Der Zugriff eines jeden Roboters auf das Werkzeugmagazin erfolgt durch Drehen des Ständers um die vertikale Drehachse (B- Achse) und Verfahren des Roboters an das Ende der X-Achse zu einem Werkzeugmagazin, wodurch eine automatische Aufnahme bzw. ein automatischer Wechsel von Werkzeugen möglich wird.
Wahlweise können mobile Magazine in einer Form, wie sie beispielsweise im US-Patent Nr. 4,344,221 vom 17.8.1982 beschrieben sind, für den im Verlauf der rechnergesteuerten Montage erforderlichen Wechsel der Werkzeuge und Endstücke sowie für die Zuführung von Verbindungselementen für jeden Roboter Verwendung finden.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die gesamte Arbeitszelle von einem Hostrechner gesteuert, der Instruktionen für die computergestützte Fertigung (CAM für Computer Aided Manufacturing) über eine direkte numerische Steuerung (DNC für Direct Numeric Control) oder eine andere Einrichtung sowie Anweisungen seitens des Fertigungsleiters erhält, durch die der Aufbau der fertigen Struktur festgelegt und/oder modifiziert wird. Alle Ausgangssignale werden vom Zentralrechner an die zugehörigen Rechner der tieferen Ebene weitergegeben. Während der Ausführung der Instruktionen liefern die Rechner der unteren Ebene entsprechende Informationen an den Zentralrechner zurück.
Wie dargestellt, instruiert der Hostrechner den Rechner zur Verwaltung des Werkzeugmagazins (TRM für Tool Room Manager), der die Wahl der Werkzeuge und Endstücke überwacht, so daß die Roboter die korrekten Werkzeuge und Endstücke in der richtigen Aufnahmeposition vorfinden. Dieser Rechner aktualisiert gleichzeitig die Dateien für alle Endstücke und Werkzeuge. Beim Einsatz von mobilen Werkzeugmagazinen werden diese ebenfalls vom TRM-Rechner gesteuert.
Die Rechner für die Zufuhr der Nieten, RFC 1 und 2, steuern die Nieten-Zufuhrstationen RFS 1 bzw. 2, wobei sie den genauen Typ des Niets oder Verbindungselements wählen und überwachen, das für die Herstellung der Verbindung an die Roboterendstücke 1 und 2 zu übergeben ist.
Die Bahnsteuerungen (CNC 1 und 2) für die Roboter 1 und 2 übermitteln entsprechende Steuersignale zur Steuerung aller Achsen an den jeweiligen Roboter, um Werkzeuge und Endstücke in der richtigen Weise innerhalb des Arbeitsbereichs zu führen.
Die Rechner zur Steuerung der Endstücke (EEC 1 und 2) wikkeIn nach Erhalt des Startsignals für den Bearbeitungszyklus die korrekte Abfolge des Roboterbetriebs einschließlich Vorbereitung, Klemmen, Einsetzen und Befestigen der Verbindungselemente ab.
Der Rechner zur Steuerung der Spannvorrichtung positioniert sämtliche Spannelemente der Spannvorrichtung F entsprechend der Geometrie der zusammenzubauenden Teile und kontrolliert gleichzeitig die für die jeweilige Montage erforderliche Konfiguration der Spannvorrichtung.
Robotik-Bearbeitungszentren, die für die Durchführung aller Aufgabenstellungen entsprechend der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind im Werkzeugmaschinenhandel erhältlich, wobei z.B. die schnellen Bearbeitungszentren in Frage kommen, die von JOBS, Piacenza, Italien, unter der Bezeichnung Jo MACH vertrieben werden.
Eine solche Anlage ist sehr vielseitig und verfügt aufgrund ihrer steifen Konstruktion und der Verwendung unmittelbar rückgeführter Positionsdaten zur Steuerung aller Bewegungen über eine hohe Positioniergenauigkeit. Zur Bearbeitung unterschiedlicher Materialien stehen verschiedene Spindeltypen zur Verfügung, etwa langsamlaufende Spindeln mit drehmomentstarken Gleichstromantrieben für harte Metalle und schnellaufende Spindeln mit Wechselstromantrieben für Verbundwerkstoffe etc. Die Fähigkeit zum automatischen Wechsel von Werkzeugen und Endstücken macht eine Robotikanlage dieser Ausführung speziell für automatische Installationen ohne menschliche Arbeitskräfte geeignet. Eine solche Maschine ist z.B. in der Lage, Arbeitsgänge wie Bohren, Senken, Fräsen, Konturbearbeitung, Fertigbeschneiden, Hämmern und andere Bearbeitungsmaßnahmen und Meßschritte durchzuführen. Darüber hinaus ist der Roboter aufgrund seiner steifen Konstruktion und der Steifigkeit seiner Bewegungsachsen in der Lage, eine Vielzahl von Endstücken einschließlich Wasserstrahlschneidern, Ultraschalltrennern und Werkzeugköpfen für das Setzen von Nieten oder anderen Verbindungselementen zu handhaben.
In Verbindung mit den obenerwähnten Merkmalen ist der Roboter mit einem Fühler ausgestattet, der z.B. die exakte Position der Bauteile aufsuchen kann. Unterscheidet sich diese von der theoretischen Postion, so wird das Programm eines Hostrechners automatisch versetzt, um sich an die neue Position anzupassen, wodurch die Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung des Bauteils entsprechend der theoretischen Position entfällt.
Weiter steht ein Bauteil-Anpassungsprogramm zur Verfügung, mit dem es möglich ist, das Bauteilprogramm an die geometrischen Merkmale des Bauteils anzupassen, wenn sich diese von den theoretischen Merkmalen unterscheiden. Ist z.B. eine Bohrung in der Mitte zwischen zwei vorgegebenen Punkten anzubringen, so erfaßt die Maschine automatisch die Position der beiden Punkte, berechnet daraus die Position der anzubringenden Bohrung und führt anschließend die Bohrung an der neu bestimmten Position aus.
Aufgrund von Temperaturschwankungen in der Arbeitsumgebung können sich Dimensionsabweichungen der Bauteile und der Struktur der Maschine ergeben. Eine spezielle Software für die Robotersteuerung ermöglicht die Kompensation dieser Abweichungen durch Modifikationen des Teileprogramms in Abhängigkeit von der Temperaturänderung. Wenn es erforderlich ist, die Abmessungen eines Bauteils zu prüfen, kann der Roboter mit seiner Sensorausrüstung als Koordinatenmeßeinrichtung dienen. Dabei steht eine große Vielfalt von Sensoren zur Verfügung, so etwa der Renishaw-Tastfühler oder auch berührungslose Sensoren unter Verwendung von Bilderfassungseinrichtungen oder auf Basis von Lasertechnologien.
Die numerische Steuerung der Roboter stellt eine Funktion zur Vorausschau bereit, mit der es möglich ist, die Vorschubrate der Arbeitsspindeln und der Werkzeuge geeignet zu justieren, um auch komplexen Konfigurationen der zusammenzubauenden Teile gerecht zu werden.
Vor einer Diskussion des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird eine kurze Beschreibung den Endstücke bzw. der Werkzeugköpfe gegeben, die in Verbindung mit dem Roboter eingesetzt werden.
Bei einem typischen Einsatz eines Roboters der weiter oben beschriebenen Art für z.B. die Herstellung von Tragflächenabschnitten für Flugzeuge wird eine Vielzahl verschiedener Sätze von Endstücken und Werkzeugen benötigt. Diese sollen hier nicht im Detail behandelt werden, es werden jedoch die Grundmerkmale einer Bohreinheit, einer Entgratungs- und einer Döppereinheit sowie einer Nieteinheit beschrieben. Für die gesamte folgende Beschreibung wird angenommen, daß diese Einheiten unmittelbar für das Nietverfahren selbst vorgesehen sind, nicht etwa für bei der Montage von Flugzeugen anfallende Nebenarbeiten wie Kaltverformung der Durchbrüche bzw. Löcher für die Verbindungselemente, Auftragen von Dichtmittel zwischen Strukturteilen und/oder Außenhautschalen und spezielle Werkzeugvariationen zur Anpassung an verschiedene Verbindungselemente wie Blindnieten, Sicherungsbolzen, Kühlschranknieten, Stauchnieten, HI-Lock- Befestigungselemente und andere, die durch die konstruktive Ausbildung der Struktur bedingt sind.

Bohrendstück

Die Fig. 3 und 3A der Zeichnungen zeigen die grundlegenden Merkmale eines Bohrendstücks 28 auf. Wie dargestellt, ist das Endstück am äußersten Ende des Schwenkkopfes 23 des Roboters angebracht, wobei eine Stirnplatte 30 zur Verbindung mit dem Schwenkkopf mit Hilfe einer im Stand der Technik bekannten automatischen Kupplungsanordnung dient. Das Bohrendstück wird vorzugsweise mit der Roboterspindel 31 und der Spindelachse des Roboters (W-Achse) verwendet, die einen axialen Vorschub bzw. Rückzug des Bohrers ermöglicht, wobei ein vorgegebenes Computerprogramm die Drehzahl der Roboterspindel und die Vorschubraten regelt.
Das von der Zwischenplatte 30 weggerichtete äußere Ende des Endstücks 28 ist durch einen zylindrischen hohlen Druckstempel 32 gekennzeichnet, der für das Erfassen und Klemmen des Bauteils während des Bohrens dient, wie dies nachstehend näher beschrieben wird.
Die Spindel 31 des Roboters ist mit einem Bohrwerkzeug 33, das genauer in Fig. 3A wiedergegeben ist, ausgerüstet, das einen Werkzeughalter 34 mit einem kegeligen Verbindungsstück 35 umfaßt, welches koaxial in die Roboterspindel eingesetzt werden kann und am inneren Ende mit einer Rastung 36 versehen ist, um den zuverlässigen Sitz sicherzustellen. In den Werkzeughalter 34 ist ein Bohrwerkzeug 37 eingesetzt, mit dem eine Bohrung im Bauteil angebracht werden kann.
Das äußerste Ende des hohlen Druckstempels 32 ist mit einem Andrucksensor (Bezugszeichen 40) versehen, um dem Roboter vor dem Beginn des Bohrvorgangs das Aufsitzen des Hohlstempels auf der Blechoberfläche des Bauteils zu melden. Es ist außerdem anzumerken, daß das Endstück 28 mittels eines flexiblen Faltenbalgs mit der Zwischenplatte 30 verbunden ist, um ein Eindringen von Staub, Spänen und ähnlichen Verunreinigungen zu verhindern, und daß vorgespannte Federn 42 zwischen dem Außenteil des Endstücks 28 und der Zwischenplatte 30 angeordnet sind, um die Teile im unbelasteten oder freien Zustand des Endstücks voneinander getrennt zu halten. Geeignete Führungsstifte und -hülsen 43 lassen eine verschiebliche Verbindung des Endstücks 28 mit der Zwischenplatte 30 in koaxialer Richtung gegeneinander zu. An der Zwischenplatte sind Mikroschalter 44 bereitgestellt, die beim vollständigen Zusammendrücken der Federn 42 während des Arbeitshubs mit der gegenüberliegenden Oberfläche des Endstücks 28 in Berührung kommen, um dem Roboter zu melden, daß das Endstück 28 für den Bohrvorgang bereit ist (siehe Fig. 3).
Zusätzlich zu den oben erwähnten Merkmalen ist das Bohrendstück mit Vakuum- oder Drucklufteinrichtungen zur Reinigung und zur Beseitigung von Spänen aus den Bohrlöchern, mit Sprüheinrichtungen zur Auftragung von Schmiermittel auf das Bohrwerkzeug und mit Lehren zur Bestimmung des Durchmessers des Bohrlochs ausgestattet (die genannten Merkmale sind hierin nicht wiedergegeben).
Während des normalen Bearbeitungszyklus sucht der Roboter R1 die Stelle auf, an der ein Loch durch das Bauteil oder die Komponenten zu bohren ist, und positioniert den Kopf 23 so, daß dieser in axialer Richtung auf den Punkt der Bohrung verfahren werden kann. Der Roboter verfährt in Richtung der Bauteile, bis der Andrucksensor 40 am vorderen Ende des hohlen Druckstempels die Außenseite bzw. die Oberfläche des Bauteils gerade berührt, wobei der Roboter seine Bewegung in Z-Richtung an diesem Punkt anhält. In diesem Zustand sitzt der hohle Druckstempel 32 auf der Außenseite des Bauteils auf, während sich die Federn 42 zwischen dem Endstück und der Zwischenplatte noch im entspannten bzw. nicht zusammengedrückten Zustand befinden. Anschließend verfährt der Roboter R1 im Schleichgang, wobei die Federn 42 zusammengedrückt werden, bis die Mikroschalter 44 ansprechen und dem Roboter signalisieren, die Zustellbewegung zu stoppen und in der betreffenden Position zu verharren. Der Roboter R1 hält danach diese Position ein und wartet auf die erfolgende Positionierung und Bereitschaft von Roboter R2 für die koordinierte Weiterarbeit. Es ist anzumerken, daß in dem in Fig. 3 dargestellten Zustand das äußere Ende des hohlen Druckstempels 32 des Endstücks 28 infolge der zusammengedrückten Federn 42 leicht gegen das Bauteil gedrückt wird und einen geringfügigen Druck auf dieses ausübt.

Endstück für Klemmen und Entgraten

Die Fig. 9 der Zeichnungen zeigt die Merkmale des während des Einbringens und der Vorbereitung der Bohrungen mit dem oben beschriebenen Bohrendstück 28 zusammenwirkenden Endstücks, das allgemein mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet ist. In diesem speziellen Fall bewirkt die Einheit 50 die Klemmfunktion für das Schließen der Bauteile während des Bohrens und übernimmt gleichzeitig die Funktion des Entgraters.
Wie das Bohrendstück 28 ist das Endstück 50 für Klemmen und Entgraten mittels einer am Schwenkkopf 23 angebrachten Zwischenplatte 51 am Schwenkkopf 23 des Roboters R2 befestigt. Stifte und Führungshülsen 52, 52 sind zwischen der Zwischenplatte 51 und dem Außenteil des Endstücks 50 angeordnet, um das Endstück in koaxialer Richtung mit der Zwischenplatte zu verbinden und gegenüber dieser zu führen, wobei diese Bewegung unabhängig von der axialen Bewegung des Roboters R2 ist. Faltenbälge 53 zum Schutz gegen Staub verbinden das Außenteil des Endstücks 50 mit der Zwischenplatte, um das Eindringen von Fremdkörpern zwischen diese zu verhindern. Hydraulik- oder Pneumatikkolben und -zylinder 54, 54 sind im Inneren des Außenteils des Endstücks bereitgestellt; diese stehen wiederum mit geeigneten Druckluft- oder Hydraulikanschlüssen im Schwenkkopf 23 des Roboters in Verbindung. Das äußere Ende des Endstücks 50 ist mit einem zylindrischen hohlen Druckstempel 55 versehen, um hiermit durch Beaufschlagung der Zylinder und Kolben 54, 54 Druck auf die Bauteile im Bereich um die anzubringenden Bohrungen auszuüben. Ganz am Ende des hohlen Druckstempels ist ein Andrucksensor 55a angebracht, der dem Roboter die Berührung der Außenseite oder der Oberfläche des Bauteils durch das Endstück 50 meldet.
Koaxial zum hohlen Druckstempel 55 und innerhalb des Außenteils des Endstücks 50 ist eine Entgratungseinheit angeordnet, die einen pneumatischen Trieb 56 umfaßt, der in Reaktion auf die Ansteuerung weiterer pneumatischer oder hydraulischer Kolben und Zylinder 57 am rückwärtigen Ende des pneumatischen Triebs 56 eine axiale Bewegung ausführen kann. Der pneumatische Trieb 56 treibt ein rotierendes Entgratungswerkzeug 58, das in einem hierfür vorgesehenen Spannfutter aufgenommen ist. Um die hin- und hergehende axiale Bewegung des Antriebsmotors 56 für das Entgratungswerkzeug zu ermöglichen, ist eine konzentrische Führungshülse 59 zur Aufnahme desselben vorgesehen, die gleichzeitig die dichte Verbindung mit dem Kolben und dem Stellzylinder 57 sicherstellt.
Für das Zusammenwirken mit dem oben beschriebenen Bohrendstück 28 wird der Roboter R2 auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Bauteile koaxial zur Z-Achse des Roboters R1 ausgerichtet, wobei der Hohlstempel 55 mit Druck auf die Bauteile aufgesetzt wird, um vor Beginn des durch die programmgesteuerte Betätigung der Spindel 31 von R1 und des Stellzylinders 54 von R2 eingeleiteten Bohr- und Entgratungszyklus eine vorgewählte und vorprogrammierte Klemmkraft auf diese aufzubringen.

Bohrlochvorbereitung

Zum Verständnis der Anwendung und der Arbeitsweise der beiden beschriebenen Endstücke 28 und 50 der Fig. 3 bzw. 9 wird nunmehr auf die Fig. 3 - 12 der Zeichnungen Bezug genommen, die die Arbeitsschritte der Funktionen des Klemmens, Bohrens und Entgratens für einen typischen Bohrzyklus beschreiben.
In Reaktion auf die Befehle des Hostrechners werden die nachstehenden Funktionsfolgen durchlaufen.
Der TRM-Rechner weist das Werkzeugmagazin an, die korrekten Werkzeuge zur Aufnahme durch die beiden Roboter R1 und R2 bereitzustellen. In Reaktion auf die Bahnsteuerungsrechner CNC 1 und 2 fahren die beiden Roboter ihr jeweiliges Werkzeugmagazin an und nehmen die korrekten Werkzeuge auf.
Der TRM-Rechner weist die Magazine für die Endstücke an, die korrekten Endstücke für die beiden Roboter bereit zustellen, anschließend fahren die beiden Roboter zur Aufnahme der jeweiligen Endstücke heran.
Im nächsten Schritt positionieren die Roboter die Endstücke in zueinander koaxialer Ausrichtung auf beiden Seiten der Bauteile an einer vorgegebenen Bohrlochposition. In diesem Zustand halten die äußeren Enden der Endstücke, wie in Fig. 5 für das Endstück 28 und in Fig. 10 für das Endstück 50 gezeigt, einen Abstand zur Außenseite bzw. Oberfläche der jeweiligen Bauteile ein.

Klemmen

In der Folge verfährt der Roboter R1 in Reaktion auf Signale von EEC1 sein zugehöriges Endstück 28 in der in Fig. 5 und 6 der Zeichnungen dargestellten Weise, bis dieses die Außenseite des davorliegenden Bauteils berührt. In diesem Zustand meldet der Andrucksensor 40 am äußeren Ende des Hohlstempels 32 dem Roboter R1, daß die Oberfläche des Bauteils erreicht wurde, wonach der Roboter R1 im Schleichgang entlang seiner Z-Achse weiter verfährt, wobei wie oben beschrieben die Federn 42 zusammengedrückt werden, bis die Mikroschalter 44 ansprechen, um eine weitere Zustellbewegung des Roboters R1 zu stoppen Anschließend wird der Roboter R1 einschließlich seines Endstücks in der in Fig. 3 gezeigten Position verriegelt.
Währenddessen hat der Roboter R2 sein Endstück 50 in die in Fig. 10 dargestellte Position verfahren, wo die Bewegung der Z-Achse angehalten wird, so daß das Ende des Hohlstempels 55 einen Abstand W von der gegenüberliegenden Bauteiloberfläche einhält. Der Abstand W ist geringer als der Hub des pneumatischen Stellzylinders 54 des Endstücks 50. An diesem Punkt verschieben die Stellzylinder 54 das Außenteil des Endstücks 50 um die Distanz W in Vorwärtsrichtung, bis dieses koaxial zu dem auf der anderen Seite befindlichen Hohlstempel 32 des Bohrendstücks 28 auf der Oberfläche des dazwischen befindlichen Bauteils aufsitzt (siehe Fig. 11). Durch eine weitere programmierte Bewegung des Endstücks 50 wird ein bestimmter Klemmdruck (in der Größenordnung von 50 - 180 psi) auf das Bauteil im Bereich der Bohrung ausgeübt, welcher der Kraft und dem Federdruck des Hohlstempels 32 des feststehenden Bohrendstücks entgegenwirkt.
Es ist anzumerken, daß die Klemmkräfte während des Bohrzyklus einerseits eine Größe erreichen, um die Bauteile fest aufeinander zu pressen, so daß Grat- oder Spanbildung zwischen diesen verhindert wird, anderseits aber die Kräfte auf die Bauteile so zu begrenzen sind, daß Verformungen oder Überbeanspruchungen des Werkstoffs ebenso vermieden werden wie Deformationskräfte auf die Bauteile, die sich auf die Spannvorrichtung und auf die Gesamtstruktur auswirken können. Auf diese Weise halten Bauteile, Spannvorrichtung und Gesamtstruktur während des Bohrzyklus eine vorgegebene neutrale Position ohne zu große Spannungen und Deformationskräfte ein.

Bohren

In diesem Zustand wird der Bohrvorgang durch ein zugehöriges Signal von CNC 1 an den Roboter R1 ausgelöst, wodurch die Bewegung der Spindel 31 entsprechend der vorprogrammierten Drehzahl und Vorschubrate in Richtung der W-Achse einsetzt (siehe Fig. 7). Der Vorgang ist in Fig. 4 und 8 dargestellt. Sofern gewünscht, kann das Bohrwerkzeug so gestaltet sein, daß das durch die Bauteile gebohrte Loch wie dargestellt in geeigneter Weise einseitig angesenkt wird.

Entgraten

Das Entgraten der anderen Seite der Bohrung wird durch den Roboter R2 ausgeführt, wobei dieser, wie in Fig. 11 und 12 dargestellt, den Entgratungsmotor 56 samt dem Entgratwerkzeug 59 um eine vorprogrammierte Distanz nach vorn verfährt, so daß alle Grate und Späne von der betreffenden Kante der Bohrung entfernt werden, womit Herstellung und Vorbereitung der Bohrung durch die beiden Bauteile abgeschlossen sind.
Was den Vorgang des Entgratens anlangt, ist anzumerken, daß dieser auch in gleicher Weise wie das Bohren unter Verwendung eines Werkzeughalters entsprechend 34 in Fig. 8 mit einem Entgratwerkzeug in der Spindel des Roboters R2 und mit einem zweiten Bohrendstück 28 anstelle des Klemm- und Entgratendstücks 50 der Fig. 9 - 12 vorgenommen werden kann.
Abschließend werden die beiden Endstücke 28 und 50 von den beiden Seiten der Bauteile zurückgezogen und die Roboter zur nächsten Bohrlochposition oder, sofern ein Werkzeugwechsel erforderlich ist, in die Werkzeugwechselpositionen verfahren. Was dies betrifft, fordert das Computerprogramm bei einem stumpfen oder abgenutzten Bohrwerkzeug automatisch einen Werkzeugwechsel an. Wenn die Bohrung auszureiben ist oder kaltverformt werden muß, ist ein Werkzeugwechsel erforderlich.

Nietendstück

Die Fig. 13 der beigefügten Zeichnungen zeigt die allgemeinen Merkmale und den Aufbau eines Endstücks 60 zum Einsetzen und Gegenhalten für das Stauchen von Verbindungselementen.
Die Einheit 60 ist am Schwenkkopf 23 des Roboters R1 zu befestigen, wobei eine Zwischenplatte 61 für die automatische Verbindung mit dem Ende des Robotor-Aufnahmekopfes mittels eines automatischen Ladesystems bekannter Ausführung dient. Führungshülsen der Zwischenplatte dienen zur Führung des Außenteils der Einheit 60 während der axialen Ankopplungsbewegung der Einheit 60 gegenüber der Zwischenplatte 61. Eine Nietzuführung 63 mit einem Zuführungsrohr 64 von einem Nietenvorratsbehälter dient zur Zuführung von Nieten 65 oder ähnlichen Verbindungselementen in das Innere eines hohlen Druckstempels 66, der an seinem äußeren Ende mit einem Andruckfühler 67 ausgestattet ist.
Ein elektrischer Antriebsmotor 68 mit einem dynamischen Bremssystem 69 zum raschen Anhalten des Motors 68 ist an einer Seite der Einheit 60 angeordnet. Der Motor 68 treibt über ein Getriebe 70 eine Gewindespindel 71 mit einer Spindelmutter 72, die mit dem Außenteil der Einheit 60 verbunden ist, so daß mit dem Einschalten des Motors 68 die Spindelmutter 72 entlang der Gewindespindel 71 bewegt wird, um das Endstück 60 entlang der Führungen 62 zu verfahren.
Im Inneren der Einheit 60 ist ein Betätigungselement 73 angeordnet, welches in der Lage ist, einen Gegenhalter 74 anzutreiben. In Reaktion auf axiale Bewegungen des Betätigungselements 73, die durch die Ansteuerung des damit verbundenen hydraulischen oder pneumatischen Kolbens 75 bewirkt werden, wird das Gegenhaltewerkzeug 74 senkrecht auf die davor befindlichen Köpfe der zugeführten Nieten (siehe Fig. 13) aufgesetzt.
Der Roboter R1 bringt das Nietendstück 60 im Normalvorschub in eine im wesentlichen der Fig. 13 entsprechende Position, wobei dessen hohler Druckstempel 66 koaxial zu einem Loch 77 ausgerichtet ist, das zuvor durch die Bauteile 78 und 79 gebohrt wurde. In diesem Zustand hält das Ende des hohlen Druckstempels 66 eine Distanz W1 gegenüber der Außenseite bzw. Oberfläche des Bauteils 78 ein. Durch Einschalten des Motors 68 wird das Außenteil des Endstücks 60 in Richtung der Bauteile verfahren, bis der Andrucksensor 67 am äußeren Ende des Hohlstempels die Außenseite des Bauteils 78 berührt. Der Sensor 67 bewirkt das Abschalten des Motors 68 bei gleichzeitiger Aktivierung der dynamischen Bremse 69. Dieser Zustand ist in Fig. 14 der Zeichnungen wiedergegeben.

Döpperendstück

Die Figuren 15 und 16 der beigefügten Zeichnungen zeigen die Merkmale einer Döppereinheit für das Setzen von Nieten, wobei diese ein Endstück 80 umfaßt, das an einer Zwischenplatte 81 angebaut ist, die wiederum in der weiter oben beschriebenen Weise mit dem Roboter R2 verbunden ist. Das Endstück 80 umfaßt mehrere Führungsstifte und -hülsen 82 zur Führung des Außenteils der Einheit 80 über eine Distanz W2 gegenüber der Zwischenplatte 81 während des weiter unten beschriebenen normalen Klemmvorgangs. Das äußere Ende des Endstücks 80 ist so ausgeführt, daß ein zylindrischer Druckstempel 83 zur Aufbringung der Klemmkraft gegenüber dem zuvor positionierten stationären Nietendstück 60 auf die Bauteile 78 und 79 bereitgestellt wird. Das äußere Ende des Hohlstempels 83 ist mit einem druckempf indlichen Schalter bzw. einem Andrucksensor 84 ausgestattet, der bei Kontakt mit der Außenseite oder der Oberfläche des Bauteils 79 anspricht, um ein Signal zur Meldung des Oberflächenkontakts des Andrucksensors des hohlen Druckstempels 83 des Endstücks an die Computersteuerung des Roboters R2 abzusetzen.
Die Vorwärtsbewegung des Endstücks 80 über die Distanz W2, um den hohlen Druckstempel 83 in Kontakt mit dem Bauteil 79 zu bringen, erfolgt in identischer Weise wie die entsprechende Operation für das Entgratungsendstück 50 der Fig. 9 - 12 durch rechnergesteuerte Aktivierung des hydraulischen oder pneumatischen Stellzylinders 85. Wenn der druckempfindliche Schalter des Sensors 84 bei Berührung der Oberfläche des Bauteils 79 anspricht, wird ein zuvor festgelegter hoher Druck auf die Betätigungszylinder 85 aufgebracht, um den Hohlstempel 83 wie in Fig. 16 der Zeichnungen gezeigt gegenüber dem Endstück 60 gegen das Bauteil 79 zu pressen. Dieses Aufbringen eines erhöhten Druckes dient für ein festes Zusammenschließen der Bauteile und wird selbstverständlich entsprechend dem für die einbezogenen Bauteile konzipierten Computerprogramm auf einen festgelegten Wert eingeregelt. In dieser axial zueinander ausgerichteten Position der beiden Roboter und der jeweiligen Endstücke nach Fig. 16 kann das Einsetzen und Schlagen der Nieten ausgeführt werden.
Für das Schlagen der Nieten ist das Döpperendstück 80 von Fig. 15 mit einem internen Betätigungselement 87 ausgestattet, das durch zusätzliche Stellzylinder 88 in koaxialer Richtung zum hohlen Druckstempel 83 bewegt wird. Die Einheit 87 besitzt einen Döpper 89, der in koaxialer Ausrichtung auf das äußere Ende eines in ein zuvor mittels des Bohrendstücks 60 gebohrten Lochs 77 eingesetzten Niets auftrifft, wie dies nunmehr detaillierter beschrieben wird.
Es ist ersichtlich, daß die Darstellungen der Fig. 15 und 16 grundsätzlich die Schlagbewegung des Döpperendstücks 80 in Verbindung mit dem weiter oben beschriebenen Nietendstück 60, das gemäß Fig. 14 der Zeichnungen stationär auf der anderen Seite der Bauteile 78 und 79 positloniert ist, wiedergeben.
Zum Abschluß der Beschreibung des Endstücks 80 ist anzumerken, daß für den Fall, daß das durch das Nietendstück 60 (genauer gesagt, durch die Nietzuführung 63 desselben) zugeführte Verbindungselement wie im Fall einer HI-Lock-Verschraubung eine Mutter oder einen Sicherungsring erfordert, das Döpperendstück 80 ebenfalls mit einer herkömmlichen Nietzuführung 63 ausgestattet ist, um die benötigte Befestigungsmutter zuzuführen. Außerdem sind entsprechende Modifikationen des Betätigungselements 88 und des Werkzeugs erforderlich, um die anders geartete Befestigungsfunktion auszuführen.

Einsetzen und Schlagen des Niets

Nach Abschluß der Klemmfunktion, wie z.B. in Fig. 16 dargestellt, sind die Bauteile und die Roboter bereit für das Einsetzen von Verbindungselementen wie etwa eines Metallvollniets, um das Schlagen des Niets und die Herstellung der Verbindung auszuführen. Dieser Zyklus und die Einzelfunktionen werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 17 - 28 der Zeichnungen beschrieben.
In Reaktion auf entsprechende Signale vom weiter oben beschriebenen Hostrechner und den untergeordneten Rechnern nehmen die beiden Roboter R1 und R2 die jeweils gewählten Werkzeuge und Endstücke wie 60 und 80 aus dem jeweiligen Werkzeugmagazin auf. Bei der Aufnahme und Ankopplung der Endstücke an die Werkzeugköpfe 23 der Roboter werden alle Versorgungsanschlüsse für Strom, Druckluft, Hydraulikversorgung etc. für die Werkzeuge der Endstücke hergestellt. Dieser Zustand ist schematisch in Fig. 17 der Zeichnungen wiedergegeben.
Nach der Aufnahme und Ankopplung der Endstücke an den jeweiligen Roboter positionieren die beiden letzteren wie in Fig. 18 gezeigt in axialer Ausrichtung auf eine gewählte vorbestimmte Bohrlochposition. In dieser Stufe des Arbeitszyklus besteht die einzige Aufgabe der Roboter in der koaxialen Ausrichtung der Endstücke auf eine Position eines zuvor während des Bohrzyklus angebrachten Bohrlochs. Nach der Anordnung vor einem Bohrloch halten die Roboter die Werkzeuge starr in ausgerichteter Position, bis der automatische Nietsetzzyklus abgeschlossen ist. In der auf ein Bohrloch ausgerichteten Position nach Fig. 18 wird das Endstück 60 nach vorne gefahren, bis es, wie in Fig. 19 dargestellt, in leichter Berührung mit der Außenseite bzw. der Oberfläche des davor befindlichen Bauteils 78 steht. Als nächstes veranlaßt der Roboter R2 die Vorwärtsbewegung seines Endstücks 80, bis dieses die Oberfläche des davor befindlichen Bauteils 79 erreicht und diese berührt, wobei es anschließend Druck auf die Bauteile ausübt und so der vom Endstück 60 auf die Teile ausgeübten Kraft entgegenwirkt, bis eine hinreichend hohe Kraft zur Klemmung der Teile aufgebaut ist, die der von der Rechnersteuerung des Roboters R2 vorgegebenen Kraftkomponente entspricht. Dieser geklemmte Zustand ist in Fig. 20 der Zeichnungen wiedergegeben.
Sobald der geklemmte Zustand erreicht ist, wird ein Niet 90, das zuvor dem Zylinder des Hohlstempels des Endstücks 60 zugeführt wurde, durch das Betätigungselement 73 nach vorne geschoben und durch das Setzwerkzeug 74 in die gewählte Bohrung eingesetzt, wobei letzteres wie in der Fig. 21 gezeigt gegen den Nietkopf gedrückt gehalten wird. Der hierbei durch das Werkzeug 74 auf das Niet 90 ausgeübte Druck ist nur so hoch, daß dieses in seiner Lage gehalten wird.
Im nächsten Schritt wird das Döpperendstück 80 angesteuert, um das Betätigungselement 87 und das damit verbundene Döpperwerkzeug 89 auf das andere Ende des Niets 90 aufzusetzen. Damit ist das Niet für die Befestigung bereit. Das Schlagen des Niets erfolgt durch gleichzeitige Ansteuerung der Betätigungselemente 73, wodurch das Niet wie in Fig. 22 und 23 der Zeichnungen dargestellt geschlagen wird.
Nach Abschluß der Vernietung werden das Nietwerkzeug und die Döppereinheit von den Bauteilen zurückgezogen, und die Arbeitsköpfe bzw. die Endstücke kehren in ihre Ausgangsposition für das Verfahren zur nächsten Bohrung zurück. Während dieser Verfahrbewegung der Roboter R1 und R2 zur Position der nächsten Bohrung wird durch die Nietzuführung 63 ein neues Niet 91 in das Vorderende des Endstücks 60 eingesetzt. Dieser Zustand ist in Fig. 24 der Zeichnungen dargestellt. Der oben beschriebene Nietsetzzyklus wird erneut wiederholt und damit das nächste Niet gesetzt, bis die Vernietung aller Bohrungen abgeschlossen ist.
Es ist wichtig anzumerken, daß die jeweiligen dem Nietendstück zugeführten Nieten oder Verbindungselemente unter Überwachung und Steuerung des untergeordneten Rechners RFC1 aus dem Nietmagazin RFS1 ausgewählt werden. Im Fall, daß der Typ des Verbindungselements einen Sicherungsring oder eine Mutter erfordert, arbeitet z.B. RFS2 mit einem Döpperendstück zusammen, das mit einer Nietzuführung 63 wie weiter oben erwähnt ausgestattet ist, um die benötigten Befestigungsteile für das Döpperendstück zu liefern, damit die jeweiligen mehrteiligen Verbindungselemente installiert werden können. In Fällen, in denen ein Wechsel des Typs des Verbindungselements erforderlich wird, ist ein Wechsel der Endstücke notwendig. Hierbei werden die Endstücke mit den erforderlichen Werkzeugen automatisch für die Aufnahme durch die Roboter positioniert, nachdem die zuvor angekoppelten Werkzeuge abgelegt sind.
In jedem Fall entsprechen die grundlegenden Schritte zum Setzen eines Niets nach dem erfindungsgemäßen Verfahren den schematischen Darstellungen der Fig. 25 - 30, die folgendes zeigen: Fig. 25 Anwahl und Ausrichten der Roboter auf eine Bohrung; Fig. 26 das erste Antasten einer Seite der zusammengefügten Bauteile durch das Nietendstück; Fig. 27 das koaxiale Erfassen beider Seiten der Bauteile durch beide Endstücke einschließlich Klemmen bzw. Aufbringen entgegengerichteter Schließkräfte und das Einsetzen eines anzubringenden Niets; Fig. 28 das Durchstecken des Niets; Fig. 29 die Positionierung des Döpperwerkzeugs entsprechend dem gegenüberliegenden Endstück am Roboter R2 zum Schlagen des Niets für die Herstellung einer genieteten Verbindung, wie sie in Fig. 30 dargestellt ist.

Heften

Für die weiter oben beschriebene Herstellung der Bohrungen und das Ausführen der Nietzyklen, insbesondere bei der Montage relativ großer Strukturen, wie sie in der Luftfahrtindustrie vorkommen, ist oftmals eine vorläufige Verbindung der Teile vor der Montage erforderlich, um jedes gegenseitige Verschieben der Teile während des Bohrens der Löcher und des Vernietens zu verhindern. Jede seitliche Bewegung eines der Teile, insbesondere nach dem Anbringen der Bohrungen, würde das erneute Aufsuchen der Bohrungspositionen und das Einsetzen der Nieten in die Bohrungen durch die Roboter unmöglich machen. Daher geht dem Bohrzyklus meist ein Zyklus zur temporären Verbindung der Teile voraus. In der Folge werden nach Abschluß des Montagezyklus die temporären Heftverbinder wieder entfernt und durch endgültige Verbindungselemente ersetzt.
Es ist anzumerken, daß das Heften durch temporäre oder Wegwerfverbinder erfolgt, die an exakt den gleichen Positionen angebracht werden wie die endgültigen Verbindungsselemente. Der Durchmesser der temporären Verbinder ist stets kleiner als der Durchmesser der endgültigen Verbindungselemente, so daß sie ohne zurückbleibende Bearbeitungsspuren durch das Heften wieder entfernt werden können. Das Entfernen erfolgt durch einfaches Ausführen des Bohrzyklus für das endgültige Verbindungselement an der gleichen Position, wonach das endgültige Verbindungselement wie oben beschrieben eingesetzt wird.
Der normale Ablauf des Anbringens der temporären Verbinder erfolgt allgemein in der nachstehend beschriebenen Weise.
Die verschiedenen Heftpunkte, an denen die Teile temporär miteinander zu verbinden sind, werden gewählt und es werden Wegwerfverbinder an den betreffenden Punkten eingesetzt. Normalerweise werden die temporären Heftverbinder durch Bohr- und Befestigungszyklen angebracht, wobei keine Freigabe der Klemmung zwischen den beiden Arbeitsgängen erfolgt. Dies kann in einfacher Weise durch die Verwendung von Blindnieten im Roboter R2 und eines Bohrendstücks 28 im Roboter R1 durchgeführt werden (siehe Fig. 3). Nach dem Einsetzen der Heftverbinder wird der Bohrzyklus für die endgültigen Verbindungselemente für die gesamte Struktur vorgenommen, wobei diejenigen Bohrungen übersprungen werden, in denen die temporären Verbinder angebracht sind. Nach Abschluß der Vorbereitung der Bohrlöcher wie oben beschrieben erfolgt das Setzen der endgültigen Verbindungselemente, wobei wiederum diejenigen Punkte übersprungen werden, an denen die temporären Verbinder angebracht sind. Im Anschluß daran fahren die Roboter erneut die Heftpunkte an und führen an jeder dieser Positionen die Zyklen für das Einbringen und vorbereiten der Bohrlöcher für die endgültigen Verbindungselemente durch, wobei die temporären Verbinder entfernt werden. Danach wechseln die Roboter die Endstücke und kehren an die Positionen der Bohrungen zurück, aus denen die temporären Verbinder entfernt wurden, um die endgültigen Verbindungselemente oder Nieten entsprechend der Vorgehensweise nach den Fig. 18 - 24 einzusetzen.
Obgleich sich die obigen Ausführungen weitgehend auf den Einsatz in der Luftfahrtindustrie beziehen, sind die Lehren und Konzepte in gleicher Weise auf andere Bereiche und Industrien anwendbar, in denen Verbindungen durch Niete und ähnliche nichtlösbare Verbindungselemente hergestellt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum automatischen Verbinden von Metallteilen einer Anordnung mittels ausgewählter Verbindungsnieten, umfassend:

ein Paar beweglicher, schnellaufender, ferngesteuerter, synchronisierter, automatischer Bearbeitungszentren oder Roboter (R1, R2) mit Werkzeugköpfen (23), die auf drei linearen Achsen und mindestens etwa zwei Drehachsen in Bewegung gesetzt werden können, so daß die Köpfe (23) zu einer ausgewählten räumlichen Positionierung in der Lage sind;

wobei jeder Roboter (R1, R2) einen Sockel (20) umfaßt, der so gelagert ist, daß er sich entlang einer horizontalen X- Achse bewegen kann, einen vertikalen Ständer (21), der auf dem Sockel gelagert ist und um eine vertikale Y-Achse drehbar ist, einen horizontalen Schlitten (22), der so auf dem Ständer gelagert ist, daß er sich längs dessen vertikaler Achse und längs seiner eigenen horizontalen Z-Achse bewegen kann, einen auf zwei Achsen drehbaren Kopf (23) am äußeren Ende des Schlittens, und eine in Drehung versetzte Werkzeugbetätigungsspindel, die auf dem Kopf gelagert ist und längs einer linearen Achse unabhängig in bezug auf den Kopf bewegbar ist;

eine Spannvorrichtung (F), die die zusammenzubauenden Bauteile (25) starr in einer feststehenden Position zwischen den Robotern (R1, R2) hält, so daß die Köpfe (23) der letzteren an jeden gewählten Punkt auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile (25) bewegt werden können;

eine Klemmeinrichtung (26, 28, 50, 60, 80), die auf den Werkzeugköpfen (23) angeordnet ist, um die Bauteile (25) mit einer vorbestimmten Kraft zusammenzuklemmen, die so gewählt ist, daß die auf die Spannvorrichtung (F) und die Bauteile (25) einwirkenden Spannungskräfte eingedämmt und neutralisiert werden; wobei die Klemmeinrichtung wahlweise an vorbestimmten Stellen auf den Bauteilen (25) aktiviert wird, wo Löcher auszubilden und Verbindungselemente darin anzubringen sind;

eine Werkzeugeinrichtung (32, 33), die wahlweise anzubringen ist und von den Werkzeugköpfen (23) betätigt wird, um an den genannten Stellen Verbindungslöcher in den Bauteilen auszubilden und herzustellen;

eine Einrichtung (63), die mindestens einen der Roboter (R1, R2) mit ausgewählten Verbindungselementen versorgt;

eine zusätzliche Werkzeugeinrichtung (60, 80), die wahlweise an den Werkzeugköpfen (23) angebracht und von diesen betätigt werden kann, um die Verbindungselemente in den Löchern aufzunehmen und anzubringen; und

eine Computereinrichtung zur Steuerung und Handhabung der koordinierten Betätigung der Roboter (R1, R2) nach einem vorbestimmten Programm und einer vorbestimmten Montagegeometrie, so daß die Köpfe (23) sich über einander entgegengesetzte Seiten der Bauteile bewegen und das Herstellen der Löcher und das Anbringen der Verbindungselemente bewerkstelligen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Computereinrichtung die Roboter (R1, R2) dahingehend steuert, daß sie zueinander spiegelbildlich auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile arbeiten, um eine Reihe von Löchern an den vorbestimmten Stellen auszubilden und anschließend die Werkzeugköpfe (23) gegenüber jedem der ausgebildeten Löcher zu positionieren, um die Verbindungselemente dort anzubringen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtungen (28, 50, 60, 80) durch einander gegenüberliegende Endstücke (28, 50; 60, 80) gebildet werden, die auf den Werkzeugköpfen (23) des Paares von Robotern (R1, R2) angebracht sind, wobei jedes Endstück (28, 50; 60, 80) Fußhülsen (32, 55; 66, 83) umfaßt, die in eine Fläche oder Seite eines zu montierenden benachbarten Bauteils eingreifen, und eine Sensoreinrichtung (40, 55a; 67, 84), die auf jeder Fußhülse angebracht ist, um jede Fuß hülse mit den Bauteilen (25) in Eingriff zu bringen, um auf diese Weise das Einwirken von Klemmkräften festzustellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Computereinrichtung einen Hostrechner umfaßt, der eine Vielzahl von untergeordneten Rechnern steuert, die direkt von den Robotern (R1, R2), der Spannvorrichtung (F), der Einrichtung (63) für die Zufuhr von Verbindungselementen, den Klemmeinrichtungen (28, 50, 60, 80), den Werkzeugköpfen (23) und der Werkzeugeinrichtung (32, 33) angesteuert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Computereinrichtung einen Hostrechner umfaßt, der eine Vielzahl von untergeordneten Rechnern steuert, die von den Robotern (R1, R2), der Spannvorrichtung (F) und der Einrichtung (63) für die Zufuhr von Verbindungselementen angesteuert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sondeneinrichtung, die funktional auf den Robotern (R1, R2) angebracht ist, um die computerprogrammierte Position der Spannvorrichtung (F) und der Bauteile zu überprüfen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Roboter (R1, R2) einen Sockel (20) umfaßt, der so gelagert ist, daß er sich entlang einer horizontalen X- Achse bewegen kann, einen vertikalen Ständer (21), der auf dem Sockel gelagert ist und um eine vertikale Y-Achse drehbar ist, einen horizontalen Schlitten (22), der so auf dem Ständer gelagert ist, daß er sich entlang dessen vertikaler Achse und entlang seiner eigenen horizontalen Z-Achse bewegen kann, einen auf zwei Achsen drehbaren Kopf (23) am äußeren Ende des Schlittens, und eine in Drehung versetzte Werkzeugbetätigungsspindel (31), die auf dem Kopf angeordnet ist und entlang einer linearen Achse unabhängig in bezug auf den Kopf bewegbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Spannvorrichtung (F), die die zu montierenden Bauteile (25) starr in einer feststehenden Position zwischen den Robotern (R1, R2) hält, wobei die Köpfe (23) der Roboter entlang der X-, Y- und Z-Achse und um die Drehachsen bewegbar sind, um an jeder Stelle auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile positioniert werden zu können.

9. Verfahren zum Zusammennieten von Bauteilen mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte:

(a) Halten der zu vernietenden Bauteile (25) Fläche an Fläche in vorbestimmten festen Positionen;

(b) Anbringen von Bohrwerkzeugen (33) und mit dem Werkstück in Eingriff bringbaren Endstücken (28) auf dem Werkzeugkopf (23) eines ersten Roboters (R1);

(c) Anbringen von mit dem Werkstück in Eingriff bringbaren Endstücken (50) auf dem Werkzeugkopf (23) eines zweiten Roboters (R2);

(d) Positionieren des ersten und des zweiten Roboters (R1, R2) auf gegenüberliegenden Seiten der eingespannten Bauteile und in koaxialer Ausrichtung mit einer vorbestimmten Bohrung darin;

(e) Betätigen der Endstücke (28, 50) auf dem ersten und dem zweiten Roboter (R1, R2), damit diese mit den Bauteilen in Eingriff kommen und diese zwischen sich einspannen;

(f) Steuern der auf die Bauteile einwirkenden Klemmkräfte, um Spannungen und darauf einwirkende einseitige Schubkräfte zu vermeiden;

(g) Betätigen der Bohrwerkzeuge (33), um an der Stelle der Bohrung in den Bauteilen ein Nietloch auszubilden;

(h) Lösen der Endstücke (28, 50) und Positionieren der Roboter (R1, R2) in koaxialer Ausrichtung mit einer anderen Bohrung, sowie Durchführen der Schritte (d) bis (g) und Wiederholen dieser Schritte, bis alle Nietlöcher in den Bauteilen ausgebildet sind.

(i) Auswechseln der Endstücke (28, 50) und der Bohrwerkzeuge (33) auf den Köpfen (23) der Roboter (R1, R2) durch Endstücke (60, 80), die Werkzeuge zum Setzen der Nieten, mit dem Werkstück in Eingriff bringbare Einrichtungen und eine Einrichtung (63) zum Zuführen der Nieten zu den Werkzeugen zum Setzen der Nieten umfassen;

(j) erneutes Positionieren der Roboter (R1, R2) auf gegenüberliegenden Seiten der Bauteile und in koaxialer Ausrichtung mit einem zuvor ausgebildeten Nietloch;

(k) Betätigen der Roboter (R1, R2) und der Endstücke (60, 80), um die Bauteile mit einer regulierten Klemmkraft, bei der Spannungen und einseitige Schubkräfte vermieden werden, fest dazwischen einzuspannen;

(l) Betätigen der Einrichtung zum Zuführen der Nieten, um einen Niet so zu positionieren, daß er in das zuvor ausgebildete Nietloch eingesetzt werden kann;

(m) Betätigen der Werkzeuge zum Setzen von Nieten, um den Niet in das zuvor ausgebildete Nietloch einzusetzen und darin zu stauchen; und

(n) Lösen der Endstücke (60, 80) und anschließendes Neupositionieren der Roboter in koaxialer Ausrichtung mit jedem der zuvor ausgebildeten Nietlöcher und Wiederholen der Schritte (k) bis (n), bis ein Niet in jedem der zuvor ausgebildeten Löcher angebracht ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Endstücke (50, 80), die auf dem Werkzeugkopf (23) des zweiten Roboters (R2) nach Schritt (c) montiert sind, Lochentgratungswerkzeuge umfassen, und bei dem die Entgratungswerkzeuge im Anschluß an Schritt (g) betätigt werden.