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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nieten
von Längsverstärkungselementen
auf Aluminiumplatten.
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Insbesondere
befaßt
sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zum Nieten der sogenannten „Stringer" auf Aluminiumplatten
zur Bereitstellung von Teilen von Flugzeugrümpfen oder Tragflächen.
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Zum
Bau von Flugzeugrümpfen
oder Tragflächen
verwendet man sehr dünne
Aluminiumplatten, um das Gewicht in Grenzen zu halten, die Platten werden
mit Längsverstärkungselementen
ebenfalls aus Aluminium, „Stringer" genannt, verstärkt.
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Nach
bekannten Techniken werden die Stringer, die verschiedene Querschnittsformen
aufweisen können,
zum Beispiel die Form eines T oder eines umgekehrten J an den Aluminiumplatten
entweder, wenn sie eine geeignete Lasche haben, durch Nieten oder
nach moderneren Techniken durch Laserschweißen befestigt.
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Nieten
ist gegenwärtig
die bevorzugte Technik, da sie eine auf breiter Basis erprobte Technologie nutzt,
die weniger kritisch als Schweißen
ist.
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Es
ist bekannt, daß das
Nieten von Metallteilen eine Abfolge einfacher Arbeitsvorgänge beinhaltet,
namentlich Bohren beider zu verbindender Teile, Einführen von
Klebstoff in die Öffnung
und schließlich Einführung des
Niets und seine Verpressung in ihr. Obige Operationen werden im
allgemeinen automatisch durchgeführt,
wobei das Werkstück
relativ zu den Bohr- und Nietwerkzeugen, die stationär bleiben, bewegt
wird.
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Eine
bekannte Vorrichtung zum automatischen Nieten von Platten, insbesondere
für Flugzeugtragflächen, wird
in US-Patent No. 4,762,262 offengelegt.
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Die
darin offenbarte Vorrichtung benutzt zwei Roboterarme, die jeweils
mit einem Nietwerkzeug ausgerüstet
sind und in entgegengesetztem Verhältnis an einer im wesentlichen
senkrecht angeordneten Flugzeugtragfläche arbeiten. Die Roboterarme
sind in einer zu der Tragflächenlängsrichtung
senkrechten Ebene beweglich und ein Vorschubsystem einschließlich eines
auf Schienen gleitenden Schlittens ist vorgesehen, um die Verschiebung
der Tragfläche beim
Arbeiten zu ermöglichen.
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Die
in jenem Patent offengelegte Vorrichtung, die automatisiertes Nieten
einer ganzen Platte erlaubt, hat jedoch ihre Grenzen. Das System
zur Längsbewegung
der Platte muß sogar
eine ganze Tragfläche
mit extremer Genauigkeit abstützen
und verschieben; daher ist es ein komplexes, schwerfälliges und
teures System, da es höchste
Stabilität
während
der Arbeit gewährleisten
muß und
es kann kaum sicherstellen, daß keinerlei
Schwingungen auftreten.
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Die
vorliegende Erfindung zielt daher auf die Lösung des Problems, wie der
Nietprozeß der
Stringer auf Aluminiumplatten zu vereinfachen sei, wobei ein hohes
Maß an
Zuverlässigkeit
und Genauigkeit zu gewährleisten
ist.
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Die
obige und weitere Zielsetzungen werden durch die in den beigefügten Ansprüchen beschriebene
Nietvorrichtung erreicht.
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In
vorteilhafter Weise steht nach der Erfindung ein automatisches Nietsystem
zur Verfügung, das
in der Lage ist, die Gesamtheit der in den Arbeitsprozeß eingebundenen
Operationen abzuwickeln, vom Bohren bis zum abschließenden Verpressen
der Nieten, auf schnelle Art und Weise und ohne während des
Arbeitsvorgangs erforderliche Verlagerung der Platte.
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Die
obige und weitere Zielsetzungen der Erfindung werden aus der Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen deutlich werden, wobei:
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1 eine
Vorderansicht einer nach der vorliegenden Erfindung geschaffenen
Vorrichtung zum Nieten von Längsverstärkungselementen
auf Aluminiumplatten ist;
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2 zeigt
einen in der in 1 gezeigten Nietvorrichtung
verwendeten kraftbetriebenen Doppelschlitten;
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3 ist
eine Seitenansicht des in 2 gezeigten
kraftbetriebenen Doppelschlittens;
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4 ist
eine Seitenansicht der Einzelheit eines Arbeitsarms der nach der
vorliegenden Erfindung geschaffenen Vorrichtung;
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5 zeigt
ein vergrößertes Detail
eines Stützfußes des
in 4 gezeigten Arbeitsarms; und
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6a bis 6g zeigen
die von der Vorrichtung beim Nieten durchgeführte Arbeitsfolge.
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Unter
Hinweis auf 1 weist eine Vorrichtung zum
automatischen Nieten eines Längsverstärkungselements,
eines sogenannten Stringers, auf eine Aluminiumplatte zwei Roboterarme
auf, nämlich einen
ersten mit einem Mehrspindelkopf ausgerüsteten Arm 2, sowie
einen zweiten mit einem Gegenhaltewerkzeug 22 ausgestatteten
Arm 4.
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Die
Nietvorrichtung wird von einer numerischen Steuerung bekannter Art
gesteuert, die die Roboterarme 2 und 4 in vorgegebenen
Bewegungen im Raum nach einem gegebenen Arbeitsprogramm führt. Dank
der Bewegungsfreiheit der Roboterarme 2 und 4 im
Raum ist das System im allgemeinen fähig, Nietoperationen an der
gesamten Platte 7 ohne die Notwendigkeit des Verschiebens
oder Drehens der Platte durchzuführen.
Tatsächlich
ist die zu bearbeitende Platte 6 an einem stationären Träger 8 befestigt,
von dem in 1 nur zwei Endbereiche dargestellt
sind, die die Platte fest in vertikaler Lage abstützen. Die
vertikale Lage der Platte hängt
von der Tragkonstruktion der Roboterarme 2 und 4 ab,
beeinflußt
jedoch in keiner Weise den nachfolgend zu beschreibenden Arbeitsprozeß.
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So
ist es möglich,
ein gleichwertiges System zu schaffen, bei dem die Platte nach Bedarf
horizontal oder schräg
angeordnet ist.
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Darüber hinaus
ist die Ausdehnung der in 1 gezeigten
Platte lediglich angedeutet und die wirkliche Plattengröße kann
sich ändern,
soweit sowohl Höhe
als auch Breite betroffen sind, soweit dies mit der Reichweite der
Roboterarme vereinbar ist.
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Der
Roboterarm 2 trägt
einen kraftbetriebenen Doppelschlitten 10, der im Detail
in 2 und 3 dargestellt ist und die unabhängige Verschiebung
der beiden beweglichen Platten 30, 32 längs derselben
Achse ermöglicht.
Ein Stützfuß 12 und
ein Drehtisch 14 sind jeweils auf jenen Platten befestigt.
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Wie
als Einzelheit in 2 gezeigt, gleiten beide beweglichen
Platten 30, 32 längs derselben Führungen 24, 26 und
sind jeweils mit einer Gewindespindel 36, 34 gekuppelt,
die von einem entsprechenden Elektromotor 40, 38 mittels
Riemen 45, 46 in Drehung versetzt wird. Die Drehung
jeder Gewindespindel wird daher in eine Linearverschiebung der angeschlossenen
Platte umgewandelt. Der Hub jeder Platte ist daher durch die von
der anderen Platte eingenommene Position eingeschränkt.
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Die
bewegliche Platte 32 hat eine im Wesentlichen quadratische
Form und ist mit einer Vielzahl von Bohrungen 35 zur Befestigung
des Drehtischs 14 versehen. Der Drehtisch 14 ist
im Inneren mit einem hydraulischen oder elektrischen Drehantrieb
ausgerüstet
und auch von der numerischen Steuerung der Vorrichtung gesteuert
und ist außen mit
Bohrungen 15 zur Befestigung einer Vielzahl von Werkzeugen
versehen, die auf seiner Oberfläche über den
Umfang verteilt sind. 1 zeigt als Beispiel eine Spindel 16,
die in ihre Arbeitsposition gedreht ist, sowie zwei Nietwerkzeuge 18, 20,
die unter 45° zu
der Spindel angeordnet sind.
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So
erlaubt die bewegliche Platte 32 die Längsverschiebung des eingesetzten
Werkzeugs (in der Zeichnung Spindel 16), während der
Drehtisch den Werkzeugwechsel ermöglicht, nachdem das benutzte
Werkzeug durch Rückwärtsbewegung
der beweglichen Platte 32 zurückgezogen worden ist.
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Tisch 14 ist
zur Aufnahme von bis zu 8 Werkzeugen ausgelegt. Im allgemeinen ist
es jedoch ausreichend, eine einzige Spindel zu verwenden, bei der es
möglich
ist, die Bohrwerkzeuge automatisch zu wechseln, um Bohrungen unterschiedlichen
Durchmessers zu produzieren, sowie ein oder zwei Nietwerkzeuge,
um Nieten verschiedener Größe anzubringen.
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Um
sowohl das Bohren der Platte als auch ihre Nietung durchzuführen, ist
ein beim automatischen Nieten wohlbekanntes Gegenhaltewerkzeug 22 in
zum Bohr- oder Nietwerkzeug entgegengesetzter Position erforderlich.
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Das
an den Roboterarm 4 angekuppelte Gegenhaltewerkzeug 22 folgt
den Bewegungen des ersten Arms 2 und kann daher alle Plattenpositionen
erreichen, an denen genietet wird.
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3 ist
eine Seitenansicht des Doppelschlittens 10. Zur Verdeutlichung
wurde in dieser Figur der Elektromotor 40 entfernt, um
die Einzelheiten zu zeigen, die er verdecken würde.
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Insbesondere
zeigt die Figur Elemente 42, 44 zum Ankuppeln
des Schlittens an den Arm 2, die beweglichen Platten 30, 32 und
die Gummifaltenbälge 37, 39, 41,
die die Innenteile des Schlittens schützen und gleichzeitig den Platten 30, 32 die
Längsverschiebung
auf dem Schlitten ermöglichen.
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4 zeigt
demgegenüber
das untere Ende des Schlittens 10 im Detail mit dem an
seiner Platte 30 befestigten Stützfuß 12 und einer Einrichtung 48 zum
Einbringen eines Klebstoffs in Verbindung mit der von der Spindel 16 erzeugten
Bohrung vor der Nietoperation.
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Der
Stützfuß 12 bildet
an seinem unteren Ende einen innen hohlen kreisförmigen Bereich 12a, dessen
innerer Hohlraum mit einer Vorrichtung 60 zum Ansaugen
von Bohrspänen
(eine flexible Leitung, die an einen geeigneten Staubsauger angeschlossen
ist) verbunden ist. Der Innendurchmesser der Eingangsöffnung 12b,
die den Zugang zu dem hohlen kreisförmigen Bereich 12a des
Fußes
bildet, überschreitet
den Außendurchmesser
des Futters 17 der Spindel 16 geringfügig; infolgedessen
wird während
des Bohrens eine luftdicht abgeschlossene Kammer gebildet, die die
Späneansaugung
durch die Späneabsaugeinrichtung 60 begünstigt.
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Die
Einrichtung 48 zum Einbringen eines Klebstoffs ist mit
dem Stützfuß 12 durch
ein Betätigungssystem
wie einem Öleinspritzkolben
verbunden, das seine Hinundherbewegung bis nahe an die Bohrung und
von ihr weg erlaubt. 4 zeigt die Einrichtung in ihrer
abgesenkten Position.
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Vorteilhaft
wird die Einrichtung 48 zum Einbringen eines Klebstoffs
während
einer Drehphase des Drehtischs 14 bis nahe an die Bohrung
und von ihr weg bewegt, wobei die Totzeiten während des Werkzeugwechsels
genutzt werden.
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5 zeigt
in vergrößerter Einzelheit
den hohlen kreisförmigen
Bereich 12a des Stützfußes 12, der
die Platte 6 gegen den Stringer 6a drückt, sowie das
untere Ende der Einrichtung 48 zum Einbringen eines Klebstoffs
in seiner abgesenkten Position, wenn sie in Verbindung mit der Bohrung 52 gebracht wird.
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Innerhalb
der Einrichtung 48 ist ein Kanal 50 vorgesehen,
durch den der Klebstoff strömt.
Der Kanal 50 ist an seinem Ende in zwei oder mehrere schräge Kanäle 50a, 50b aufgeteilt,
vorzugsweise drei um 120° zueinander
angeordnete Kanäle,
die eine gleichmäßige Verteilung
des Klebstoffs auf die Bohrungswandungen begünstigen. Die Spitze der Einrichtung 48,
d. h. wo die schrägen
Kanäle 50a, 50b vorgesehen
sind, ist so geformt, daß sie
so auf der Bohrung 52 ungeachtet der geneigten Anfahrbewegung
in axialer Flucht positioniert wird.
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Der
Arbeitsablauf der erfindungsgemäßen Nietvorrichtung
wird nunmehr unter Hinweis auf 6a bis 6g beschrieben.
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Die
Nietung des Stringers 6a auf die Platte 6 findet
wie folgt statt:
- – die Gegenhalteeinheit, bestehend
aus dem vom Roboterarm 4 abgestützten Gegenhaltewerkzeug 22 wird
auf der Stringerseite 6a in der vom Bohrprogramm gegebenen
Position gegen die Platte 6 gefahren (6a):
- – der
Bearbeitungsarm 2 wird vor die Platte 6 gefahren
und durch eine Verschiebung der ersten Platte 30 erreicht
ihr Stützfuß 12 den
von der numerischen Steuerung für
den Prozeß programmierten
Punkt (6b),
- – der
Stützfuß 12 wird
gegen die Platte 6 gedrückt, bis
er eine programmierbare Kraft von etwa 20 bis 60 kg, vorzugsweise
30 kg auf die Platte ausübt, um
so die Platte 6 und den Stringer 6a gegen das Gegenhalteelement 22 zu
drücken;
ein derartiger, vom Gegenhalteelement 22 aufgenommener Druck
wird im wesentlichen während
der gesamten Nietoperation aufrechterhalten (6c);
- – das
Steuerprogramm ermittelt den vom Stützfuß 12 tatsächlich erreichten
Wert und betätigt
die zweite Platte 32 des Schlittens 10 (indem
sie sie in Abhängigkeit
vom Fehler zwischen der tatsächlichen
und der theoretischen Position näher
heran und weiter weg bewegt), um so die Spindel 16 in die
richtige Position zum Bohren/Ansenken zu bringen; durch Heranbewegung
der Platte 32 werden die Bohrung und die entsprechende
Ansenkung mittels des in der Spindel 16 eingespannten Bohrers 16a hergestellt
(6d);
- – die
Spindel 16 wird durch Rückwärtsbewegung der
Platte 32 wegbewegt und während der Tisch 14 zum
Werkzeugwechsel geschwenkt wird, wird der Klebstoff durch die Einrichtung 48 eingespritzt (6e);
- – nach
Abschluß der
Drehung des Tisches 14 wird die Nieteinheit 18 oder 20 abgesenkt
und führt den
Niet 51 in die angesenkte Bohrung ein; gleichzeitig wird
eine Gegenhaltemasse 23 mit einer Kraft von etwa 10 kg
gegen die Bohrung im Stringer herangeführt (6f);
- – das
Niet 51 wird in die Bohrung eingeführt und das Nieten ausgeführt, vorzugsweise
auf einen einzigen Schlag (6g);
- – die
Arme 2 und 4 werden wegbewegt, um den Nietvorgang
an einer anderen Stelle der Platte 6 zu wiederholen.
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Dank
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
eine Bohrung und eine Ansenkung vorteilhaft mit gegenüber den
Anforderungen minimalen Fehlern geschaffen werden. Es ist wichtig,
daß speziell die
Ansenkung nur minimale Abweichungen aufweist, da der Nietkopf 51 am
Ende der Vernietung auf derselben Ebene wie die Oberfläche der
Platte 6 liegen muß.
Die Tiefe von Bohrung und Ansenkung werden dadurch konstant gehalten,
daß die
Spindel 16 vor dem Bohren noch einmal positioniert wird,
wobei mögliche
Fehler in Bezug auf die theoretische Sollposition durch die Istposition
des gegen die Platte 6 gedrückten Stützfußes 12 geheilt werden.
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Vorrichtung zum Nieten
von Längsverstärkungselementen
auf Aluminiumplatten
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Eine
Vorrichtung zum Nieten eines Längsverstärkungselements
auf eine Aluminiumplatte umfaßt
einen ersten Roboterarm (2), der mit einer Vielzahl von
austauschbaren Werkzeugen (16, 18, 20) ausgerüstet ist,
einschließlich
eines Bohrwerkzeugs (16) und mindestens eines Nietwerkzeugs
(18, 20), sowie einen zweiten Roboterarm (4),
der mit mindestens einem Gegenhaltewerkzeug (22) ausgestattet ist.
Die austauschbaren Werkzeuge (16, 18, 20)
sind auf einem Drehtisch (14) montiert, der seinerseits
auf einer ersten beweglichen Platte (32) eines kraftbetriebenen
Doppelschlittens (10) befestigt ist, während eine zweite bewegliche
Platte (30) desselben Schlittens (10) einen Stützfuß (12)
aufnimmt, durch den beide zu vernietenden Teile während der
Bearbeitung und dem Werkzeugwechsel zusammengehalten werden.