Onlinebestimmung der Qualitätskenngrössen beim Stanznieten und Clinchen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Online-Bestimmung von Stauchmaß X_ST und Nietkopfendlage K eines Niets 3 mit einer Länge L bei einem Stanznietvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels 10 und einer starren Matrize 20. Während des Fügevorgangs werden online der durch den Stempel 10 zurückgelegte Weg und die durch ihn aufgebrachte Kraft erfasst und ausgewertet. Mit Hilfe von definierten Schwellenwerten oder einer grafischen Auswertung von Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs lassen sich die Qualitätskenngrößen der Fügeverbindung bestimmen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Online-Bestimmung von Stauchmaß und und Nietkopfendlage eines Niets bei einem Stanznietvorgang.

[0002] Beim Stanznieten handelt es sich um Fügeverfahren, die mit Nietelementen durchgeführt werden. Diese Nietelemente umfassen Vollstanzniete und Halbhohlstanzniete.

[0003] Nach dem Stanznieten wird die Stanznietverbindung einer Qualitätskontrolle unterzogen. Man unterscheidet hierbei in eine zerstörungsfreie und in eine zerstörende Qualitätskontrolle. Als Mittel für die zerstörungsfreie Qualitätskontrolle werden großtechnisch die Sichtkontrolle, die Kontrolle der äußeren Fügegeometrie und die Prozessüberwachung eingesetzt. Die Sichtkontrolle liefert jedoch nur allgemeine Aussagen über eine hergestellte Stanznietverbindung, da nur äußere Merkmale der Stanznietverbindung zur Verfügung stehen. Zu diesen zählen beispielsweise bei einer Verbindung mit Halbhohlstanzniet die Bündigkeit des Nietkopfs, der Zustand des matrizenseitigen Blechs, die Beschädigung von Fügeteiloberflächen durch den Niederhalter und die Ausrichtung des Niets mit Bezug auf die Matrize.

[0004] Auch bei der Kontrolle der äußeren Fügeelementgeometrie stehen nur die von außen sichtbaren Größen der hergestellten Fügeverbindung zur Verfügung. Diese sind die Nietkopfendlage, das Stauchmaß beim Stanznieten mit Halbhohlstanzniet und die Prägetiefe beim Stanznieten mit Vollstanzniet.

[0005] Des Weiteren wird zur Qualitätskontrolle die Prozessüberwachung genutzt, die auf Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs basiert. Zur Auswertung der Fügevorgänge wird die Kraft-Weg-Kurve einer hergestellten optimalen Fügeverbindung als Referenz-Kurve genutzt. Um diese Referenz-Kurve werden beispielsweise Hüllkurven, Toleranzbänder oder Prozessfenster gelegt, um eine Abweichung der Kraft-Weg-Daten von der Referenz-Kurve während eines Fügevorgangs feststellen zu können.

[0006] Eine weitere Alternative zur Qualitätskontrolle stellt die bereits oben erwähnte zerstörende Prüfung der hergestellten Fügeverbindung dar. Zur zerstörenden Qualitätskontrolle werden Makroschliffe der Fügeverbindung angefertigt und/oder Festigkeitsprüfungen der Fügeverbindung durchgeführt. Aus einem Makroschliff ist eine Ebenheit der Fügeteile in der Fügezone, eine Spaltbildung zwischen den Fügeteilen, eine Bündigkeit des Nietkopfs mit einem stempelseitigen Blech, eine Hinterschnittbildung und eine Rissfreiheit der Fügeverbindung auswertbar. Die erwähnte Festigkeitsprüfung ermöglicht Aussagen über die Tragfähigkeit der Stanznietverbindung unter Scher-, Schäl- und Kopfzugbelastungen.

[0007] Üblicherweise werden in der Praxis die Fügeparameter und geometrischen Kenngrößen für die Fügeverbindung in Vorversuchen festgelegt. Auf dieser Grundlage werden die Kenngrößen Nietkopfendlage und Stauchmaß einer optimalen Fügeverbindung als Referenzgrößen angenommen, da sie zerstörungsfrei ermittelt werden können. Dadurch lässt sich der Aufwand der zerstörenden Qualitätsprüfung reduzieren. Aber auch diese Referenzgrößen müssen nach jedem Fügevorgang einzeln gemessen werden. Dies bringt einen hohen Zeitaufwand mit sich und ist für die Serienfertigung nicht geeignet. Eine weitere Alternative stellt die stichprobenartige Kontrolle der obigen Referenzgrößen dar.

[0008] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein im Vergleich zum Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Überprüfung der Qualitätskenngrößen von Fügeverbindungen bereit zu stellen.

[0009] Die obige Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weiterentwicklungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren offenbart eine Online-Bestimmung von Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS eines Halbhohlstanzniets mit einer Länge L bei einem Stanznietvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels und einer starren Matrize. Die Online-Bestimmung weist die folgenden Schritte auf: Erfassen eines vom verfahrbaren Stempel zurückgelegten Wegs während des Stanznietvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers, Erfassen einer vom verfahrbaren Stempel auf den Halbhohlstanzniet aufgebrachten Kraft während des Stanznietvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg, Bestimmen eines Ansetzpunkts x₂ des Niets an einem Fügeteil und eines Entlastungspunkts x₄, der ein Entlasten des Stempels nach dem Stanznietvorgang identifiziert, aus den erfassten Kraft-Weg-Daten und Berechnen der Nietkopfendlage K_HS gemäß K = x₂+L-x₄ und des Stauchmaßes x_ST gemäß x_ST=x-x₄, während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel und Matrize beschreibt.

[0011] Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Erfassen und Auswerten von Kraft-Weg-Daten jedes einzelnen Fügevorgangs. Während des Stanznietvorgangs wird einerseits der durch den Stempel zurückgelegte Weg und andererseits die durch den Stempel auf den Halbhohlstanzniet aufgebrachte Kraft aufgezeichnet und gemeinsam ausgewertet. Stellt man die erfassten Kraft-Weg-Daten des Stanznietvorgangs in einem Kraft-Weg-Diagramm als Kurve dar, sind relevante Größen zur Berechnung von Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS aus dieser Darstellung oder bereits aus typischen Änderungen der Kraft-Weg-Daten ohne Kurvendarstellung ableitbar. Der Ansetzpunkt x₂ des Halbhohlstanzniets am Fügeteil lässt sich beispielsweise in den Kraft-Weg-Daten über ein Erkennen einer fehlenden Änderung im erfassten verfahrbaren Weg des Stempels trotz eines Stempelvorschubs erkennen. Gemäß einer weiteren Alternative ist der Ansetzpunkt x₂ in den Kraft-Weg-Daten als der Weg identifizierbar, an dem die erfasste Kraft eine Haltekraft eines Setzkopfs oder Niederhalters um einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Sollte kein Setzkopf oder Niederhalter verwendet werden, ist es ebenfalls denkbar, den Schwellenwert an einen beliebigen anderen Anfangskraftwert anzulehnen.

[0012] Die erfassten Kraft-Weg-Daten werden gemäß einer Ausführungsform in einer Datenverarbeitungseinheit, insbesondere in einem Computer, erfasst und ausgewertet. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die Daten des Wegaufnehmers und des Kraftsensors direkt oder über einen Analog-Digital-Wandler an die Datenverarbeitungseinheit übertragen.

[0013] Es ist des Weiteren bevorzugt, eine Referenzgröße Δx_c für eine Maschinensteifigkeit der Fügemaschine gemäß Δx_C=x₃-x₄ zu berechnen. Diese Referenzgröße gibt an, wie nachgiebig die konstruktive Verbindung zwischen Stempel und Matrize ist. Wird beispielsweise der Stanznietvorgang mit Hilfe eines C-Rahmens durchgeführt, ist aus der Referenzgröße Δx_C erkennbar, ob es auf Grund der Fügevorgänge im C-Rahmen zu Materialermüdung kommt. Zur Berechnung dieser Referenzgröße wird aus den Kraft-Weg-Daten der Punkt x₃ als der Weg erfasst, bei dem die maximale Kraft F_max des Stempels während des Fügevorgangs erreicht ist.

[0014] Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs in einem Kraft-Weg-Diagramm als Kurve dargestellt. Nach dem Erreichen der maximalen Kraft F_max des Stempels wird der Stempel zurückgeführt, was zu einer mechanischen Entlastung des Stempels und der Nietverbindung führt. Dieses Zurückfahren des Stempels wird in den Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs als Rücklauf bezeichnet. Unmittelbar nach Erreichen der maximalen Kraft F_max des Stempels zeigt der Rücklauf zu Beginn einen annähernd linear abfallenden Verlauf. Ein Punkt x₄ lässt sich innerhalb dieses Rücklaufs identifizieren, indem man eine Tangente an die annähernd linear verlaufenden Kraft-Weg-Daten zu Beginn des Rücklaufs anlegt, so dass ein Abweichen der Kraft-Weg-Daten um einen vorgegebenen Wert von der Tangente den Punkt x₄ angibt.

[0015] Mit dem Erfassen der Kraft-Weg-Daten während des Fügevorgangs und der sofortigen Auswertung im Computer lässt sich somit eine Online-Bestimmung von Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS als Qualitätskontrolle durchführen. Mit diesen automatisch dokumentierten Qualitätskenngrößen werden Prozessfähigkeitsuntersuchungen durchgeführt und Qualitätsregelkarten geschrieben. Des Weiteren können Aussagen über geometrische Größen und Tragverhalten der erzielten Fügeverbindung gemacht werden, die bisher nur durch die zerstörende Prüfung der Fügeverbindung zu ermitteln waren. Dabei werden die Zusammenhänge und Korrelationen der Qualitätskenngrößen genutzt, die durch neuronale Netze verwaltet werden können.

[0016] In Analogie zur Online Bestimmung von Qualitätskenngrößen beim Stanznieten von Halbhohlstanznieten ist dieses Verfahren ebenfalls auf das Stanznieten von Vollstanznieten und auf das Clinchen anwendbar. Die wesentlichen Verfahrensschritte zur Online-Bestimmung von Prägetiefe h_d und Nietkopfendlage K_VS eines Vollstanzniets mit einer Länge L bei einem Stanznietvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels und einer Matrize lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Erfassen eines vom verfahrbaren Stempel zurückgelegten Wegs während des Stanznietvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers, Erfassen einer vom verfahrbaren Stempel auf den Vollstanzniet aufgebrachten Kraft F während des Stanznietvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg, Bestimmen eines Ansetzpunkts x₂ des Vollstanzniets mit Stempel an einem Fügeteil und eines Entlastungspunkts x₄ aus den erfassten Kraft-Weg-Daten, während der Entlastungspunkt x₄ ein Entlasten des Stempels nach dem Stanznietvorgang identifiziert, und Berechnen der Nietkopfendlage K_VS gemäß K_VS=x₂+L-x₄ und der Prägetiefe h_d gemäß h_d=t-[x-(x₂+L)], während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel und Matrize und t eine Dicke der Fügeteile beschreibt.

[0017] Beim Clinchen werden zur Online-Bestimmung der Qualitätskenngröße Bodendicke t_b die folgenden Schritte durchgeführt: Erfassen eines vom verfahrbaren Stempel zurückgelegten Wegs während des Clinchvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers, Erfassen einer vom verfahrbaren Stempel auf ein Fügeteil aufgebrachten Kraft F während des Clinchvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg, Bestimmen eines Entlastungspunkts x₄ aus den erfassten Kraft-Weg-Daten, der ein Entlasten des Stempels nach dem Clinchvorgang identifiziert, und Berechnen der Bodendicke t_b gemäß t_b=x-x₄, während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel und Matrize beschreibt.

[0018] Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine teilweise Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Stanznietens,

Figur 2

eine schematische Teilansicht eines Ausschnitts aus Figur 1,

Figur 3

eine Darstellung der Größen Nietkopfendlage K_HS und Stauchmaß x_ST beim Fügen eines Halbhohlstanzniets,

Figur 4

ein Kraft-Weg-Diagramm, das die während eines Stanznietvorgangs aufgezeichneten Kraft-Weg-Daten sowie markante Positionen während des Fügevorgangs von Halbhohlstanznieten enthält,

Figur 5

die Kraft-Weg-Daten eines Stanznietvorgangs eingetragen in einem Kraft-Weg-Diagramm sowie die markanten Punkte der Kurve, aus denen sich verschiedene geometrische Größen zur Qualitätsbestimmung der hergestellten Stanznietverbindung ergeben,

Figur 6

ein Flussdiagramm zur Darstellung der Verfahrensschritte zum Stanznieten und Clinchen,

Figur 7

eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Vollstanznietens,

Figur 8

eine Darstellung der Größen Nietkopfendlage K_VS und Prägetiefe h_d beim Vollstanznieten,

Figur 9

eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Clinchens und

Figur 10

eine Darstellung der Größe Bodendicke t_b beim Clinchen.

[0019] Die Online-Bestimmung von Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS eines Niets wird im Folgenden am Beispiel eines Stanznietvorgangs eines Halbhohlstanzniets beschrieben. In Analogie zur folgenden Beschreibung ist die Online-Bestimmung von Qualitätskenngrößen für den Halbhohlstanzniet auch auf das Stanznieten eines Vollstanzniets oder auf das Clinchen anwendbar (siehe unten).

[0020] Eine Ausführungsform einer Fügevorrichtung zum Stanznieten eines Halbhohlstanzniets ist in Figur 1 dargestellt. Sie umfasst einen Stempel 10 und eine Matrize 20, die mit Hilfe eines C-Rahmens 30 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die durch den Stempel 10 aufgebrachte Kraft wird mittels eines Kraftsensors 40, beispielsweise eine Kraftmessdose, erfasst (Schritt A in Figur 6). Den durch den Stempel 10 zurückgelegten Weg erfasst ein Wegaufnehmer 50 bekannter Bauart (vgl. Schritt B in Figur 6). Die durch den Kraftsensor 40 erfassten Kraft-Daten und die durch den Wegaufnehmer 50 erfassten Weg-Daten werden an eine Datenverarbeitungseinheit 60, beispielsweise einen Computer, übermittelt und dort als Kraft-Weg-Daten des Stanznietvorgangs gespeichert. Neben der bevorzugten Darstellung der Kraft-Weg-Daten in einem Kraft-Weg-Diagramm (vgl. Schritt C in Figur 6) wird allgemein in der Datenverarbeitungseinheit 60 parallel zum Fügevorgang die Online-Auswertung der erfassten Kraft-Weg-Daten durchgeführt.

[0021] Figur 2 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1, in dem verschiedene Komponenten des Halbhohlstanznietens dargestellt sind. Beim Halbhohlstanznieten werden zunächst Fügeteile 5 über einen Setzkopf oder Niederhalter 12 mit einer vorbestimmten Niederhalterkraft gegen die Matrize 20 gedrückt. Der Stempel 10 bewegt dann einen Halbhohlstanzniet 3 in Richtung der Matrize 20, um die Fügeverbindung herzustellen. Der bei dieser Bewegung durch den Stempel 10 zurückgelegte Weg wird mit Hilfe des Wegsensors 50 erfasst. In gleicher Weise wird die während dieser Bewegung des Stempels 10 auf den Niet 3 aufgebrachte Kraft durch den Kraftsensor 40 erfasst. Es ist ebenfalls bevorzugt, die Haltekräfte des Niederhalters 12 für die Fügeteile 5 über den Kraftsensor 40 aufzuzeichnen und in die später auszuwertenden Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs aufzunehmen. Die auf diese Weise ermittelten Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs, die sowohl den Vorlauf des Stempels 10 bis zum Einpressen des Halbhohlstanzniets 3 in die Fügeteile 5 (vgl. durchgezogene Kurve in Figur 4) als auch den Rücklauf des Stempels 10 und Niederhalters 12 in ihre Ausgangspositionen enthalten (vgl. gestrichelte Linie in Figur 4), werden online zum Fügevorgang in der Datenverarbeitungseinheit 60 ausgewertet.

[0022] Figur 3 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Fügeverbindung bestehend aus Halbhohlstanzniet 3 und Fügeteilen 5. Die Fügeverbindung lässt sich über die Qualitätskenngrößen Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS charakterisieren, deren geometrische Bedeutung in einer Fügeverbindung in Figur 3 dargestellt ist. Die Nietkopfendlage K_HS bezeichnet den Abstand zwischen der Nietkopfoberfläche des Halbhohlstanzniets 3 und der Oberfläche des Fügeteils 5. Das Stauchmaß x_ST bezeichnet den Abstand zwischen der Nietkopfoberfläche des Halbhohlstanzniets 3 und der unteren Oberfläche des Fügeteils 5 unterhalb des Halbhohlstanzniets 3.

[0023] In Analogie zum Fügen von Halbhohlstanznieten sind ebenfalls Qualitätskenngrößen beim Fügen von Vollstanznieten und beim Clinchen online bestimmbar. Fig. 8 zeigt eine Fügeverbindung bestehend aus Fügeteilen 5 und einem Vollstanzniet 4. Charakterisiert wird diese Verbindung durch die Nietkopfendlage K_VS als Abstand zwischen der Nietkopfoberfläche des Vollstanzniets 4 und der oberen Oberfläche des Fügeteils 5. Eine weitere Qualitätskenngröße ist die Prägetiefe h_d, die eine Einpresstiefe einer Matrize 20 (vgl. Fig. 7) in das untere Fügeteil 5 beschreibt. In Ergänzung dazu ist beim Clinchen die Qualitätskenngröße Bodendicke t_b online bestimmbar, die in Fig. 10 dargestellt ist.

[0024] Bei der Prozessüberwachung des Fügevorgangs, also der Online-Bestimmung und Auswertung der oben erläuterten Kraft-Weg-Daten, werden die Wegsignale des Stempels 10 aufgezeichnet (Schritt A). Der Setzkopf 12 eilt dem Stempel 10 um die Stempelhublänge voraus. Zuerst setzt sich der Setzkopf 12 auf die Fügeteile 5 und drückt die Fügeteile 5 auf die Matrize 20. Dieser Moment ist in der Kraft-Weg-Kurve des Fügevorgangs gemäß Figur 4 am Punkt P1 dargestellt, bis zu dem der Weg x₁ vom Stempel 10 zurückgelegt worden ist. Der Stempel 10 legt den Weg zurück, der dem Stempelhub abzüglich einer Länge L des Niets 3 entspricht, und setzt den Halbhohlstanzniet 3 auf die Fügeteile 5 auf (vgl. Punkt P2 in Figur 4). Dieser Punkt wird als Ansetzpunkt bezeichnet, der durch den Weg x₂ beschrieben ist. Bei weiterer Erhöhung der Druckkraft des Stempels 10 wird der Halbhohlstanzniet 3 in die Fügeteile 5 gedrückt und durch die Gegenkraft der Matrize 20 verformt. Mit Erreichen einer vordefinierten Maximalkraft F_max des Fügevorgangs oder eines vordefinierten Wegs des Stempels ist der Halbhohlstanzniet3 in den Fügeteilen 5 versenkt (vgl. P3 nach dem Weg x₃ in Figur 4). Während dieses Vorgangs wird der C-Rahmen durch das Aufeinanderdrücken von Stempel 10 und Matrize 20 auf Grund seiner elastischen Materialeigenschaften und Konstruktion aufgebogen. Die Kraft-Weg-Kurve bis zum Punkt P3 ist in Figur 4 durch die durchgezogene Linie beschrieben und wird als Vorlauf des Stempels 10 bezeichnet. Beginnend am Punkt P3 bis zu einer Stempelkraft Null verläuft der durch eine gestrichelte Linie dargestellte Rücklauf des Stempels 10. Dieser Rücklauf des Stempels 10 beginnt mit dem Reduzieren der durch den Stempel 10 aufgebrachten Kraft, so dass die Aufbiegung des C-Rahmens 30 zurückgeht. Während des Reduzierens der Stempelkraft zu Beginn des Rücklaufs fällt die Kraft des Stempels 10 linear ab, bis der Stempel 10 im Punkt P4 nach dem Weg x₄ die Nietkopfoberfläche nur noch mit einer minimalen Kraft verglichen zur maximalen Kraft F_max während des vorhergegangenen Vorlaufs des Stempels 10 berührt. Die Wegdifferenz zwischen den Punkten P3 und P4 ist auf die Aufbiegung des C-Rahmens 30 zurückführbar. Nach Erreichen von Punkt P4 in Figur 4 fahren Stempel 10 und Niederhalter bzw. Setzkopf 12 in ihre Grundstellung zurück.

[0025] Der oben beschriebene Vorgang ist somit aus den erfassten Kraft-Weg-Daten des Fügevorgangs ablesbar. Um die Online-Bestimmung der Qualitätskenngröße Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS durchzuführen, muss der maximale Abstand x zwischen der Unterseite des Stempels 10 und der Oberseite der Matrize 20, vorzugsweise des Matrizendorns, bekannt sein. Diese Größe x ergibt sich aus der Konstruktion der Fügevorrichtung als konstanter Wert. Sie kann manuell gemessen werden oder geht aus einer Referenzfahrt des Stempels 10 bis zur Berührung des Matrizendorns oder des Matrizenbodens hervor. Die Position des Ansetzpunkts des Setzkopfs x₁ im Punkt P1, des Ansetzpunkts des Halbhohlstanznietsx₂ im Punkt P2, des zurückgelegten Stempelwegs x₃ bei Erreichen der maximalen Fügekraft F_max im Punkt P3, der Nietkopfposition x₄ nach Entlastung des C-Rahmens im Punkt P4 werden aus der in den Figuren 4 und 5 dargestellten beispielgebenden Prozesskurve bzw. der Kraft-Weg-Kurve abgelesen oder in der Datenverarbeitungseinheit basierend auf bestimmten mathematischen Kriterien automatisch aus den Kraft-Weg-Daten bestimmt. Um diese Positionen richtig erfassen zu können, muss der Wegaufnehmer 50 entsprechend kalibriert sein.

[0026] Bezug nehmend auf Figur 5 ist der Weg x₁ bis zur Position P1 dadurch ermittelbar, dass an der Position P1 die durch den Stempel 10 aufgebrachte Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Das Übersteigen des Schwellenwerts zeigt an, dass durch den Setzkopf oder Niederhalter 12 eine Druckkraft auf die Fügeteile 5 in Richtung der Matrize 20 ausgeübt wird. Nachdem die Kraft einen voreingestellten Wert erreicht hat, mit dem der Setzkopf bzw. Niederhalter 12 gegen die Fügeteile 5 drückt, wird dieser über einen bestimmten Weg zwischen den Punkten P1 und P3 gehalten.

[0027] Beim Übergang vom Punkt P1 zum Punkt P2 fährt der Stempel 10 mit dem Halbhohlstanzniet3 in Richtung der Matrize 20, bis der Halbhohlstanzniet 3 im Punkt P2 die Oberseite der Fügeteile 5 berührt. Der Ansetzpunkt x₂ im Punkt P2 des Stempels 10 an den Fügeteilen 5 lässt sich über ein Erkennen einer fehlenden Änderung im erfassten verfahrbaren Weg des Stempels 10 trotz eines Stempelvorschubs identifizieren. Die fehlende Wegänderung findet vorzugsweise über einen Stempelvorschub von 1 bis 20 Inkrementen statt. Der bevorzugte Wegsensor 50 misst beispielsweise einen Messbereich von 0-100 mm, 0-150 mm oder 0-200 mm. Entsprechend dem erfassten Weg liefert er ein Ausgangssignal in einem Bereich von 0-10 V. Bei einer Auflösung von 12 Bit wird dieser Spannungsbereich in 4096 Inkremente unterteilt. Wendet man dies auf einen Messbereich von 150 mm an, entspricht ein Inkrement einem Weg von 0,036 mm und einem Ausgangssignal von 0,0024 V. Nutzt man gemäß einer weiteren Alternative einen digitalen Wegsensor mit einer 16-Bit-Auflösung, teilt sich der Messbereich des Wegsensors in 65536 Inkremente auf. Bei einem Messbereich von 150 mm entspricht daher ein Inkrement einer Wegänderung von 0,00229 mm.

[0028] Gemäß einer weiteren Alternative lässt sich der Ansatzpunkt x₂ im Punkt P2 in den Kraft-Weg-Daten als der Weg identifizieren, an dem die erfasste Kraft des Stempels 10 die Haltekraft des Setzkopfs/Niederhalters 12 um einen bestimmten Schwellenwert übersteigt. Des Weiteren ist es denkbar, den Weg x₁ rechnerisch aus dem Zusammenhang x₁=x₂-(Stempelhub+ L) rechnerisch zu ermitteln, während L die Länge des Halbhohlstanzniets bezeichnet. Der Stempelhub bezeichnet den Abstand zwischen Unterseite des Stempels 10 und Unterseite des Setzkopfs/Niederhalters 12.

[0029] Der Weg x₃ bis zum Punkt P3 wird über das Erreichen der maximalen Kraft F_max des Stempels 10 identifiziert. Diese maximale Kraft F_max ist entsprechend den zu fügenden Komponenten 3, 5 vor dem Fügevorgang einstellbar und daher bekannt.

[0030] Während des Rücklaufs des Stempels 10 (vgl. gestrichelte Linie in den Figuren 4 und 5) ist der Weg x₄ bis zum Punkt P4 folgendermaßen identifizierbar (Schritt D). Im Punkt P3 nach dem Weg x₃ wird eine Tangente an den annähernd linear verlaufenden Rücklauf (vgl. gestrichelte Kurve in den Figuren 4 und 5) angelegt, so dass ein Abweichen der Kraft-Weg-Kurve um einen vorgegebenen Wert von der Tangente den Punkt P4 nach dem Weg x₄ liefert. Man definiert hier einen Schwellenwert für die maximal zulässige Wegänderung oder Abweichung des Wegs von der Tangente mit Δx≤1-20 Inkremente. Wenn die maximal zulässige Abweichung Δx von der Tangente überschritten ist, legt dies den Punkt P4 und den Weg x₄ fest.

[0031] Es ist ebenfalls denkbar, den Punkt x₄ aus den Kraft-Weg-Daten ohne Darstellen einer Kurve abzulesen. In diesem Fall würde man beginnend am Punkt P3 eine lineare Änderung der Kraft-Weg-Daten während des Rücklaufs des Stempels 10 annehmen, bis dieser entlastet ist. Sobald die als linear angenommene Änderung der Kraft-Weg-Daten von ihrer Linearität abweicht, legt dieser Punkt der Abweichung den Weg x₄ fest.

[0032] Gemäß einer weiteren Alternative wurde eine Referenzgröße Δx_C für die Steifigkeit des C-Rahmens 30 in Vorversuchen ermittelt. Mit Hilfe dieser Referenzgröße Δx_C ergibt x₄ aus der Differenz von x₃ und Δx_C gemäß x₄=x₃- Δx_C. Wenn x₃ und x₄ aus der Kraft-Weg-Kurve ermittelt worden sind, lässt sich Δx_c auch aus der Differenz der Wege x₃ und x₄ gemäß Δx_C = x₃-x₄ berechnen (Schritt F).

[0033] Basierend auf den aus den Kraft-Weg-Daten ermittelten Größen lassen sich das Stauchmaß x_ST und die Nietkopfendlage K_HS gemäß folgender Gleichungen berechnen (Schritt E). Das Stauchmaß x_ST ergibt sich gemäß x_ST=x-x₄, während x den Maximalabstand zwischen Stempelunterseite und Matrizenoberseite und x₄ die Position des Nietkopfes nach dem Entlasten des C-Rahmens 30 im Punkt P4 beschreibt.

[0034] Die Nietkopfendlage K_HS ergibt sich aus der Gleichung K_HS=(x₁+Δx_s+L)-x₄=x₂+L-x₄. In dieser Formel bezeichnet x₁ den Ansetzpunkt des Setzkopfes 12 auf die Fügeteile 5 im Punkt P1, x₂=Δx_s+x₁ den Ansetzpunkt des Halbhohlstanzniets3 auf die Fügeteile 5 im Punkt P2, L die Länge des Halbhohlstanzniets3, x₄ die Position des Nietkopfs nach dem Entlasten des C-Rahmens 30 und Δx_S die Differenz aus den Größen x₂ und x₁ als den zurückgelegten Weg Δx_S des Stempels 10 nach dem Ansetzen des Setzkopf/Niederhalters 12 an den Fügeteilen 5 im Punkt P1 bis zum Ansetzen des Niets 3 im Punkt P2 an den Fügeteilen 5.

[0035] In Analogie zu den oben beschriebenen Berechnungen lassen sich ebenfalls die Qualitätskenngrößen Nietkopfendlage K_VS und Prägetiefe h_d für das Stanznieten mit Vollstanzniet und die Bodendicke t_b beim Clinchen ermitteln.

[0036] Die Komponenten zum Fügen eines Vollstanzniets 4 sind schematisch in Fig. 7 dargestellt. Der Vollstanzniet 4 mit der Länge L wird mit Hilfe eines Stempels 10 in die Fügeteile 5 getrieben. Während des Fügens werden die Fügeteile 5 gegen eine Matrize 20 gedrückt. In gleicher Weise wie beim Fügen des Halbhohlstanzniets 3 werden die Kraft-Weg-Daten während des Fügevorgangs erfasst und ausgewertet. In den Kraft-Weg-Daten des Fügens mit Vollstanzniet 4 sind die Wege x₂ bis zum Ansetzpunkt des Stempels 10 am Vollstanzniet 4 und x₄ nach Entlasten des Stempels 10 am Punkt P4 erkennbar, wie es bezüglich des Fügens eines Halbhohlstanzniets 3 beschrieben ist (vgl. Fig. 4, 5). Des Weiteren ist der Punkt P3 mit dem Weg x₃ bei Erreichen der maximalen Fügekraft F_max sowie der Wert Δx_C=x₃-x₄ aus den Kraft-Weg-Daten ableitbar. Somit lässt sich die Nietkopfendlage K_VS gemäß K_VS=x₂+L-x₄=x₂+L-(x₃-Δx_C) berechnen. Die Prägetiefe h_d ergibt sich aus h_d=t-[x-(x₂+L)], während t die gemeinsame Dicke der Fügeteile 5 an der Fügestelle beschreibt (siehe Fig. 7).

[0037] Beim Clinchen, das in Fig. 9 schematisch dargestellt ist, drückt ein Stempel 10 die Fügeteile 5 gegen eine Matrize 20. Bei diesem Vorgang werden in gleicher Weise wie beim Fügen von Halbhohlstanznieten 3 die Kraft-Weg-Daten erfasst und ausgewertet. In diesen Kraft-Weg-Daten sind die Größen x₃, x₄ und Δx_c identifizierbar, wie es bereits oben beschrieben worden ist. Zudem ist der maximale Abstand x zwischen der Unterseite des Stempels 10 und der Oberseite der Matrize 20 bekannt. Auf dieser Grundlage wird die Bodendicke t_b gemäß t_b=x-x₄=x-(x₃-Δx_C) berechnet, um die erzeugte Clinchverbindung zwischen den Fügeteilen 5 zu charakterisieren.

Ansprüche

1. Online-Bestimmung von Stauchmaß x_ST und Nietkopfendlage K_HS eines Halbhohlstanzniets (3) mit einer Länge L bei einem Stanznietvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels (10) und einer Matrize (20), die die folgenden Schritte aufweist:

a. Erfassen (A) eines vom verfahrbaren Stempel (10) zurückgelegten Wegs während des Stanznietvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers (50),

b. Erfassen (B) einer vom verfahrbaren Stempel (10) auf den Halbholhlstanzniet (3) aufgebrachten Kraft F während des Stanznietvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg,

c. Bestimmen eines Ansetzpunkts x₂ des Halbhohlstanzniets (3) mit Stempel (10) an einem Fügeteil (5) und eines Entlastungspunkts x₄ aus den erfassten Kraft-Weg-Daten (D), während der Entlastungspunkt x₄ ein Entlasten des Stempels (10) nach dem Stanznietvorgang identifiziert, und

d. Berechnen (E) der Nietkopfendlage K_HS gemäß K_HS=x₂+L-x₄ und des Stauchmaßes x_ST gemäß x_ST=x-x₄, während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel (10) und Matrize (20) beschreibt.

2. Online-Bestimmung von Prägetiefe h_d und Nietkopfendlage K_VS eines Vollstanzniets mit einer Länge L bei einem Stanznietvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels (10) und einer Matrize (20), die die folgenden Schritte aufweist:

a. Erfassen (A) eines vom verfahrbaren Stempel (10) zurückgelegten Wegs während des Stanznietvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers (50),

b. Erfassen (B) einer vom verfahrbaren Stempel (10) auf den Vollstanzniet aufgebrachten Kraft F während des Stanznietvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg,

c. Bestimmen eines Ansetzpunkts x₂ des Vollstanzniets mit Stempel an einem Fügeteil (5) und eines Entlastungspunkts x₄ aus den erfassten Kraft-Weg-Daten (D), während der Entlastungspunkt x₄ ein Entlasten des Stempels (10) nach dem Stanznietvorgang identifiziert, und

d. Berechnen (E) der Nietkopfendlage K_VS gemäß K_VS=x₂+L-x₄ und der Prägetiefe h_d gemäß h_d=t-[x-(x₂+L)], während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel (10) und Matrize (20) und t eine Dicke der Fügeteile (5) beschreibt.

3. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 1 oder 2, die die weiteren Schritte aufweist:

Erfassen der aufgebrachten Kraft mit einem Kraftsensor (40) und

Speichern der Kraft-Weg-Daten in einer Datenverarbeitungseinheit (60), insbesondere einem Computer.

4. Online-Bestimmung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die den weiteren Schritt umfasst:

Identifizieren des Ansetzpunkts x₂ in den Kraft-Weg-Daten über ein Erkennen einer fehlenden Änderung im erfassten verfahrbaren Weg trotz eines Stempelvorschubs, vorzugsweise eine fehlende Änderung über 1-20 Inkremente beim Stempelvorschub, oder

Identifizieren des Ansetzpunkts x₂ in den Kraft-Weg-Daten als den Weg, an dem die erfasste Kraft einen bestimmten Schwellenwert, vorzugsweise eine Haltekraft eines Setzkopfs oder Niederhalters (12), übersteigt.

5. Online-Bestimmung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die den weiteren Schritt aufweist:

Identifizieren des Punkts x₃ als den Weg, an dem die maximale Kraft F_max des Stempels (10) erreicht ist.

6. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 5, die den weiteren Schritt aufweist:

Berechnen (F) einer Referenzgröße Δx_C für eine Maschinensteifigkeit gemäß Δx_C=x₃-x₄, die angibt, wie nachgiebig eine konstruktive Verbindung zwischen Stempel (10) und Matrize (20), vorzugsweise ein C-Rahmen (30), ist.

7. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 1 oder 2, die die weiteren Schritte aufweist:

Darstellen (C) der erfassten Kraft-Weg-Daten in Form einer Kurve und

Identifizieren (D) des Punkts x₄ durch Anlegen einer Tangente an die annähernd linear verlaufenden Kraft-Weg-Daten nach Erreichen einer maximalen Kraft F_max des Stempels (10), so dass ein Abweichen der Kraft-Weg-Daten um einen vorgegebenen Wert von der Tangente den Punkt x₄ angibt.

8. Online-Bestimmung einer Bodendicke t_b bei einem Clinchvorgang mit Hilfe eines verfahrbaren Stempels (10) und einer Matrize (20), die die folgenden Schritte aufweist:

a. Erfassen (A) eines vom verfahrbaren Stempel (10) zurückgelegten Wegs während des Clinchvorgangs mit Hilfe eines Wegaufnehmers (50),

b. Erfassen (B) einer vom verfahrbaren Stempel (10) auf ein Fügeteil (5) aufgebrachten Kraft F während des Clinchvorgangs in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg,

c. Bestimmen eines Entlastungspunkts x₄ aus den erfassten Kraft-Weg-Daten (D), der ein Entlasten des Stempels (10) nach dem Clinchvorgang identifiziert, und

d. Berechnen (E) der Bodendicke t_b gemäß t_b=x-x₄, während x den Maximalabstand zwischen einander zugewandten Seiten von Stempel (10) und Matrize (20) beschreibt.

9. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 8, die die weiteren Schritte aufweist:

Erfassen der aufgebrachten Kraft mit einem Kraftsensor (40) und

Speichern der Kraft-Weg-Daten in einer Datenverarbeitungseinheit (60), insbesondere einem Computer.

10. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 8 oder 9, die den weiteren Schritt aufweist:

Identifizieren des Punkts x₃ als den Weg, an dem die maximale Kraft F_max des Stempels (10) erreicht ist.

11. Online-Bestimmung gemäß Anspruch 10, die den weiteren Schritt aufweist:

Berechnen (F) einer Referenzgröße Δx_C für eine Maschinensteifigkeit gemäß Δx_C=x₃-x₄, die angibt, wie nachgiebig eine konstruktive Verbindung zwischen Stempel (10) und Matrize (20), vorzugsweise ein C-Rahmen (30), ist.

12. Online-Bestimmung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, die die weiteren Schritte aufweist:

Darstellen (C) der erfassten Kraft-Weg-Daten in Form einer Kurve und

Identifizieren (D) des Punkts x₄ durch Anlegen einer Tangente an die annähernd linear verlaufenden Kraft-Weg-Daten nach Erreichen einer maximalen Kraft F_max des Stempels (10), so dass ein Abweichen der Kraft-Weg-Daten um einen vorgegebenen Wert von der Tangente den Punkt x₄ angibt.

Zeichnung