用于定位接合元件或用于铆接接合的模具和装置的制作方法

在各种实施例中已知用于接合或用于将接合元件放置在工件上或用于在无附加元件的情况下铆接工件的装置。相应的装置通常包括具有可驱动冲头的冲压单元和模具，其中，用于加工的工件可以定位在冲压单元与模具之间。

通过所述装置，可以将功能元件或铆钉、实心冲压铆钉、半空心冲压铆钉和铆接铆钉施加到工件上。

根据接合任务或待加工的工件或附加元件，所述装置，特别是模具，必须满足不同的要求。在模具具有在接合过程中移动的模具部分的情况下，模具的结构更加笨重，问题区域也更加复杂。

到目前为止，对于当前应用中的所有问题情况，还没有最新的或实用的解决方案。

本发明的目的和优点

本发明的一个目的是提供介绍中所述类型的装置和模具，所述装置和模具构成了对已知布置，特别是在对高循环率或全自动工作过程应用程序中的连续过程控制有高要求的现代环境中的布置的实际改进。

所述目的是通过独立权利要求实现的。从属权利要求涉及本发明的有利变型。

本发明是基于一种用于接合——例如用于冲压铆接、铆接或铆钉铆接——的装置的模具。根据本发明的第一方面，用于监测模具功能的至少一个监测元件附接到模具上。因此，对整个过程主要是预期的是至关重要的情况和过程，可以直接监测组件、特别是模具。以与模具的功能和/或结构完全适配/一致的方式设计监测元件。

优选地，监测元件独立于冲压单元操作。

模具的功能要求在接合过程中接合力作用在工件或铆钉上。在接合过程中，在冲头和模具之间形成力的积聚。冲头可相对于模具沿模具或接合装置的接合轴移动，其中，工件定位在模具上和/或支撑在模具上。

优选地，监测元件设计为连续检测模具的状态或功能，并提供或传输相应的信息项。优选地，监测元件是相对于模具的单独组件，或者可替代地，监测元件是一体地设置在模具上的组件。

有利地，监测元件可附接到经受磨损的模具部分或与其分开或独立于其设置。因此，在较长的使用寿命期间，监测元件本身是可用的，或可防止不利影响。

特别地，通过本发明，不仅可以简单地区分“功能性”和“非功能性”的模具状态，而且还可以识别模具失效前或非功能性之前的状态。

将与模具状态相关的信息从监测元件提供到周围环境可以通过各种方式实现，例如，通过传输到上级单位(如监测或闭环或开环控制单元)和/或通过向周围环境或整个系统提供警告或状态信号。

例如，监测元件如此地设计：通过二进制信息项，例如以“ok”或“notok”的方式提供可检测状态和/或功能。

然而，通过监测元件提供信息也是可能的，在每种情况下，从多个相互不同的信息内容项中仅提供一项信息内容。例如，可以提供不同的信息内容项，以区分状态，例如“损坏”、“磨损”、“卡住”等，从而在每种情况下就特定部件和/或模具的特定功能作出声明。例如，一信息项可以与可移动模具部分的状态和/或功能有关。例如，另一信息项允许对位置固定的模具部分的状态和/或功能进行评估。例如，其他地信息项可以得出关于模具弹簧装置的状态和/或功能的结论。

模具的监测以及向上级单元或周围环境提供或传输信息可以是连续的，或者可以是间隔进行的。

例如，监测单元是基于计算机的监测单元，其优选地监测用于放置接合元件的装置或用于提供模具接合的装置。

根据本发明的另一方面，至少一个监测元件附接到模具上，所述监测元件用于监测旨在能够通过模具执行的接合过程。因此，无论模具的状态如何，或在未损坏的模具状态或磨损的模具状态的情况下，都可确定由于模具使用不当而导致的状态。

例如，在新模具或理想模具的情况下，这可以是工件或各个工件层相对于模具的正确定向或正确位置倾斜或偏离地定位。例如，这可能导致可移动模具部分相对于彼此的不均匀移动和/或弹簧装置各元件的不均匀弯曲，这可以例如通过监测元件比较实际特性和设定特性被识别，并标记以相应的错误。

此外，通过对接合过程的监测，有利地可能得出关于工件(例如，接合点)上进行的变形的性质或质量的结论。例如，在铆接或铆钉铆接的情况下，可以得出在相应接合点处已实现工件层的底切的结论。

此外，如果监测元件耦合到模具的下述模具部分——所述模具部分在接合期间经受由接合过程引起的移动，则是有利的，其中，监测元件特别监测可移动模具部分的移动。通过将监测元件耦合到可移动模具部分，可以直接检测可移动模具部分的状态，并可靠地提供具有高信息价值的相关信息项。这是尤其有利的，因为可移动模具部分通常形成模具的关键部件。这是因为可移动模具部分的动态地、相对较高地机械加载。功能无故障的可移动模具部分是模具起作用的先决条件。因此，接合期间的问题通常可归因于可移动模具部分的功能不正确、损坏或完全缺失，由此，通过根据本发明的模具以有利的方式进行问题识别。

监测元件与模具的模具部分的耦合应理解为：其意指以依赖于个别情况的方式各自适应相应模具的各种关系。例如，耦合可以指监测元件与模具部分之间的直接连接(例如物理连接)或间接连接。此外，耦合可以是永久的或非永久的。在接合过程中，耦合的性质也可能发生变化，例如，在模具的第一操作阶段，监测元件与可移动模具部分之间形成间接耦合，而在稍后时间点在监测元件与模具部分之间例如，以抵接接触形成直接耦合。

例如，耦合是监测元件与可移动模具部分之间的抵接接触，其中，监测元件配置为使得当可移动模具部分移动通过预定移动行程时发生抵接接触，这对于模具的故障或可能的损坏状态特别有用。优选地，通过耦合监测的模具部分的移动行程是在接合过程中在可移动模具部分抵达结束位置或静止位置之前由可移动模具部分实现的行程的最后一部分。模具损坏通常可以从可移动模具部分的移动行程偏离已覆盖的标准行程的事实来识别。根据本发明通过监测元件从的模具识别相关偏差。

还有利的是，监测元件耦合到模具的下述模具部分：所述模具部分可移动地设置在模具上。

在损坏的情况下，可移动模具部分例如在其移动行程的最后部分可能无法到达正确或标准的结束位置，或者可能无法在结束位置静止，而是可能在所述结束位置之前或之后静止，或者可能进行非标准或不正确的移动，例如，与功能正确的标准情况相比，速度更快或者速度更慢，或者不均匀的、忽快忽慢的。

例如，在模具损坏的情况下，可移动模具部分或多个可移动模具部分可以移动到结束位置之外，所述结束位置是在无损坏的情况下，模具部分移动行程的正确结束位置。

可移动模具部分可以是与工件相互作用的模具的可移动区段，和/或作用在模具的可移动区段上的弹簧装置的一部分，例如轭状弹簧、弹性环或其他机械弹簧。

此外，有利的是，监测元件耦合到二级结构，其中，所述二级结构与模具的可移动地设置在模具上的模具部分相互作用。二级结构例如由弹簧装置形成，用于在可移动模具部分上提供力或力矩。例如，二级结构包括本身可移动地设置在模具上的部分。优选地，在模具上相对容易地接触到二级结构，或二级结构形成例如模具外侧的区域，或附接到模具部分的外侧。

在本发明的一个有利实施例中，监测元件包括传感器装置。通过传感器装置，例如使用商业上可获得的传感器，可以以经济上有利的方式监测模具。特别是，功能监测所需的各种参数可以被可靠地检测到，并例如以有线方式反馈给上级单元。

根据本发明的进一步变型，监测元件包括应变计。使用应变计，可以以节省空间的方式连续、精确地监测模具的被机械加载的元件。应变计的平面样式和小的厚度使得应变计可以毫无问题地容纳在模具上。此外，特别地，在应变计上提供了用于与线路布置的对应触点接触的触点。

通过至少一个应变计——其中优选的是设置多个应变计，特别地有可能检测到二级结构中的应力或耦合到应变计的模具部分的损伤，并识别与标准特性的偏差。优选地，应变计耦合到作用在可移动模具部分上或特别是与可移动模具部分接触的弹簧装置。如果模具或可移动模具部分和/或弹簧装置本身发生损坏或故障，这会影响由应变计检测到的弹簧装置的应力特性。

特别地，受损的可移动模具部分的影响是，分配给受损的可移动模具部分的弹簧装置的那部分的行为与未受损的标准情况不同。这导致超出了容许范围地弹簧装置的非标准应力状态或弹簧装置中的不均匀应力分布。弹簧装置中的不均匀应力分布由优选的多个应变计识别或检测，所述多个应变计优选地附接到弹簧装置，其中，相应的检测信号可以从应变计传输到上级单元。

替代地或附加地，监测元件有利地具有力传感器，例如，压电元件。

此外，有利的是，监测元件包括传感器，例如应变计，其用于持续提供测量信号，以监测模具的功能和/或能够通过模具执行的接合过程。因此，可以在整个接合过程中进行可靠的模具和过程监测。立即识别出模具或接合过程中的故障。因此可以排除过大的技术损伤或经济损失。

本发明的另一个优点在于监测元件如此地配置：如果耦合到监测元件的模具部分经受正常负载状态之外的负载，则提供相关的测量信号。因此，至少在模具的临界状态(通常意味着接合过程的临界状态)下，会产生测量信号。因此识别出模具的故障或失效。优选的是，可以通过测量信号自动启动进一步的动作或措施，从而可以实现高的过程可靠性。

对于监测元件的设计还有利的是，将测量信号提供给上级单元。优选地，上级单元是例如用于过程控制的监测单元。测量信号特别作为电信号提供。通过上级单元，可以快速有效地启动预定的后续措施。

在更有利的变型中，监测元件包括多个传感器。优选的是提供相同类型的多个单独传感器或多个相同的传感器。这在对称结构的模具的情况下是特别有利的。这是因为，这样就可以识别出运动轮廓中对称性的偏差。例如，在标准情况下，在接合过程中，可移动模具部分的多个对称布置的部件相同地移动。有利地，可移动模具部分的多个部件中的一个部件的损坏或故障可由传感器如此地检测出：其偏离分配给所述传感器例如附接到其上的相应部件的标准情况或标准特性。相应部件的行为不同于标准情况，或不同于可移动模具部分的其他或未损坏的部件。

这相应地应用于固定模具部分，其中，在固定模具部分损坏的情况下，这被识别出来。

例如，多个应变计设置在模具上，特别地，在各自的情况下，为每个可移动模具部分提供相关的传感器。附加地或替代地，可以优选地为由多个弹簧元件组成的弹簧装置中的每个弹簧元件提供相应相关的传感器。

作为传感器，可以使用例如应变计和/或压电元件。

根据本发明的更有利的实施例，监测元件包括正好两个传感器。因此，可以实现可靠的功能监测，而花费相对较少。优选的是提供正好两个传感器或应变计，或者正好三个或正好四个传感器或应变计，特别地，模具有两个或三个或四个可移动模具部分，在各情况下，弹簧装置的一个相关的弹簧部件作用在其上。

还有利的是，监测元件包括正好三个或正好四个传感器。因此，对于具有多个固定和/或多个可移动模具部分的相对复杂的模具而言，也可以通过高信息值进行监测。

有利地，模具具有可移动模具部分，所述可移动模具部分与用于可复位移动的弹簧装置相互作用。因此，可以预先定义可移动模具部分(例如模具区段)的可精确重复的移动和安装。

根据本发明的另一个有利的修改，模具具有弹簧装置，所述弹簧装置具有弹性柔性的弹簧臂。弹簧臂可以以紧凑的方式容纳，或者可以通过规定尺寸和材料设置为具有不同的作用阶段。

此外，对弹簧装置有利的是具有多个弹性可移动弹簧臂，其中，一个可移动模具部分分配给一个弹簧臂。优选的是将多个可移动模具部分设置在模具上，其中，每个模具部分在各自情况下由弹簧装置的一个完全相同的部分作用，例如由多臂轭状弹簧的一个弹簧臂作用。

有利地，模具具有四个可移动模具部分，在各种情况下，可移动模具部分通过弹簧装置的一个弹簧臂可弹性移动。因此，可以提供对称接合点的模具，特别是具有相对于模具的轴可径向向外偏转的四个模具部分、并具有相应地径向偏转的四个弹簧臂。优选地，弹簧臂如此地形成，在四个弯曲和连接的条形弹簧臂中的一个处，形成连接在一个点处的具有四个弹簧臂的十字弹簧。优选地，模具是对称结构。

此外，本发明扩展到一种用于将接合元件放置在工件上、或用于铆接接合工件的装置，包括冲压单元和相对定位的模具单元，可以通过所述装置加工的工件可以夹在冲压单元与模具单元之间，其中，模具单元包括根据上述实施例中的一个的模具。根据本发明的装置例如是具有c形或o形支架或柱形框架的铆接或铆钉铆接工具，冲压单元和相对定位的模具设置在所述支架或框架上。优选地，所述装置可以用于铆接过程，例如铆接铆钉和/或用于铆接或铆接接合。

附图说明

基于根据图中所示的本发明的布置，将更详细地讨论本发明的其他特征和优点，其中具体地：

图1示出了在铆接过程开始时具有两层工件的已知铆接装置的高度示意性细节，其中，省略了铆接装置的部分，

图2示出了在铆接过程结束时图1的布置，

图3示出了铆接过程之后的图2的加工工件，

图4以侧视图示出了根据本发明的模具，

图5示出了图4的模具的纵截面，

图6示出了从上面看的图4的模具，

图7以从下方斜向看的透视图示出了图4的模具的插入件，以及

图8单独示出了具有监测元件的图4的模具的弹簧装置。

图1高度示意性地示出了恰好在工件4的变形过程之前用于铆接或铆接接合工件4的已知装置1。铆接装置1具有冲压单元2和相对定位的模具3，工件4定位或放置在所述冲压单元与所述模具之间。工件4包括在冲头侧的上工件层5和在模具侧的下工件层6。例如，在各种情况下，工件层5和工件层6是可塑性变形的金属板。通过铆接装置1，两个工件层5和6在连接点13处变形，在变形之后，使得两个工件层5和6彼此固定连接。在此，形成上工件层5相对于下工件层6的材料区域的底切hs。

冲压单元2在其指向模具3的前自由端处包括冲头芯轴7。图1中以其正面侧定位在未变形的工件层5的顶侧上的冲头芯轴7可以被力作用，或在朝向模具3的方向p1上沿接合轴s以驱动方式移动，并且在铆接过程之后，沿方向p2返回，为此，提供驱动装置(未显示)，例如，电动或液压气动的驱动单元。

模具3包括内部的、位置固定的圆柱形内部件8，在所述内部件的顶侧上，支撑有四个可移动元件，所述元件在圆周方向上围绕接合轴s以90度角彼此偏置，其中可以看见两个相对的元件9和10。

元件9和10被保持为可以相对于接合轴s沿p3径向向外移动，沿p4径向向内移动。为此，提供弹簧装置，其以预加载的方式压在可移动元件9和10的外侧上。弹簧装置由可弹性弯曲/变形的弹簧臂11和12形成。弹簧臂11和12在初始位置(图1)朝向它们的自由端或沿p2方向稍微倾斜地向内朝向接合轴s定向。

图2示出了当冲头芯轴7在铆接过程结束时——其时在方向p1上移动到最大程度、并且元件9和10在方向p3上发生偏转——的操作状态，其中，弹簧臂11、12相对于图1的初始位置在方向p3上弹性向外弯曲，并且大致平行于接合轴s延伸。

当冲头芯轴7在方向p2上向回移动时，弹簧臂11、12的弹簧力使元件9和10沿方向p4再次复位到图1的初始位置。

可移动元件9和10设置在固定区段(未示出)之间，并且能够使工件4的变形材料在连接点13处形成底切hs或滞后流动。

对于连接点13的形成，最基本的是弹簧臂11、12的无故障操作，特别是没有损坏。特别地，如果模具上提供的所有弹簧臂11、12或多个弹簧臂11、12都以预定的方式可调，并且优选地每个弹簧臂在铆接过程中提供相同的弹簧力或相同的弹簧力轮廓，则装置1功能正常地操作。

工件在模具上的错误定向或定位，和/或在监测的接合过程中未形成最佳的连接点也是不利的，并且可以通过本发明可靠和实际地识别。

此外，模具或弹簧臂11、12的损坏、磨损和/或污垢可以对弹簧臂11、12的功能产生不利影响，这导致模具3功能不正常，进而导致不正确形成的、或有缺陷的连接点13，特别是不能提供工件层5和6连接所需的连接稳定性。

本发明解决了这一问题，其中，在接合过程中或在接合装置的操作过程中，通过监测元件实现模具功能的监测。

图4至图8涉及根据本发明的模具14，所述模具用于未变形的工件w的铆接或铆接接合的相关铆接工具，所述工件w如图4中虚线所示。通过模具14，在工件w上形成相对于接合轴s对称的铆接点。

通过模具14，特别是可以在所述模具的底面、侧面和工件w上产生点状立面，并且可以灵活地使用一个工具组来铆接或铆接接合不同厚度的工件w。模具14允许相关的铆接装置是相对节省空间的，具有细长的形式，其特殊之处在于高可接近性和模具14上可能的最小阻挡轮廓。

模具14具有模具主体15和插入到模具主体15上部中的模具插入件16，该模具插入件包括上部16a和可移动地保持在上部16a上的四个片层21、22、23和24。在模具主体15与模具插入件16之间，提供了弹簧装置，其形成为例如轭状弹簧或十字弹簧25。例如由弹簧钢组成的十字弹簧25具有十字形下部30，在其上有四个条形弹簧臂26、27、28和29经由弯曲半径成角度地/倾斜地向上突出。代替十字弹簧25，弹簧装置还可以是不同的设计，例如，可以包括弹性环、螺旋弹簧或其他技术弹簧。模具插入件16通过可经由相应开口插入的夹紧销34固定在模具主体15上的正确位置中。通过被固定的模具插入件16，十字弹簧25也固定在模具14上。

为了监测模具14的功能，在十字弹簧25下部30的底面上提供监测元件31。监测元件31例如由两个条形的应变计32和33形成，所述条形应变计交叉布置，并且通过它们各自的(由两条导电线组成的)端部32a、33a被引到模具14的外侧或与其耦合。例如粘合到下部30的底面上的应变计32、33在下部30的底面上延伸通过下部30的四个部分的长度的主要部分，所述四个部分交叉定向，其中，四个部分中的每一个都过渡成四个弹簧臂26至29中的一个。因此，应变计32、33检测整个十字弹簧或四个弹簧臂26至29的所有应力状态，特别是如果弹簧臂26至29在接合过程中变形或进行移动，这通常意味着在方向p3上向外和在方向p4上返回的弹性偏转运动。

例如在一个或多个片层21至24损坏、和/或十字弹簧25损坏、或弹簧臂26至29中的至少一个弹簧臂损坏的情形下，可以由应变计32、33检测到四个弹簧臂26至29的不均匀应力分布。两个应变计32、33的相关测量信号经由接合在端部32a、33a上的线路(未图示)传输到监测单元，并在那里进行处理，例如，以输出警告信号和/或错误信息。

模具主体15包括实心的圆柱形底座35，邻近其顶部具有薄壁或套筒形的外壳36。在外壳36的面向相关铆接工具的冲头的开口侧，从上方形成四个以90度角在圆周方向上相对于彼此偏置的槽37，这些槽延伸通过外壳36长度的主要部分。外壳36包围用于容纳模具插入件16和十字弹簧25的接收空间。由部件15、16、25、32、33和34组成的模具14的组装或拆卸可以通过很少的简单步骤进行。

模具14顶侧的结构可以从图5和图6中特别清楚地看到。在如图5所示截面中，在沿圆周方向上，于呈u形的四个片层21至24之间，提供了上部16a的四个固定部分，在铆接过程中，每个固定部分为可以使用相关铆接工具加工的工件w提供平面支撑区域17、18、19和20。片层21至24的各自的平面顶侧设置在与支撑区域17至20相同的水平或与其在同一平面e中。通常底侧上是平面的工件w在铆接过程开始时以其底面支撑在支撑区域17至20的顶部上和片层21至24的位于平面e中的顶侧上(见图5)。模具14的向上开口的模具凹陷38被支撑区域17至20和片层21至24包围，并在工件w上形成具有一深度的中心凹陷，所述深度在底部预先设定了可通过模具14产生的铆接连接点的突出长度。

在功能正常操作的模具14的情况下，为了产生对称的铆接或连接点，片层21至24、从而弹簧臂26至29径向或在方向p3上偏转，直至达到预定的偏转位置。在铆接过程中，通过相关铆接工具的冲头(未示出)的冲压动作实现，所述冲头可沿接合轴s以驱动方式移动，其中，变形的工件材料迫使片层21至24径向向外(运动)到这样的程度——例如到所有的四个弹簧臂26至29或其纵轴平行于接合轴s的程度，或例如与外壳36的壁对齐。在此，弹簧臂26至29从径向内侧向外插入到槽37的无材料区域，从而在各自的情况下提供弹簧臂26至29的偏转移动行程。

当应变计32、33附接到十字弹簧25上时，模具14的损坏或故障被立即直接识别出来，在铆接装置的操作过程中尤其如此。因此，根据本发明，可靠地提供了对模具14的功能监测或故障或损坏的指示。

附图标记列表：

1装置

2冲压单元

3模具

4工件

5、6工件层

7冲头芯轴

8内部件

9、10元件

11、12弹簧臂

13连接点

14模具

15模具主体

16模具插入件

16a上部件

17-20支撑区域

21-24片层

25十字弹簧

26-29弹簧臂

30下部件

31监测元件

32应变计

32a端部

33应变计

33a端部

34夹紧销

35底座

36外壳

37槽

38模具凹陷