DE102010032884A1

DE102010032884A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE102010032884A1
Application number: DE201010032884
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Klumpp Willi; Dipl.-Ing. Luderer Andreas; Dipl.-Ing. Reichenbach Matthias; Dipl.-Ing. Schreiber Matthias; Volker Zipter; Dr. Zürn Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, bei welchem ein erstes Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (14) unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde (20, 22) verschraubt wird, und bei welchem das erste Bauteil (10) in einem Manipulator eines Roboters gehalten wird, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil (14) bewegt wird und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt wird, wobei eine auf den Manipulator wirkende Kraft gemessen wird, wobei bei Überschreiten eines ersten vorgegebenen Schwellenwertes für die auf den Manipulator wirkende Kraft und/oder bei Unterschreiten eines zweiten vorgegebenen Schwellenwertes für die auf den Manipulator wirkende Kraft zumindest während einer ersten Rotationsperiode der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Im Zuge der Automatisierung von Fertigungsprozessen finden zunehmend Roboter zur Durchführung verschiedenster Fügeverfahren Anwendung. Auch zum Herstellen von Schraubverbindungen sind Roboter geeignet. Es ist dabei bekannt, Schraubverbindungen mit kontrollierten Anzugsmomenten herzustellen. Hierzu werden in der Regel übliche Drehmomentwerkzeuge verwendet, die robotisch geführt werden und bei Erreichen eines Maximaldrehmoments die Verschraubung beenden bzw. die Verschraubung über einen vorgegebenen Solldrehwinkel durchführen, der dem gewünschten Drehmoment entspricht.
Auch Roboter mit interner Kraftsensorik sind bekannt und werden zur Durchführung verschiedener Fügeprozesse genutzt. Ein solcher Roboter, der benutzt werden kann, um Bauteile mit kontrollierter Kraft gegeneinander zu halten, ist beispielsweise aus der WO 2009/140977 A1 bekannt. Auch derartige interne Kraftsensoren können zur Drehmomentkontrolle bei der Verschraubung von Bauteilen genutzt werden.
Den bekannten automatisierten Schraubmethoden ist jedoch der Nachteil gemeinsam, dass nicht erkannt werden kann, ob eine Schraube korrekt an das komplementäre Gewinde angesetzt ist. Bei fehlerhaften Ansätzen an der Schraube kann es jedoch zum Durchdrehen der Schraube bzw. zu einer Verkantung der jeweiligen Gewinde kommen. Letzteres tritt insbesondere auf, wenn beim Ansetzen der Schraube die Gewindeberge des Schraubengewindes und des komplementären Gewindes aufeinander treffen. Wird die Verschraubung aus diesem Zustand durchgeführt, können sich die Gewinde verformen, abgespant werden oder anderweitig verschleißen, sodass die Schraubverbindung in der Folge nicht die notwendige Haltbarkeit aufweist oder nicht mehr beschädigungsfrei lösbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 sowie 6 bereitzustellen, welches eine besonders prozesssichere automatische Verschraubung von Bauteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung wird mittels eines Roboters ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt. Hierbei wird das erste Bauteil in einem Manipulator eines Roboters gehalten, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil bewegt und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt, wobei eine auf den Manipulator des Roboters wirkende Kraft gemessen wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines ersten vorgegebenen Schwellenwerts für die auf den Manipulator wirkende Kraft und/oder bei Unterschreiten eines zweiten vorgegebenen Schwellenwerts für die auf den Manipulator wirkende Kraft zumindest während einer ersten Rotationsperiode der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen wird.
Mittels eines solchen Verfahrens kann also nicht nur das Einschrauben der Schraube mit einem kontrollierten Drehmoment durch konstante Kraftüberwachung erreicht werden, durch geeignete Festlegung der Schwellenwerte kann zudem überprüft werden, ob zu Beginn der Schraubbewegung – also während der ersten Rotationsperiode – die beiden Bauteile in einer korrekten Relativlage zueinander angeordnet sind. Greifen die beiden Gewinde nicht ineinander, so wird der zweite vorgegebene Schwellenwert unterschritten, wodurch der Roboter erkennt, dass der Einschraubvorgang nicht erfolgreich ist. Bei einer Verkantung der Gewinde wird dagegen der erste vorgegebene Schwellenwert überschritten, sodass die Einschraubbewegung abgebrochen werden kann, bevor es zu einer Beschädigung der Gewinde kommt. Ein solches Verfahren ermöglicht somit eine besonders prozesssichere Herstellung von Schraubverbindungen.
Um Beschädigungen an den Gewinden zu vermeiden wird vorzugsweise bei Überschreiten des ersten vorgegebenen Schwellenwerts und/oder bei Unterschreiten des zweiten vorgegebenen Schwellenwerts während der ersten beiden Rotationsbewegungen der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, nach Abbrechen der Einschraubbewegung den vor dem Abbrechen durchgeführten Teil der Einschraubbewegung rückgängig zu machen und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage zu bewegen. Mit anderen Worten wird im Rahmen des Verfahrens eine als fehlerhaft erkannte Einschraubbewegung abgebrochen, rückgängig gemacht und neu gestartet, bis sich die beim Einschrauben auftretenden Kräfte zwischen den beiden Schwellenwerten bewegen, die beiden komplementären Gewinde also ordnungsgemäß ineinander greifen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes des ersten Bauteils axiale Zugkraft auf das erste Bauteil durch den Roboter ausgeübt. Dies ermöglicht eine zusätzliche Überprüfung der Haltbarkeit der Schraubverbindung – nur wenn die beiden komplementären Gewinde ordnungsgemäß ineinander greifen, widersteht die Schraubverbindung der aufgebrachten Zugkraft.
Vorzugsweise wird daher bei Detektion einer Bewegung des ersten Bauteils während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile wieder gelöst und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage gebracht und das Einschrauben wiederholt. Auch hierdurch können fehlerhafte Schraubverbindungen, bei denen die Gewinde nicht oder nicht hinreichend ineinander greifen, frühzeitig erkannt und automatisch korrigiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, bei welchem ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde verschraubt wird. Auch hier wird das erste Bauteil in einem Manipulator eines Roboters gehalten, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil bewegt und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt, wobei eine auf den Manipulator wirkende Kraft gemessen wird.
Erfindungsgemäß wird hier nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes des ersten Bauteils axiale Zugkraft auf das erste Bauteil durch den Roboter ausgeübt. Verglichen mit dem oben geschilderten Verfahren wird also auf eine kontinuierliche Messung der Kräfte während der Einschraubdrehung verzichtet. Der korrekte Sitz der Gewinde wird lediglich, wie bereits geschildert, durch Aufbringen einer Zugkraft überprüft. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Überprüfen des korrekten Sitzes der Schraubverbindung.
Auch hier ist es zweckmäßig, bei Detektion einer Bewegung eines ersten Bauteils während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile wieder zu lösen und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage zu bringen, um aus dieser das Einschrauben zu wiederholen. Insgesamt wird so ein besonders einfaches Verfahren bereitgestellt, welches eine prozesssichere Verschraubung zweier Bauteile ermöglicht.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Verfahrensschrittes bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 zwei komplementäre Gewinde in korrekter Relativlage und
3 zwei komplementäre Gewinde unkorrekter Relativlage.
Im Rahmen eines automatisierten Fertigungsprozesses soll eine Schraube 10 in eine Durchschrauböffnung 12 eines weiteren Bauteils 14 eingeschraubt werden. Die Schraube umfasst einen Schraubenkopf 16 und einen Schaft 18, der ein Gewinde 20 aufweist, welches zu einem Gewinde 22 der Durchschrauböffnung 12 komplementär ausgebildet ist.
Die Schraube 10 wird von einem Roboter am Kopf 16 ergriffen und, wie in 1 gezeigt, im Bereich der Druchschrauböffnung 12 vorpositioniert. Ein Manipulator des Roboters, mittels welchem die Schraube 10 gehalten wird, weist einen Kraftsensor auf, um so auf die Schraube wirkende Kräfte detektieren zu können. Dies wird im Rahmen des beschriebenen Verfahrens genutzt, um Fehlpositionierungen der Schraube 10 bzgl. der Durchschrauböffnung 12 zu vermeiden.
Hierbei existieren zwei Fehlermöglichkeiten. Zum einen kann die Schraube 10 so positioniert werden, dass bei Beginn der Einschraubbewegung die komplementären Gewinde 20, 22 nicht ineinander greifen. Während der vom Roboter durchgeführten Einschraubbewegung dreht die Schraube also leer. Dies kann erkannt werden, indem nach ein oder zwei Rotationsperioden der Einschraubbewegung mittels des Roboters eine Zugkraft in Richtung des Pfeils 24, also axial bezüglich des Schaftes 18 der Schraube 10 ausgeübt wird. Greifen die Gewinde 20, 22 nicht ineinander, so löst sich die Schraube. Diese Bewegung kann durch den Roboter detektiert werden, so dass der Roboter erkennt, dass keine korrekte Schraubverbindung zustande gekommen ist. In diesem Fall kann der Roboter die Schraube 10 neu an der Durchschrauböffnung 12 positionieren und mit dem Schrauben von neuem beginnen.
Ein weiterer Fehler beim Einschrauben der Schraube 10 kann in einer unkorrekten Relativpositionierung der Gewinde 20, 22 zueinander begründet sein. Bei einer korrekten Positionierung der Gewinde 20, 22 zueinander, wie in 2 dargestellt, greifen die Flanken 26 des Außengewindes 20 der Schraube 10 in die Gewindegänge 28 des Innengewindes des Bauteils 14. Umgekehrt greifen die Flanken 30 des Gewindes 22 in die Gewindegänge 32 des Gewindes 20.
3 zeigt eine Fehlpositionierung der Gewinde 20, 22 zueinander. Die Flanken 26 des Gewindes 20 stoßen hier auf die Flanken 30 des Gewindes 22, zwischen den Gewindegängen 28 und 32 der beiden Gewinde 32, 22 entstehen Hohlräume 34. Die Gewinde 20 und 22 sind im gezeigten Zustand also verkantet. Wird in diesem Zustand also eine Einschraubbewegung durchgeführt, so kann es zu Beschädigungen der Gewinde 20, 22 kommen, da zwischen den jeweiligen Flanken 26, 30 hohe Pressungen auftreten, die zum Abspanen von Material führen können. Um eine derartige Fehlpositionierung der Gewinde 20, 22 gegeneinander erkennen zu können, wird durch einen Kraftsensor des Roboters während der ersten bzw. den ersten beiden Rotationsperioden der Einschraubbewegung die Kraftrückwirkung von der Schraube auf den Manipulator des Roboters gemessen. Bei einer derartigen Verkantung der Gewinde 20, 22 überschreitet die gemessene Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert. Aufgrund dieser Kraftüberschreitung kann der Roboter feststellen, dass eine Verkantung vorliegt. In diesem Fall wird die bereits durchgeführte Einschraubbewegung rückgängig gemacht und die Schraube 10 wieder entfernt. Anschließend kann die Schraube 10 neu positioniert und die Einschraubbewegung wiederholt werden. Hierdurch werden Beschädigungen an den Gewinden 20, 22 vermieden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/140977 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, bei welchem ein erstes Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (14) unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde (20, 22) verschraubt wird, und bei welchem das erste Bauteil (10) in einem Manipulator eines Roboters gehalten wird, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil (14) bewegt wird und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil verschraubt wird, wobei eine auf den Manipulator wirkende Kraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines ersten vorgegebenen Schwellenwertes für die auf den Manipulator wirkende Kraft und/oder bei Unterschreiten eines zweiten vorgegebenen Schwellenwertes für die auf den Manipulator wirkende Kraft zumindest während einer ersten Rotationsperiode der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des ersten vorgegebenen Schwellenwertes und/oder bei Unterschreiten des zweiten vorgegebenen Schwellenwertes während der ersten beiden Rotationsperioden der Einschraubbewegung die Einschraubbewegung abgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abbrechen der Einschraubbewegung der vor dem Abbrechen durchgeführte Teil der Einschraubbewegung rückgängig gemacht und das erste Bauteil wieder in die vorgegebene Relativlage bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes (20) des ersten Bauteils (10) axiale Zugkraft auf das erste Bauteil durch den Roboter ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion einer Bewegung der ersten Bauteils (10) während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile (10, 14) wieder gelöst und das erste Bauteil (10) wieder in die vorgegebene Relativlage gebracht wird und das Einschrauben wiederholt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mittels eines Roboters, bei welchem ein erstes Bauteil (10) mit einem zweiten Bauteil (14) unter In-Wirkverbindung-Bringen jeweiliger komplementärer Gewinde (20, 22) verschraubt wird, bei welchem das erste Bauteil (10) in einem Manipulator eines Roboters gehalten wird, in eine vorgegebene Relativlage zum zweiten Bauteil (14) bewegt wird und mittels des Roboters durch eine rotatorische Einschraubbewegung mit dem zweiten Bauteil (14) verschraubt wird, wobei eine auf den Manipulator wirkende Kraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen einer vorgegebenen Anzahl von Rotationsperioden der Einschraubbewegung eine bezüglich des Gewindes (20) des ersten Bauteils (10) axiale Zugkraft auf das erste Bauteil (10) durch den Roboter ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion einer Bewegung der ersten Bauteils (10) während des Ausübens der Zugkraft die Verschraubung der Bauteile (10, 14) wieder gelöst und das erste Bauteil (10) wieder in die vorgegebene Relativlage gebracht wird und das Einschrauben wiederholt wird.