DE102017219477A1

DE102017219477A1 - Montage einer Schraubverbindung

Info

Publication number: DE102017219477A1
Application number: DE102017219477.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Weinmann; Sascha Nagel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-05-02
Also published as: WO2019086166A1; CN111051008A; US20200256361A1; US11326631B2; CN111051008B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System (50) zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast (F, F) vorgesehenen Schraubverbindung (1), aufweisend ein Erfassungsmittel (6), das dazu eingerichtet ist, Werte (310, 320, 330) wenigstens eines Einflussfaktors (R, µ) auf die Schraubverbindung zu erfassen, ein Berechnungsmittel (7), das dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der Betriebslast eine benötigte Vorspannkraft (F) der Schraubverbindung zu ermitteln, und in Abhängigkeit von der ermittelten Vorspannkraft eine Ausprägung (M; φ) wenigstens eines Montageparameters (M, φ) zu ermitteln, sowie ein Montagemittel (8), das dazu eingerichtet ist, die Schraubverbindung entsprechend der ermittelten Ausprägung des Montageparameters zu montieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast vorgesehenen Schraubverbindung.
Bei der Auslegung von Schraubverbindungen wird normalerweise - beispielsweise in der damit betrauten Konstruktions- oder Entwicklungsabteilung - eine Vorspannkraft ermittelt, welche bei der Montage auf die Schraubverbindung aufgebracht werden muss, damit diese beim Auftreten der vorgesehenen (Kombination von) Betriebslast(en) zuverlässig trägt.
Die Vorspannkraft muss dabei zumindest ausreichend groß bemessen sein, um neben der erforderlichen Klemmkraft für die vorgesehenen Betriebslasten zudem eine Setzkraft aufzubringen, welche der Schraubverbindung nach dem Anziehen nach und nach durch Setzungsvorgänge in der Verbindung verloren geht. Ferner muss der Betrag der Vorspannkraft eine weitere Komponente aufbringen, die ebenso letzten Endes nicht in die Klemmkraft, sondern beispielsweise in Reibungsverluste beim Anziehen, investiert wird. Die Berechnung der benötigten Vorspannkraft bei vorgegebenen Betriebslasten ist bei der Auslegung von Schraubverbindungen an sich eine Standardtätigkeit.
Beim Fügen (nachfolgend auch als Anziehen oder Montieren bezeichnet) der Schraubverbindung kann allerdings die Vorspannkraft als Auslegungskenngröße nicht direkt gemessen werden. Daher werden in der Montage zur Durchführung, Überwachung und Qualitätssicherung des Anziehens der entsprechenden Schraubverbindung Hilfsgrößen herangezogen.
Typischerweise werden als Hilfsgrößen ein Anziehmoment und ein Anziehwinkel einer Schraube gegenüber beispielsweise einer Mutter der Schraubverbindung verwendet. Diese beiden Hilfsgrößen werden in einem Diagramm - der Schraubprozesskurve - gegeneinander aufgetragen.
Häufig wird für eine bestimmte Schraubverbindung ein sogenanntes grünes Fenster, festgelegt, dessen Außengrenzen in der Schraubprozesskurve durch einen oberen und einen unteren Grenzwert für das Anziehmoment sowie durch einen oberen und einen unteren Grenzwert für den Anziehwinkel definiert sind.
Die Grenzwerte werden beispielsweise durch Versuche ermittelt, bei denen beispielsweise mittels einer Weiterziehmomentmessung geprüft wird, ob bei einer bestimmten Kombination von erreichtem Anziehmoment und erreichtem Anziehwinkel die in der Auslegung ermittelte, benötigte Vorspannkraft erreicht wird.
Allerdings ist die Aussagekraft der Weiterziehmomentmessung hinsichtlich eines Wertes der Vorspannkraft umstritten, weil eine Vielzahl von Einflussfaktoren sich auf das Ergebnis der Weiterziehmomentmessung auswirken kann, sodass es vielfach stark von der Erfahrung des Messenden abhängt, ob der Rückschluss vom Ergebnis der Prüfung auf die anliegende Vorspannkraft in ausreichender Annäherung zutrifft.
Zudem ist die Prozessqualifizierung und die Qualitätsüberwachung insbesondere in stark automatisierten Fertigungsumgebungen mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Schraubverbindungen - wie beispielsweise in der Kraftfahrzeugfertigung - sehr zeitaufwendig und personalintensiv.
Dass die Auslegungskenngröße (Vorspannkraft) bei Schraubverbindungen von den Prozessführungsgrößen (Anziehmoment, Anziehwinkel) während der Montage abweicht, und dass diese Größen nur unter der Wirkung einer Vielzahl von Einflussfaktoren zueinander in Relation gesetzt werden können, macht darüber hinaus einen effizienten Informationsfluss zwischen Entwicklung/Konstruktion einerseits und Produktion/Montage andererseits bei Bauteilen mit Schraubverbindungen schwierig.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren sowie ein verbessertes System zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast vorgesehenen Schraubverbindung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausführungen der verschiedenen Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast vorgesehenen Schraubverbindung bereitgestellt, aufweisend die Schritte: a) Ermitteln einer benötigten Vorspannkraft der Schraubverbindung in Abhängigkeit von der Betriebslast, b) Ermitteln einer Nenn-Ausprägung wenigstens eines, insbesondere zweier oder mehrerer, Montageparameter, insbesondere eines Anziehmoments und/oder eines Anziehwinkels, in Abhängigkeit von der benötigten Vorspannkraft, c) Erfassen wenigstens eines Wertes wenigstens eines, insbesondere einer Mehrzahl von, Einflussfaktoren auf die Schraubverbindung, insbesondere auf die Reibverhältnisse der Schraubverbindung, d) Ermitteln einer Soll-Ausprägung des Montageparameters auf Basis und/oder in Abhängigkeit von der Nenn-Ausprägung und in Abhängigkeit von dem erfassten Wert des Einflussfaktors, e) Anziehen der Schraubverbindung, bis die Soll-Ausprägung des Montageparameters erreicht ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast vorgesehenen Schraubverbindung bereitgestellt, aufweisend: A) ein Erfassungsmittel, das dazu eingerichtet ist, Werte wenigstens eines Einflussfaktors auf die Schraubverbindung zu erfassen, B) ein Berechnungsmittel, insbesondere aufweisend ein Steuermittel und/oder ein Speichermittel, das dazu eingerichtet ist, i) in Abhängigkeit von der Betriebslast eine benötigte Vorspannkraft der Schraubverbindung zu ermitteln, und ii) in Abhängigkeit von der benötigten Vorspannkraft eine Ausprägung wenigstens eines Montageparameters zu ermitteln, und C) ein Montagemittel, das dazu eingerichtet ist, die Schraubverbindung entsprechend der ermittelten Ausprägung des Montageparameters zu montieren. Zusätzlich ist das Berechnungsmittel dazu eingerichtet, die ermittelte Ausprägung des Montageparameters vor der Montage in Abhängigkeit von einem erfassten Wert des Einflussfaktors anzupassen.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass es nur dann in effizienterer Weise möglich sein wird, von einer vorgesehenen Betriebslast einer Schraubverbindung über die als Auslegungskenngröße standardmäßig ermittelte Vorspannkraft auf die geeigneten Grenzwerte der typischerweise verwendeten Prozessführungsgrößen Anziehmoment und Anziehwinkel zu schließen, wenn eine Möglichkeit gefunden wird, die (zumeist vielen und komplex miteinander zusammenhängenden) Einflussfaktoren und deren Einfluss auf den Zusammenhang zwischen Auslegungskenngröße und Prozessführungsgrößen in geeigneter Weise zu berücksichtigen.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, bei auszulegenden Schraubverbindungen in einem ersten Schritt auf ein einfaches Rechenmodell zur Berechnung von Schraubverbindungen zurückzugreifen, das bei bekannter Betriebslast zunächst die benötigte Vorspannkraft ergibt und daraus die Ermittlung einer Nenn-Ausprägung der Prozessführungsgrößen (sprich der Montageparameter) ermöglicht.
Die benötigte Vorspannkraft kann dabei aus der vorgesehenen Betriebslast über Formelwerke ermittelt werden, die in Fachbüchern oder einschlägigen Formelsammlungen festgehalten sind. Ein erstes, einfaches Rechenmodell zur Ermittlung der geeigneten Nenn-Ausprägung der Montageparameter auf Basis der ermittelten Vorspannung kann beispielsweise über ein Regressionsmodell aus Wertepaaren bei einer Abfrage erfahrener Montagemitarbeiter erfolgen. Auch hierfür sind aber in vielen Betrieben - allerdings unter Vernachlässigung vieler relevanter Einflussfaktoren - einfache Rechenmodelle verfügbar.
Um von der gegebenenfalls ungenauen, weil vereinfacht ermittelten Nenn-Ausprägung der Montageparameter zu einer genaueren Aussage - einer Soll-Ausprägung der Montageparameter - zu gelangen, werden im Sinne der Erfindung aktuelle Werte wenigstens eines Einflussfaktors (vorzugsweise aber mehrerer oder eben der relevanten Einflussfaktoren) erfasst. Als Erfassungsmittel für Werte eines Einflussfaktors ist beispielsweise ein geeigneter Sensor, eine geeignete Eingabemethode und/oder eine Datenbankabfrage vorgesehen. Bei der Vielzahl anwendungsspezifisch möglicherweise relevanter Einflussfaktoren ist es dem Fachmann überlassen, im Einzelfall ein zielführendes Erfassungsmittel zu wählen.
Je nachdem, wie der Wert eines Einflussfaktors ausgeprägt ist, beeinflusst er auf Basis der Nenn-Ausprägung, wie stark die Soll-Ausprägung von der Nenn-Ausprägung abweicht. Vorzugsweise geschieht diese Beeinflussung durch die Zuweisung eines Anpassungsbeitrags zu einem bestimmten Wert eines bestimmten Einflussfaktors, beispielsweise in einem Tabellenwerk, das in einem Speichermittel des Berechnungsmittels bereitgestellt sein kann.
Gemäß einer Ausführung wird aus den Anpassungsbeiträgen, die aus den jeweils erfassten Wert verschiedener Einflussfaktoren resultieren, ein Anpassungsfaktor ermittelt, mittels dem aus der Nenn-Ausprägung die Soll-Ausprägung ermittelt wird.
Das Anziehen der Schraubverbindung selbst kann dann anhand einer Soll-Ausprägung der Montageparameter erfolgen, die deutlich genauer relevante Einflussfaktoren berücksichtigt. Folglich können damit im Sinne der Erfindung Schraubverbindungen montiert werden, deren Montageparameter so ausgeprägt sind, dass sie die benötigte Vorspannung deutlich genauer erreichen. Zudem können in der Montage beispielsweise Trailand-Error-Schleifen bei der Prozessqualifizierung wegfallen.
Bei einer Ausführung der Erfindung werden die relevanten Daten bei der Durchführung des Verfahrens zur Verbesserung des Systems genutzt, sodass das System als lernendes System ausgebildet sein kann. Dazu wird bei der Ausführung ein Erfahrungs-Datensatz erstellt und gespeichert wird, in welchem, vorzugsweise die vorbestimmte Betriebslast, die ermittelte Vorspannung der Schraubverbindung und/oder die Werte der betrachteten Einflussfaktoren sowie die Nenn-Ausprägung(en) und/oder die Soll-Ausprägung(en) des/r Montageparameter(s) enthalten und/oder zueinander in Beziehung gesetzt sind. Dabei wird vorzugsweise die Soll-Ausprägung wenigstens eines Montageparameters in Abhängigkeit von wenigstens einem, vorzugsweise einer Vielzahl von, Erfahrungs-Datensätzen ermittelt, wobei die Erfahrungs-Datensätze vorzugsweise bei dem Vergleich des erfassten Werts mit gespeicherten Werten des Einflussfaktors und der zugehörigen Zuordnung des Einflussfaktors verwendet werden.
Damit kann nach und nach (insbesondere mit zunehmender Befüllung mit Erfahrungs-Datensätzen) gegebenenfalls eine Art Schraubprozesskurven-Simulation erreicht werden, bei welcher bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Produktentwicklungsprozess die Schraubprozesskurven sowie die Grenzwerte für eine Beurteilung der Qualität virtuell erzeugt und beispielsweise an einen Montageroboter übergeben werden können.
Auch lassen sich die internen Absicherungszyklen von Entwicklung und Produktion synchronisieren. Eine gemeinsame, durchgängige Datenbasis kann erstellt werden, bei welcher die Auslegungskenngrößen und die Prozessführungsgrößen zueinander über alle relevanten Einflussfaktoren quantitativ in Relation gesetzt sind. Die ermittelten Grenzwerte für die Ausprägung der Montageparameter müssen dann nicht mehr nachträglich empirisch ermittelt werden, sondern beziehen sich direkt auf die Auslegungskenngrößen. Im Optimalfall ist dann auch eine physische Prüfung, wie beispielsweise die Weiterziehmomentmessung, überflüssig.
Gemäß einer Ausführung wird dem erfassten Wert des Einflussfaktors ein Anpassungsfaktor bezüglich des Montageparameters zugeordnet, in dessen Abhängigkeit die Soll-Ausprägung auf Basis der Nenn-Ausprägung ermittelt wird. Dadurch kann der Einfluss eines bestimmten Wertes eines Einflussfaktors quantifiziert werden. Der Begriff ,Faktor‘ ist dabei weit zu verstehen, insbesondere nicht nur im Sinne einer Multiplikation.
Insbesondere wird zur Ermittlung des Anpassungsfaktors der erfasste Wert des Einflussfaktors mit gespeicherten Werten des Einflussfaktors verglichen, denen jeweils ein Anpassungsbeitrag bezüglich des Montageparameters zugeordnet ist, und wobei dem erfassten Wert der Anpassungsbeitrag eines passenden gespeicherten Werts zugeordnet wird.
Um den Einfluss mehrerer Einflussfaktoren geeignet abbilden zu können, wird zu mehreren Einflussfaktoren jeweils ein Wert erfasst und in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert, insbesondere dieser, mehrerer Einflussfaktoren die Soll-Ausprägung des Montageparameters ermittelt. Dabei können sich die Einflussfaktoren in verschiedener Weise gegenseitig beeinflussen; insbesondere kann der einem Wert eines ersten Einflussfaktors zugeordnete Anpassungsbeitrag von einem Wert eines zweiten Einflussfaktors abhängen.
Gemäß einer Ausführung werden Soll-Ausprägungen für mehrere Montageparameter ermittelt, insbesondere für ein Anziehmoment und für einen Anziehwinkel. So können in einfacher Weise typische Schraubprozesskurven für industrielle Fertigungsumgebungen abgeleitet werden, beispielsweise bei Anziehmoment-geführten oder Anziehwinkel-geführten Verschraubungsvorgängen.
Nachfolgend werden beispielhaft und ohne Anspruch auf Vollständigkeit Einflussfaktoren vorgestellt und näher beschrieben, die in unterschiedlichen Anwendungsfällen einzelnen oder in Kombination einiger oder aller Art der beschriebenen Einflussfaktoren einen Einfluss auf eine Anpassung der Ausprägung der Montageparameter haben können.
Entsprechend ist gemäß einer Ausführung der, insbesondere mittels eines Sensors, eines Eingabemittels und/oder einer Datenbankabfrage, erfasste Einflussfaktor einer der nachfolgend beschriebenen. Jeder der beschriebenen Einflussfaktoren kann sich auf eines, mehrere oder alle Bauteile der Schraubverbindung beziehen. Bauteile der Schraubverbindung sind beispielsweise Gewindebauteil wie Schraube(n) und/oder Mutter(n) der Schraubverbindung und/oder eines oder mehrere der verschraubten Blech-Bauteile.
Einflussfaktor Geometrische Gestaltung: Beispielsweise können bestimmte Außen- und/oder Innenmaße der verschraubten Bauteile eine Auswirkung auf das Setzverhalten der Schraubverbindung haben und daher eine angepasste (sprich größere) Vorspannung erfordern. Ein solcher Einflussfaktor könnte beispielsweise mittels eines bildgebenden Sensors, gegebenenfalls mit Feature-Erkennung, erfasst werden. Beispielsweise können Gewindemaße der Gewindebauteile die Reibungsverhältnisse innerhalb der Gewindepaarung beeinflussen. Ein solcher Einflussfaktor könnte beispielsweise mittels einer Datenbankabfrage zu den verwendeten Gewindebauteilen erfasst werden.
Einflussfaktor Oberflächenrauheit: Als Beispiel seien die Blechoberflächen der verschraubten Bauteile genannt, deren Oberflächenrauheit sowohl in der Paarung mit dem Boden des Schraubenkopfes und/oder des Mutternkopfes einen Einfluss auf die Reibungsverhältnisse der Schraubverbindung hat, als auch an der Grenzfläche der beiden Blech-Bauteile selbst. Ein solcher Einflussfaktor könnte beispielsweise mittels eines hochauflösenden Laser-Sensors erfasst werden.
Einflussfaktor Beschichtung: eine Oberflächenbeschichtung eines der Bauteile kann ebenfalls die Reibungsverhältnisse der Schraubverbindung beeinflussen. Eine bestimmte Art der Beschichtung könnte beispielsweise mittels einer Tastatur oder einer Touch Eingabe erfasst werden, aber gegebenenfalls auch den geeigneten Sensor.
Einflussfaktor Werkstoff: Auch die verwendeten Werkstoffe der verschraubten Bauteile können - insbesondere in Wechselwirkung mit dem Werkstoff eines anderen der Bauteile - die Reibungsverhältnisse der Schraubverbindung beeinflussen. Dieser Einflussfaktor kann beispielsweise mittels einer Datenbankabfrage zu den verwendeten Bauteilen oder mittels einer manuellen Eingabe erfasst werden. Eine Werkstoffpaarung kann als Einflussfaktor daher insbesondere hinsichtlich des Reibbeiwerts (=Reibungskoeffizient) der Werkstoffpaarung relevant sein. Ein im Anwendungsfall vorliegender Wert dieses Einflussfaktors könnte beispielsweise automatisch vom System (auf Basis der verwendeten Komponenten) ermittelt, aber auch manuell eingegeben, werden.
Einflussfaktor Beschaffenheit: Wie eine absichtlich aufgetragene Beschichtung kann auch ein im Anwendungsfall vorliegender Verschmutzungsgrad, z.B. durch Schmutz, wie Staub oder Fett, einen Einfluss auf die Reibungsverhältnisse der Schraubverbindung haben. Dieser Einflussfaktor kann beispielsweise durch einen hochauflösenden Bildsensor mit Mustererkennung erfasst werden.
Darüber hinaus kann eine Vielzahl weiterer Einflussfaktoren potentiell relevant bei der Beeinflussung von Gesetzmäßigkeiten zwischen der Vorspannkraft und den Montageparametern sein. Diese sind nachfolgend lediglich gruppiert genannt und nicht näher erläutert: Fügeparameter (Dehnung, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Abtrieb, Gewindelänge, Klemmlänge), Sensorik (Kalibrierung, Justierung, Messwertgeber, Beschädigung, Abtastrate), Parametrisierung (Genauigkeit, Konditionierung), Software (Steuerung), Fertigung (Maßhaltigkeit), Ergonomie (Hilfsmittel, Abstützung, Gegenhalter, Zugänglichkeit), Konstruktion (Anbauteile), Schraubprozess (Messmethode, Messfehler, Drehzahl, Drehmomentsteuerung, Anzugsverfahren, Methode der Verschraubung, Abschaltverhalten, Prozesssicherheit, Eintrimmen), Hardware (Qualität Steifigkeit), Schrauber (Zuverlässigkeit, Fehlererkennung, Sorgfalt, Maschinenhandhabung, Zeitdruck), Klima (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck).
Gemäß einer Ausführung wird der Wert wenigstens eines Einflussfaktors anhand einer Liste möglicher Ausprägungen des Einflussfaktors bestimmt. Damit können auch Werte schwer quantifizierbar Einflussfaktoren erfasst werden.
Um grundsätzlich Werte verschiedenster Arten von Einflussfaktoren berücksichtigen zu können, wird gemäß einer Ausführung der Wert wenigstens eines Einflussfaktors mittels eines jeweils geeigneten Erfassungsmittels erfasst. Insbesondere wird ein Wert mittels eines geeigneten Sensors (6) / einer geeigneten Sensoranordnung gemessen und/oder mittels eines geeigneten Eingabemittels wie einer Tastatur oder Touchbedienung eingegeben und/oder mittels einer geeigneten Datenbankabfrage aus einem Speichermittel abgerufen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,

1 ein System nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer beispielhaften Schraubverbindung in zwei seitlichen Schnittansichten entlang des gleichen Schnitts;
2 ein Diagramm mit einer Schraubprozesskurve, in welcher ein ,grünes Fenster‘ der Schraubprozesskurve im Sinne einer Nenn-Ausprägung zweier Montageparameter eingezeichnet ist;
3 das Diagramm aus 2, wobei zusätzlich angepasste ,grüne Fenster‘ der Schraubprozesskurven im Sinne zweier beispielhafter Soll-Ausprägungen der Montageparameter eingezeichnet sind;
4 ein Verfahren nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer schematischen Darstellung der Verfahrensschritte; und
5 ein Verfahren nach einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung, wobei zusätzliche Schritte im Verhältnis zu dem Verfahren gemäß 4 dargestellt sind.

1 ist wegen der besseren Übersichtlichkeit der Darstellung aufgeteilt in 1 a und 1 b. In 1 a ist die Schraubverbindung 1 insbesondere mit den wirkenden Kräften, Momenten und Montageparametern dargestellt, in 1 b insbesondere mit dem System 50 und dessen Komponenten.
Insgesamt ist in 1 eine beispielhafte Schraubverbindung 1 dargestellt. Ein erstes Blech 2 oder zweites Blech 3 werden mittels der Schraube 4 und der Gegenmutter 5 miteinander verschraubt. Als Betriebslast ist im Ausführungsbeispiel eine exzentrisch zur Schraubenachse angreifende Axialkraft F A X und eine Querkraft F Q vorgesehen. Um die benötigte Klemmkraft (plus Setzkraft und andere Zusatzkräfte) aufzubringen, wird die Schraube 4 mit der Mutter 5 mit einem Anziehmoment M verschraubt. Dazu werden die Schraube 4 und die Mutter 5 um einen Anziehwinkel φ verdreht.
Wenn mit dem gewünschten Anziehwinkel das gewünschte Anziehmoment erreicht wird, liegt an der Verschraubung 1 das gewünschte Vorspannmoment FV an. Bei einer beispielhaften Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, die Schraube 4 und die Mutter 5 um einen Anziehwinkel φ_E, _SOLL mit einem finalen Anziehmoment M_A, _SOLL zu verdrehen. Wie diese Ausprägungen ermittelt werden, wird anhand der Beschreibung zu den 2 bis 5 näher erläutert.
In 1 b ist ein System 50 zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast vorgesehenen Schraubverbindung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung dargestellt.
Das System 50 weist ein Erfassungsmittel 6 auf, das als Oberflächensensor mit einer Bilderfassung zur Erfassung von Werten 310 (vergleiche 4) einer Oberflächenrauheit R2 des Blechs 2 und R 3 des Blechs 3 ausgebildet ist. Darüber hinaus weist das System 50 als weitere, nicht dargestellte Erfassungsmittel zumindest ein Eingabemittel wie einer Tastatur und die Möglichkeit von Datenbankabfragen auf. Mit dem Eingabemittel können beispielsweise Werte 320 (vergleiche 4) zu einer Werkstoffpaarung der Bleche erfasst werden; mit einer Datenbankabfrage können beispielsweise Werte 330 (vergleiche 4) zur Oberflächenbeschaffenheit R4, R5 des jeweiligen Kopfbodens der Schraube 4 bzw. der Mutter 5 erfasst werden.
Zudem weist das System 50 ein Berechnungsmittel 7 auf, dass beispielsweise als Desktop-Computer oder als Industriesteuerung mit einem Bildschirminterface ausgebildet ist. Das Berechnungsmittel 7 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der Betriebslast eine benötigte Vorspannkraft FV zu ermitteln und in Abhängigkeit von der ermittelten Vorspannkraft jeweils eine Nenn-Ausprägung M_A, _NENN , φ_E, _NENN der Montageparameter Anziehmoment M und Anziehwinkel φ zu ermitteln. Zudem ist das Berechnungsmittel 7 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von erfassten Werten 310, 320, 330 verschiedener Einflussfaktoren R_2-5, µ eine Soll-Ausprägung M_A, _SOLL , φ_E, _SOLL der Montageparameter zu ermitteln. Beispielhafte Funktionen des Berechnungsmittel 7 werden zu den 4 und 5 näher beschrieben.
Das System 50 weist ferner ein Montagemittel 8 (nur schematisch mit gepunkteter Linie dargestellt) auf, dass im Ausführungsbeispiel als Industrieroboter mit einem Anziehmoment-geführten und/oder Anziehwinkel-geführten Schraubkopf ausgebildet ist. Das Montagemittel 8 kann aber auch ein handgeführter, mit der Berechnungsmittel 7 verbundener Schraubkopf sein. Mit dem Montagemittel 8 kann die Schraubverbindung entsprechend der Vorgaben im System 50 montiert, also angezogen werden.
In 2 ist ein Diagramm mit einer herkömmlichen Schraubprozesskurve dargestellt, in welcher ein ,grünes Fenster‘ 20 der Schraubprozesskurve im Sinne einer Nenn-Ausprägung M_A, _NENN , φ_E, _NENN der beiden Montageparameter M, φ eingezeichnet ist. Das grüne Fenster rahmt den Bereich zwischen den oberen Grenzwerten M_A, _MAX , φ_E, _MAX und den unteren Grenzwerten M_{A, MIN} , φ_E, _MIN ein. In diesem Bereich, dessen Einhaltung mittels interner Sensoren des Montagemittels problemlos überwacht werden kann, muss der Verschraubvorgang enden, damit die Nenn-Ausprägung erreicht wird. Bei den beispielhaft dargestellten Verlauf 15 wird während des Verschraubungsvorgangs ab einem Schwellmoment MS für eine bestimmte Winkeldifferenz Delta PHI ein sukzessive ansteigendes Anziehmoment M aufgebracht, bis - im Falle einer Vorgabe-gerechten Verschraubung - im Bereich zwischen den Winkeln φ_E, _MIN und φ_E, _MAX ein Anziehmoment zwischen M_A, _MIN und M_A, _MAX erreicht wird und dabei der Schraubvorgang beendet wird (siehe Kreis mit x in 2).
Das grüne Fenster 20 der 2 ist beispielsweise mittels einer erfahrungsbasierten Schätzung eines erfahrenen Schraubers nach mehreren Iterationen mit Weiterziehmomentmessungen ermittelt worden. Alternativ kann es auch gemäß Verfahrensschritt 200 in einem Verfahren nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung mit einer vereinfachenden Berechnungsmethode ermittelt worden sein.
In 3 hingegen ist das Diagramm aus 2 dargestellt, wobei zusätzlich angepasste ,grüne Fenster‘ 21 und 22 der Schraubprozesskurven im Sinne zweier beispielhafter Soll-Ausprägungen M_A, _SOLL , φ_E, _SOLL der Montageparameter eingezeichnet sind. Die entsprechenden Grenzwerte der grünen Fenster 21 und 22 sind zur Unterscheidung der Soll-Ausprägungen von den nenn-Ausprägungen des grünen Fensters 20 mit * bzw. ** markiert.
In der Darstellung der 3 ist im Ergebnis gezeigt, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgehend von der Nenn-Ausprägung (vgl. grünes Fenster 20) verschiedene Soll-Ausprägungen (vergleiche grüne Fenster 21 und 22) abweichen können. Beispielsweise ist das grüne Fenster 21 hinsichtlich der Soll-Ausprägung für das Anziehmoment M_A* nach oben verschoben und weist hinsichtlich der Soll-Ausprägung φ_E* einen größeren Toleranzbereich zum Maximalwert hin auf. Beispielsweise ist das grüne Fenster 22 hinsichtlich beider Soll-Ausprägungen M_A** und φ_E** bezüglich der Minimalwerte und bezüglich der Maximalwerte nach oben verschoben. Die dargestellten Verschiebungen sind insbesondere das Ergebnis der Durchführung eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung, wie sie nachfolgend zu 4 beschrieben ist.
In 4 ist ein Verfahren nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer schematischen Darstellung der Verfahrensschritte dargestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel orientiert sich an einer Verschraubung, deren Auslegungskenngröße die Vorspannkraft und deren Führungsgrößen bei der Montage das Anziehmoment und der Anziehwinkel sind. Zur besseren Verständlichkeit der Erläuterungen der einzelnen Verfahrensschritte werden aus einer Mehrzahl relevanter Einflussfaktoren nur die in 1 aufgeführten zur Erläuterung herangezogen. Die Betriebslast, der die zu montierende Schraubverbindung ausgesetzt sein soll, weist die Kombination von Betriebslasten gemäß 1 auf und werden als vorgegeben vorausgesetzt.
Im Verfahrensschritt 100 wird in Abhängigkeit von der Betriebslast F A X, FQ mittels dem Berechnungsmittel 7 eine mindestens benötigte Vorspannkraft FV ermittelt. Das dafür benötigte Berechnungsmodell ist mit betriebsspezifischen Anpassungen aus einer Formelsammlung zu Schraubverbindungen entnommen (Darstellung mit f(x) in 100).
Im Verfahrensschritt 200 werden aus der ermittelten Vorspannkraft FV nenn-Ausprägungen für das Anziehmoment M_A, _NENN , und den Anziehwinkel φ_E, _NENN ermittelt, wobei zudem Maximalwerte und Minimalwerte im Sinne der Ableitung eines ,grünen Fensters' 20 bestimmt werden. Dazu wird ein erfahrungsbasiertes Rechenmodell genutzt, in welchen über die Erstellung von Regressionsfunktionen aus Erfahrungswerten von Experten-Schraube geeignete Ausprägungen abgeleitet werden.
Die Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren beginnt mit dem Verfahrensschritt 300: mittels des Sensors 6 wird jeweils ein Wert für die Oberflächenrauheiten R2 und R3 erfasst. Der Nutzer des Systems (normalerweise der Konstrukteur für die Schraubverbindung 1, kann aber auch der Schraube sein) gibt zu dem mittels einer Tastatur die Werkstoffe der Bleche 2 und 3 ein, woraus im Ausführungsbeispiel die Berechnungseinheit 7 den Reibbeiwert µ ermittelt. Bei der Auslegung der Schraubverbindung 1 durch den Konstrukteur wird zudem automatisch durch die Berechnungseinheit 7 eine Datenbankabfrage aktiviert, die als Ergebnis unter anderem die Oberflächenbeschaffenheit R4 und R5 des Kopfbodens jeweils der Schraube 4 und der Mutter 5 zurückmeldet. Somit ist also jeweils ein Wert für die Einflussfaktoren R2, R3, R4, R5 und µ erfasst.
Im Verfahrensschritt 450 wird jeder dieser Werte in Vergleichen 410, 420 und 430 mit einem zu dem Wert gehörigen Tabellenwerk verglichen. Dabei wird jeweils zu dem erfassten Wert ein Anpassungsbeitrag 411, 421, 431 ermittelt.
Je nach zugrunde gelegter Logik der Programmierung des Berechnungsmittel 7 werden die einzelnen Anpassungsbeträge 411, 421, 431 zu einem gesamten Anpassungsfaktor 490 in geeigneter Weise zusammengeführt.
In Verfahrensschritt 500 werden nun die ermittelten Nenn-Ausprägungen der Montageparameter als Basis genommen und - wiederum in geeigneter, der Logik der Programmierung des Berechnungsmittel 7 entsprechender Weise - entsprechend dem Anpassungsfaktor 490 angepasst. Das Ergebnis der Anpassung sind die Soll-Ausprägungen der Montageparameter, aus denen dann angepasste grüne Fenster (vergleiche beispielhafte Darstellung der grünen Fenster 21 und 22 in 3) abgeleitet werden können.
Entsprechend dem ermittelten, angepassten grünen Fenster wird dann im Verfahrensschritt 600 die Verschraubung 1 montiert.
In 5 ist ein Verfahren nach einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung beschrieben, wobei sich das Verfahren gemäß 5 von dem Verfahren gemäß 4 im Wesentlichen durch zusätzliche Schritte im Anschluss an den Verfahrensschritt 500 auszeichnet, welche ein Lernen des Systems 50 hinsichtlich der Charakteristika der vorliegend betrachteten Verschraubung 1 ermöglicht.
Bei dem Verfahrensschritt 700 werden während oder nach der Durchführung der Berechnungen zur Verschraubung 1 die Nenn-Ausprägungen aus Verfahrensschritt 200, die Soll-Ausprägungen aus Verfahrensschritt 500, die Vorspannung und falls benötigt auch die Betriebslasten aus Verfahrensschritt 100 sowie die erfassten Werte 310, 320, 330 der Einflussfaktoren R₂ , R₃ , R₄ , R₅ und µ aus Verfahrensschritt 300 zusammengestellt (vergleiche Zusammenführung 710) und in einem Speichermittel des Berechnungsmittels 7 gespeichert.
In dem Speichermittel wird aus den zusammengeführten Daten ein Erfahrungs-Datensatz 720 erstellt, der unter anderem und insbesondere ermöglicht, bei zukünftigen Verfahrensläufen analog 4 den dann erfassten Werte der entsprechenden Einflussfaktoren einen verbesserten Anpassungsbeitrag zuzuordnen. Dazu ermittelt die Berechnungseinheit 7 bei der Verarbeitung des neuen Erfahrungs-Datensatz 720 aus der dort hinterlegten Daten über geeignete multivariate Berechnungsmethoden jeweils einen geeigneten Anpassungsbeitrag für jeden Wert eines Einflussfaktors im Datensatz 720.
Gegebenenfalls muss ein zuvor bereits hinterlegter Anpassungsbeitrag für einen bestimmten Wert eines bestimmten Einflussfaktors angepasst werden. Eine geeignete Priorisierung des alten und des neuen Anpassungsbeitrags kann automatisch mittels der Berechnungseinheit 7 oder manuell mittels einer Nachfrage beim Benutzer erfolgen.
In dieser Form wird der Erfahrung-Datensatz 720 derart in der der Berechnungseinheit 7 gespeichert, dass er für zukünftige Vergleiche mit erfassten Werten verfügbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Schraubverbindung
2: erstes Blech
3: zweites Blech
4: Schraube
5: Mutter
6: Erfassungsmittel (Oberflächensensor)
7: Berechnungsmittel
8: Montagemittel (Schraubwerkzeug)
10: Schraubprozesskurven
15: Anziehmoment-Anziehwinkel-Verlauf
20: beispielhaftes Nenn-Fenster
21: erstes beispielhaftes Soll-Fenster
22: zweites beispielhaftes Soll-Fenster
50: System
F_AX: axiale Betriebslast
F_Q: Querbetriebslast
F_V: Vorspannkraft
M: angelegtes Anziehdrehmoment zum Drehwinkel PHI
M_S: Schwellmoment
M_A: Anziehmoment am Ende des Verschraubvorgangs
φ: bereits angezogener Drehwinkel
φ_S: Drehwinkel beim Erreichen des Schwellmoments
φ_E: Drehwinkel am Ende des Verschraubvorgangs
R: Oberflächenrauheit
µ: Reibbeiwert zwischen zwei Oberflächen
100: Verfahrensschritt zum Ermitteln der Vorspannkraft
200: Verfahrensschritt zum Ermitteln einer Nenn-Ausprägung wenigstens eines Montageparameters
300: Verfahrensschritt zum Erfassen eines Wertes wenigstens eines Einflussfaktors
310: Messwerte von Oberflächenrauheiten der Bleche
320: Eingabe einer Werkstoffpaarung der Bleche
330: Datenbankabfrage zur Oberflächenbeschaffenheit des Schraubenkopfbodens
400: Verfahrensschritt zum Zuordnen eines Anpassungsfaktors
410, 420, 430: Vergleiche der erfassten Werte mit gespeicherten Werten
450: Verfahrensschritt zum Vergleich erfasster und gespeicherter Werte eines Einflussfaktors
411, 421, 431: Anpassungsbeitrag zu jedem erfassten Wert
490: Anpassungsfaktor für alle erfassten Werte
500: Verfahrensschritt zum Ermitteln einer Soll-Ausprägung des Montageparameters
510: Zusammenführung der Nenn-Ausprägungen mit dem Anpassungsfaktor
600: Verfahrensschritt zum Anziehen der Schraubverbindung
700: Verfahrensschritt zum Erstellen und Speichern von Erfahrungs-Datensätzen
710: erstellen
720: Erfahrungs-Datensatz

Claims

Verfahren zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast (F_AX, F_Q) vorgesehenen Schraubverbindung (1), aufweisend die Schritte: - (100) Ermitteln einer benötigten Vorspannkraft (F_V) der Schraubverbindung (1) in Abhängigkeit von der Betriebslast (F_AX, F_Q), - (200) Ermitteln einer Nenn-Ausprägung (M_A, _NENN; φ_E, _NENN) wenigstens eines Montageparameters (M, φ) in Abhängigkeit von der benötigten Vorspannkraft, - (300) Erfassen eines Wertes (310, 320, 330) wenigstens eines Einflussfaktors (R_2-5, µ) auf die Schraubverbindung, - (500) Ermitteln einer Soll-Ausprägung (M_A, _SOLL; φ_E, _SOLL) des Montageparameters auf Basis der Nenn-Ausprägung und in Abhängigkeit von dem erfassten Wert des Einflussfaktors, - (600) Anziehen der Schraubverbindung, bis die Soll-Ausprägung des Montageparameters erreicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei (400) dem erfassten Wert des Einflussfaktors ein Anpassungsfaktor (490) bezüglich des Montageparameters zugeordnet wird, in dessen Abhängigkeit die Soll-Ausprägung auf Basis der Nenn-Ausprägung ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei (450) zur Ermittlung des Anpassungsfaktors der erfasste Wert des Einflussfaktors mit gespeicherten Werten (410, 420, 430) des Einflussfaktors verglichen wird, denen jeweils ein Anpassungsbeitrag (411, 421, 431) bezüglich des Montageparameters zugeordnet ist, und wobei dem erfassten Wert der Anpassungsbeitrag eines passenden gespeicherten Werts zugeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei zu mehreren Einflussfaktoren jeweils ein Wert erfasst und in Abhängigkeit von dem jeweiligen Wert mehrerer Einflussfaktoren die Soll-Ausprägung des Montageparameters ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei Soll-Ausprägungen für mehrere Montageparameter ermittelt werden, insbesondere für ein Anziehmoment (M) und für einen Anziehwinkel (φ).
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wert wenigstens eines Einflussfaktors (R₂, R₃) mittels eines jeweils geeigneten Erfassungsmittels (6) erfasst wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erfasste Einflussfaktor einer der folgenden ist: - Geometrie, insbesondere Außen-, Innen- und/oder Gewindemaß, - Oberflächenrauheit (R_2-5), - Beschichtung, - Verschleiß, - Werkstoff, - Werkstoffpaarung, insbesondere Reibbeiwert (µ) der Werkstoffpaarung, - Gewindegeometrie, und/oder - Beschaffenheit, insbesondere Verschmutzungsgrad eines oder mehrerer Bauteile der Schraubverbindung.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei (700) ein Erfahrungs-Datensatz (720) erstellt (710) und gespeichert wird, in welchem die ermittelte Vorspannung (F_V) der Schraubverbindung (1), die Werte (310, 320, 330) der betrachteten Einflussfaktoren (R_2-5, µ) sowie die Nenn-Ausprägung(en) (M_A, _NENN; φ_E, _NENN) und die Soll-Ausprägung(en) (M_A, _SOLL; φ_E, _SOLL) des/r Montageparameter(s) (M, φ) enthalten und/oder zueinander in Beziehung gesetzt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Soll-Ausprägung (M_A, _SOLL; φ_E, _SOLL) wenigstens eines Montageparameters (M, φ) in Abhängigkeit von wenigstens einem, vorzugsweise einer Vielzahl von, Erfahrungs-Datensätzen (720) ermittelt wird.
System (50) zur Montage einer für eine vorbestimmte Betriebslast (F_AX, F_Q) vorgesehenen Schraubverbindung (1), aufweisend: - ein Erfassungsmittel (6), das dazu eingerichtet ist, Werte (310, 320, 330) wenigstens eines Einflussfaktors (R_2-5, µ) auf die Schraubverbindung zu erfassen, - ein Berechnungsmittel (7), das dazu eingerichtet ist, - in Abhängigkeit von der Betriebslast eine benötigte Vorspannkraft (F_V) der Schraubverbindung zu ermitteln, und - in Abhängigkeit von der ermittelten Vorspannkraft eine Ausprägung (M_A; φ_E) wenigstens eines Montageparameters (M, φ) zu ermitteln, - ein Montagemittel (8), das dazu eingerichtet ist, die Schraubverbindung entsprechend der ermittelten Ausprägung des Montageparameters zu montieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsmittel (7) zusätzlich dazu eingerichtet ist, die ermittelte Ausprägung (M_A; φ_E) des Montageparameters vor der Montage in Abhängigkeit von einem erfassten Wert des Einflussfaktors anzupassen.