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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer Schraube unter Verwendung eines Drehmomentsensors und eines Winkelsensors.
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Es ist bekannt, die Schrauben bei der Montage bis zu einem Vordrehmoment anzuziehen, und danach die Schrauben noch um einen Zielwinkel mit Überwachung eines resultierenden Endmomentes anzuziehen. Durch das Verwenden des Vordrehmomentes soll sichergestellt werden, dass die Streuung des resultierenden Endmomentes im Vergleich zu einer alleinigen Verwendung eines Zielwinkels verringert ist.
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Daneben ist es bekannt, die Verschraubung drehmomentgesteuert und streckgrenzengesteuert durchzuführen.
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Allerdings hat sich herausgestellt, dass auch bei der Verwendung des Vordrehmomentes Fehler auftreten können. Dabei kann es zu Setzvorgängen der Schraube kommen. Diese finden im Setz- und Fügebereich, der auf den Eindrehbereich folgt, statt. Im darauf folgenden Gleichmäßigkeitsbereich kommt es beim Wechsel von Drehmomentsteuerung zu Winkelsteuerung zu einem Moment, in dem das Montagewerkzeug unbestromt ist. Dadurch ergeben sich Ungenauigkeiten im resultierenden Endmoment, sowie dessen Bewertung und des Winkelstarts und des auf die Schraube wirkenden Nachdrehwinkels, auch Zielwinkel genannt
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Montage einer Schraube anzugeben, bei dem die Streuung des Schwellmoments bzw. Vordrehmoments und des resultierenden Endmomentes weiter gesenkt wird.
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Zur Lösung dieses Problems wird vorgeschlagen, dass die Schraube bis zu einem Zielmoment eingedreht wird und ab einem Schwellmoment ein Drehwinkel der Schraube beim Einschrauben sensiert und/oder ermittelt wird. Bei dem bekannten Vorgehen wird bis zum Erreichen des vorgegebenen Drehmomentes, keine Winkelsensierung vorgenommen. Es handelt sich also grundsätzlich um ein drehmomentgesteuertes Eindrehen der Schraube. Dadurch kommt es zu keinem Aussetzen des Drehmomentes. Durch die Winkelmessung kann aber eine Plausibilisierung des Eindrehvorgangs erfolgen. Als Kern der Erfindung wird daher angesehen, dass, zumindest zeitweise, ein gleichzeitiges Sensieren von Drehmoment und Drehwinkel erfolgt und trotzdem ein kontinuierlicher Vortrieb vorliegt.
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Bevorzugt erfolgt das gleichzeitige Sensieren von Drehmoment und Drehwinkel ab einem Schwellmoment, das kleiner als das Zielmoment oder resultierendes Endmoment und größer als 0 ist.
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Die Schraube wird also bis zu dem definierten Zielmoment kontinuierlich und unterbrechungsfrei eingedreht. Ab dem vorgegebenen Schwellmoment wird auch der Drehwinkel bis zum Zielmoment gemessen.
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Vorteilhafterweise kann bei Erreichen und/oder Überschreiten des vorgegebenen Drehmomentes der Drehwinkel mit wenigstens einem vorgegebenen Drehwinkelschwellenwert verglichen werden. Auf diese Art und Weise soll sichergestellt werden, dass das sensierte Drehmoment nicht durch ein im Weg stehenden Grad oder ähnliches zustande kommt sondern durch die Anzugsposition der Schraube definiert ist.
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Je nach Vorgehensweise kann in einer Ausgestaltung bei Über- oder Unterschreiten des Drehwinkelschwellenwertes die Verschraubung als fehlerhaft klassifiziert werden. Insbesondere kann die Verschraubung bei Unterschreiten eines unteren Drehwinkelschwellenwertes oder bei Überschreiten eines oberen Drehwinkelschwellenwertes als fehlerhaft klassifiziert werden. In diesem Fall wird der Montagevorgang abgebrochen und das Getriebe wird unter Aufsicht entweder rückmontiert, neu montiert oder aussortiert.
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Eine Überprüfung möglicher Eindreh- und Setzbeeinflussungen im Schraubverbund sind weiter unten beschrieben und können in diesen Bereichen durch eine entsprechende Parametrierung erkannt und detektiert werden, so dass diese negativen Einflüsse als niO bewertet werden können, weiterhin kann über eine niO-Strategie entschieden werden ob ein Lösen der Schraube durch ein solches Ereignis erfolgt und der Vorgang generell als niO bewertet wird, oder ob ein Lösen und wiederholtes Anziehen zulässig ist.
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Anders herum ausgedrückt existiert also ein Toleranzband, in dem die Schraube als fehlerfrei montiert gilt.
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Alternativ kann vorgesehen werden, dass bei Unterschreiten eines, insbesondere unteren, Drehwinkelschwellenwertes die Schraube unter Sensierung des Drehmomentes nachgezogen wird. Wenn man davon ausgeht, dass der fehlerhaften Drehmomentangabe zugrunde liegt, dass die Schraube zeitweise blockiert ist, kann unter Überwindung des Hindernisses die Schraube entweder gelöst oder danach wieder angezogen werden. Auf diese Art und Weise kann die Fehlerquote bei der Verschraubung direkt im automatisierten Schraubprozess dadurch minimiert werden, dass die Verschraubungsprobleme im automatisierten Schraubvorgang behoben werden. Auf diese Art und Weise kann die Anzahl händisch zu montierender Schrauben verringert werden.
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Vorzugsweise kann die Schraube bis zu einem vorgegebenen Drehmoment mit einer höheren Drehzahl eingedreht werden und ab dem vorgegebenen Drehmoment mit einer niedrigeren Drehzahl. Das vorgegebene Drehmoment kann vorzugsweise das Schwellmoment sein, es kann aber auch ein anderer Drehmomentwert sein.
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Vorteilhafterweise wird das Verfahren beim Einschrauben einer Schraube an einem Kraftfahrzeuggetriebe durchgeführt. Insbesondere bei Kraftfahrzeuggetrieben kann es zu Montagepositionen des Getriebes kommen, bei dem eine Inspektion und händische Nachbereitung des Schraubvorganges sehr aufwändig und schwierig ist. Daher ist die Senkung der Fehlerquote des Einschraubvorganges sehr vorteilhaft.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Montagevorrichtung zur Montage einer Schraube, insbesondere an einem Kraftfahrzeuggetriebe, mit einem Drehmomentsensor, einem Winkelsensor, einer Steuerungseinrichtung und einer Anzugseinrichtung zum Anziehen der Schraube. Die Montagevorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Montagevorrichtung dazu ausgebildet ist, das an der Schraube anliegende Drehmoment und den Drehwinkel der Schraube beim Einschrauben zumindest zeitweise gleichzeitig zu sensieren. Die Montage erfolgt dann wie zum Verfahren bereits beschrieben. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf das beschriebene Verfahren verwiesen. Die Ausgestaltung der Maschine und ihre Bedienung ergibt sich für den Fachmann unmittelbar.
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Vorteilhafterweise kann die Montagevorrichtung mittels einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des sensierten Drehmoments und/oder Drehwinkels mit redundanten Messwertaufnehmern überprüft werden. Für die Verwendung der Vergleichseinrichtungen sind vorzugsweise in der Steuerungseinrichtung entsprechende Programme einzurichten, diese sind zyklisch anzuwenden um die Genauigkeit der Drehmoment und Drehwinkelwerte zu überprüfen und damit zu gewährleisten, dass die Einrichtung fähig ist um die Vorgabewerte dauerhaft und sicher einhalten zu können.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für eine Montagevorrichtung zur Montage einer Schraube. Die Steuerungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Figur. Dabei zeigt:
- 1 ein Ablaufschema eines Montageverfahrens,
- 2 eine Montagevorrichtung, und
- 3 ein Drehmomentdiagramm.
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Die 1 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Montage einer Schraube. In Schritt S1 wird die Schraube automatisch in eine Montagevorrichtung eingelegt. Die Schraube kann beispielsweise an einem Kraftfahrzeuggetriebe eingelegt werden, um die Kupplungsglocke mit dem Getriebegehäuse zu verschrauben.
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In Schritt S2 wird der Einschraubvorgang begonnen, wobei das Drehmoment sensiert wird.
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In Schritt S3 wird das erste vorgegebene Drehmoment im Sinne eines Schwellenwertes erreicht.
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Ab Erreichen des ersten vorgegebenen Drehmomentes wird in Schritt S4 zusätzlich der Drehwinkel sensiert.
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Mit Erreichen des Zielmomentes wird der Drehwinkel mit einem unteren Drehwinkelschwellenwert und einem oberen Drehwinkelschwellenwert verglichen. Liegt der erreichte Drehwinkel in Schritt S7 im vorgegebenen Toleranzband, wird er der Schraubvorgang als fehlerfrei klassifiziert, andernfalls als fehlerhaft.
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In Schritt S4 kommt es zu keiner Unterbrechung der Drehspannung, das Einschrauben erfolgt unterbrechungsfrei. Das Montagewerkzeug ist zu keinem Zeitpunkt bis zum Erreichen des Zielmomentes unbestromt.
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2 zeigt eine Montagevorrichtung zur Montage einer Schraube. Die Montageeinrichtung 1 umfasst ein Gestell 2, einer Steuerungseinrichtung 3, eine Anzugseinrichtung 4, einen Drehmomentsensor 5 und einen Drehwinkelsensor 6.
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Der Drehmomentsensor 5 und der Drehwinkelsensor 6 sensieren dabei das über die Anzugsvorrichtung 4 auf eine Schraube 7 anliegende Drehmoment bzw. den bewirkten Verdrehwinkel. Die Schraube 7 kann beispielsweise bei der Montage eines Kraftfahrzeuggetriebes 8 zwischen Kupplungsglocke 9 und Getriebegehäuse 10 zum Einsatz kommen.
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3 zeigt den Drehmomentverlauf während eines Einschraubvorgangs. Dabei ist auf der Achse 12 der Drehwinkel und auf der Achse 14 das Drehmoment aufgetragen.
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Der Eindrehbereich 16 wird i.d.R. benötigt um die Schrauben innerhalb der erforderlichen Taktzeit auf Tiefe und Kopfauflage zu bringen, und sollte mit möglichst hohen Drehzahlen erfolgen. Die das Drehmoment angebende Kurve 18 verläuft in diesem Bereich beinahe linear.
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Ebenfalls muss im Eindrehbereich 16 grundsätzlich die Möglichkeit bestehen bereits diesen Vorgang zu überwachen um ggf. Mindesteindrehtiefen zu erreichen bzw. mögliche Versagenfälle zur Anzeige zu bringen, welche durch Grenzwerte im Sinne von Toleranzen bzgl. Drehmoment- und/oder Drehwinkel parametriert werden können.
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Im folgenden Setz- und Fügebereich 20 finden Setz- und Fügevorgänge der im Schraubverbund beinhalteten Bauteile statt. Diese müssen abgeschlossen sein um in den Gleichmäßigkeitsbereich 22 zu wechseln, ohne das dort für die Endbewertung erforderliche Schwellmoment 24 zu beeinflussen, wodurch eine Fehlinterpretation des Endergebnisses und somit dem Anspruch an Qualität und Funktionsanforderungen ggf. nicht entsprochen werden könnte.
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Im Gleichmäßigkeitsbereich 22 finden erfindungsgemäß keine Unterbrechungen im Schraubverlauf durch Schraubparameter mehr statt.
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Im Stand der Technik ziehen Umschaltparameter, die bei der Programmierung des Schraubers bspw. durch Drehzahlwechsel zwischen dem Eindrehbereich 16 und dem Setz- und Fügebereich 18 oder dem Setz- und Fügebereich 18 und dem Gleichmäßigkeitsbereich 22 erforderlich sind, eine Zugkraftunterbrechung nach sich. Diese führen beim Wechsel in den Folgebereich des Schraubverlaufs dazu, dass die Verspannungen im System wie z.B. Kraftangriffe zwischen Schraubenkopf und Schraubbit, sowie Schraubspindel und Kupplungen/Verlängerungen, wie auch deren Torsionsverhalten zu Fehlinterpretationen des Drehmoment-/ Winkelverhältnisses und werden als solche qualitativ nicht ausreichend bewertet.
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Ein weiterer Aspekt im Stand der Technik betrifft in diesem Zusammenhang auch das Losbrechverhalten der Schraube im Verbund, welches in Abhängigkeit zu den Umgebungsbedingungen wie Oberflächenrauigkeiten, Nachbiegigkeiten usw. ebenfalls zu Fehlinterpretationen führen und i.d.R. in der Folge auf die Dauerhaltbarkeit des Schraubenverbunds einen negativen Einfluss haben können.
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Im Gleichmäßigkeitsbereich 22 wird nunmehr erfindungsgemäß das Schwellmoment 24 ohne Zugkraftunterberechung bis zum Endpunkt 26 des Endbewertungsbereiches 28 definiert, welches als Nominalwert den Winkelstartwert 30 setzt. Als Winkelstartwert wird der Wert 0° gesetzt. Der Winkel wird nun bis zum Erreichen des definierten Enddrehmoments 32 in entsprechend engen Grenzen, die empirisch ermittelbar sind, unter Berücksichtigung des zulässigen Reibwertbandes und den besonderen Eigenheiten und Entwicklungsvorgaben des jeweiligen Schraubverbundes festgelegt. Die so definierten Grenzwerte sind genau wie aus dem Stand der Technik bekannten winkelgesteuerten und drehmomentüberwachten Anzug in der Lage, die Schraube sicher in den gewünschten Zielkorridor zu bringen, und zwar ohne die Beeinflussungen wie zum Gleichmäßigkeitsbereich 22 beschrieben.
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Das Schwellmoment 24 für den Winkelstart wird wie beschrieben in der Steuerung bzw. Parametrierung nicht gezielt angesteuert, sondern lediglich nach dem Wechsel in den Endanzug als Winkelnullwert gesetzt. Es hat somit auch keine eigene Toleranz, die wie bei traditionellen winkelgesteuerten Anzügen die Möglichkeit eröffnet, dieses auch im Rahmen der dort zulässigen Toleranz zu verändern. Der Festwert lässt somit eine etwas größere Toleranz bei der Definition des Zieldrehmoments zu, welches zusätzlich über einen eng gesetzten minimalen und maximalen Drehwinkel begrenzt wird.
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Im Endbewertungsbereich 28 ist das Endmoment bzw. Zielmoment definiert. Dieses ist gemäß der Vorgaben wie Reibwertband, elastischer oder überelastischer Anzug entsprechend defininiert und über empirische Versuche unter Serienbedingungen verifiziert. Das so festgelegte Zielmoment wird im Rahmen der an die Prozess- und Funktionssicherheit erforderlichen Anforderungen, durch einen engen Toleranzbereich für den aus dem Schwellwert im Gleichmäßigkeitsbereich 22 und dem Zielmoment resultierendem Drehwinkel für diesen definiert.
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Im Folgenden werden Beispiele nach dem Stand der Technik und erfindungsgemäße Ausführungsformen gegenübergestellt.
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Das erste Beispiel beschreibt einen bekannten winkelgesteuerten Anzug mit einem Vordrehmoment auf 10Nm +-1 Nm. Nach dem Erreichen des Vordrehmoments schaltet der Schrauber um auf Winkelsteuerung und wird dabei stromlos. Dies hat eine Zugkraftentlastung zur Folge. Das Vordrehmoment, welches als Steuergröße zielgenau hart zum Abschalten des Schraubers führt, kann nicht mehr verwendet werden, um mögliche Einflüsse wie z.B. Reibwerte ausserhalb Spezifikation usw. bis zum Erreichen das Drehmoments zu differenzieren.
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Nach dem Erreichen des Vordrehmomentes wird die Drehwinkelbewertung durch die Wiederverspannung der Kraftangriffe zwischen Schraubspindel und Schraubenkopf, Torsion, Losbrechverhalten und Auswerteblindheit der Steuerungseinheit bei Schaltungsvorgängen verfälscht. Der ermittelte erreichte Drehwinkel wirkt dabei nicht vollends auf die Schraube bzw. die Verspannung der im Schraubverbund involvierten Teile. Beim Vorgehen nach dem ersten Beispiel, das auch bereits eingangs beschrieben wurde, führt damit zu großen Streuungen im resultierenden Endmoment.
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Das zweite Beispiel beschreibt das erfindungsgemäße Vorgehen. Bei Erreichen des Schwellwertes 24 ohne Steuerungs- und mechanische Einflüsse der Schraubersteuerungsparameter und im Kraftaufbau der eingesetzten Komponeten. Es gibt keine Zugunterbrechung, keine Losbrechmoment, etc. und dadurch geringere Ausfälle, da Ausfälle im Bereich des Voranzugmomentes komplett wegfallen.
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Die in wesentlichen Bereichen insbesondere bis zum Voranzugsmoment bzw. die beim Start in die Stufe des Endanzugs nicht mehr stattfindende Zugkraftunterbrechung führt zu einem volldynamischen Antrieb der Schraubspindel. Dadurch wird der spezifische Schraubverlauf des Schraubverbundes transparenter und im Fehlerfalle einfacher interpretierbar. Man kann also auch in der Fehleranalyse mögliche Ursachen schneller verifizieren. D.h. die Vorteile dieser Erfindung liegen also in der Reduzierung der niO Verschraubungen, einer schnelleren Fehleranalyse, sowie in der Robustheit bzw. verbesserter Funktionssicherheit der Schraubverbindung.
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Ganz allgemein gilt, dass diese Vorgehenweise für alle Verschraubungsfälle anwendbar ist, sowohl bei Schrauben als auch bei Muttern.
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Die beschriebenen Bereiche können zusätzlich ebenfalls mit entsprechenden Überwachungskriterien kontrolliert werden. Dabei sind Schaltbefehle der Steuerung, die die Zugkraft unterbrechen, möglichst in den Eindrehbereich 16 zu legen, ggf. auch bis zum Setz- und Fügebereich 20, um dadurch große Streubreiten im Schraubverlauf erkennen zu können. In jedem Fall muss ab dem Gleichmäßigkeitsbereich 22 zugunterbrechungsfrei bis Zielmoment in den Endbewertungsbereich 28 kontinuierlich mit bevorzugt gleicher Drehzahl weiter angezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Montagevorrichtung
- 2
- Gestell
- 3
- Steuerungseinrichtung
- 4
- Anzugsvorrichtung
- 5
- Drehmomentsensor
- 6
- Drehwinkelsensor
- 7
- Schraube
- 8
- Kraftfahrzeuggetriebe
- 9
- Kupplungsglocke
- 10
- Getriebegehäuse
- 12
- Achse
- 14
- Achse
- 16
- Eindrehbereich
- 18
- Kurve
- 20
- Setz- und Fügebereich
- 22
- Gleichmäßigkeitsbereich
- 24
- Schwellmoment
- 26
- Endpunkt
- 28
- Endbewertungsbereich
- 30
- Winkelstartwert
- 32
- Enddrehmoment
