DE4316332C2

DE4316332C2 - Schraubvorrichtung mit Erfassung, Überwachung und Regelung meßbarer Schraubenparameter während des Schraubvorganges und Verfahren zum Herstellen qualitativ hochwertiger Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE4316332C2
Application number: DE19934316332
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing Grad Baier; Michael Ing Grad Kallmeyer; Edgar Dipl Ing Maehringer-Kunz; Harald Dipl Ing Sonntag; Ottmar Dipl Ing Weber
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-05-15
Filing date: 1993-05-15
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2013-05-16
Also published as: DE4316332A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

Zum Eindrehen von Schrauben, Aufdrehen von Muttern und anderen Schraubvorgängen sind Elektroschrauber seit langem bekannt. Diese Elektroschrauber nach dem Stand der Technik führen den Schraubvorgang mit einem vorgegebenen, zumeist zuvor einstellbaren Drehmoment oder einer vorgegebenen Drehrate aus, bis ein maximal zugelassenes Drehmoment (Abschaltmoment) erreicht ist. Solche Schraubvorrichtungen sind als Drehmomentschlüssel zumeist mit einer Rutschkupplung versehen, die kein größeres Drehmoment auf das Werkstück als das Abschaltmoment zuläßt.

Elektroschrauber nach dem Stand der Technik sind auch mit der Ausführung bekannt, daß an Stelle oder zusätzlich zum Abschaltmoment ein Abschaltwinkel vorgegeben ist, bei dessen Erreichen der Arbeitsvorgang beendet wird. Eine solche Ausführung ist dann sinnvoll, wenn eine Schraube nicht bis zum Anschlag in ein Gewinde hineingedreht werden soll.

Eine umfassende Darstellung des Standes der Technik bezüglich der Ausführung von Schraubverbindungen ist in der Schrift "Schraubtechnik" von H. Rudolf, Bibliothek der Technik, Band 62, ISBN 3-478-93073-1, 1992, Verlag Moderne Industrie enthalten.

Die Offenlegungsschrift DE-OS 32 22 156 (Spitznas) offenbart eine Schraubvorrichtung der eingangs benannten Art zum definierten Anziehen von Schrauben mittels eines hilfskraftbetriebenen Werkzeugs. Dabei werden Toleranzfenster für Drehmoment und Drehwinkel vorgegeben und ein Rechner kontrolliert, ob die Kennlinie durch alle Fenster verläuft oder nicht. Nachteilig bei diesem Schrauber ist jedoch, daß das System keinerlei Rückbezüge, z. B. der Toleranzen auf den tatsächlichen Schraubvorgang, zuläßt. Dadurch werden unnötig breite Toleranzfenster notwendig, um die zu erwartende Ausschußquote beim Schraubvorgang nicht unnötig zu vergrößern, natürlich mit dem Nachteil, nicht ausschließlich nur relevante Fehler erkennen zu können. Auch ermöglicht das System keine detaillierte Fehlerauswertung sowie ein Erkennen von kleineren, für den Schraubvorgang unbedeutenden, Unregelmäßigkeiten wie Verunreinigungen im Gewinde, was unweigerlich zu einem unnötigen Abbruch des Schraubvorgangs führt. Die Lehre dieser Schrift ist der nächstliegende Stand der Technik und bildet den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik haften eine Reihe von Mängeln an, die zu überwinden die Aufgabe der Erfindung ist.

Wenn ein Schraubvorgang durchgeführt wird, sind wie bei jedem Vorgang Störungen und Fehler nicht ausgeschlossen. Diese Fehler können darin liegen, daß die Schraube mit einem Materialfehler behaftet ist, der irgendwann beim Schrauben auftritt und z. B. zum Bruch der Schraube oder zu anderen Defekten führt. Auch kann die Schraubumgebung mangelhaft sein, so können z. B. Fremdkörper in dem Gewinde vorhanden sein oder das Gewinde ist selbst mangelhaft. Auch in der Vorrichtung selbst können Fehler auftreten.

Alle diese Fehlermöglichkeiten führen zu einem fehlerhaft abgeschlossenen Schraubvorgang, der je nach der Art der Vorrichtung vorzeitig abgebrochen werden muß oder aber fehlerhaft ist, aber scheinbar erfolgreich beendet wurde.

Ein Verfahren, die Qualität der Schraubverbindung zu erhöhen, ist als sogenannte Fenstertechnik bekannt, bei der mit Hilfe jeweils vorgegebener Drehwinkel/Drehmomentfenster zulässige Bereiche für eine oder mehrere Schraubstufen definiert werden. Wenn nun das vorgegebene Fenster (Toleranzband) verlassen wird, kann entsprechend dem Stand der Technik der Schraubvorgang abgebrochen werden.

Es ist aber nicht in jedem Fall angezeigt, den Schraubvorgang abzubrechen, da einerseits auch beim Überschreiten von gewissen Toleranzwerten noch nicht feststeht, ob eine qualitativ gute Schraubverbindung hergestellt werden kann und weil andererseits eine Untersuchung der Fehlerursachen zur Vermeidung von wiederholt auftretenden, systematischen Fehlern nach einem frühzeitigen Abruch des Schraubvorganges nur schwerlich möglich ist.

Das Auftreten von hohen Drehmomenten außerhalb der Toleranz nicht nur am Ende, sondern während jeder beliebigen Phase des Schraubvorganges ist ein gutes Anzeichen dafür, daß zumindestens in einem Element (Schraube, Gewinde, Umgebung und Vorrichtung) ein Problem auftrat, das sich in der Qualität der Schraubverbindung niederschlägt und diese belastet. Diese Toleranz muß aber nicht zu einem Abschalten führen.

Diese Qualität gilt es zu erhöhen und die Einhaltung auch nachweisbar zu machen, um im Falle von späteren Fehler am Produkt nachweisen zu können, daß diese Fehler nicht durch einen mangelhaften Schraubvorgang verursacht worden sind und daß gegebenenfalls Materialfehler an den Elementen der Schraubverbindung auch unter dem Einsatz geeigneter Mittel nicht zu entdecken gewesen waren.

Gleichwohl ist aber ein sofortiges Abschalten bei schweren Fehlern, also bei einer groben Abweichung von Soll- und Istwert zur Vermeidung von Folgeschäden an Material und Werkzeug durchaus indiziert.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, eine Schraubvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile der bekannten Schrauber überwindet und in der Lage ist, die Qualität der Schraubverbindung auf ein solches Maß zu erhöhen, daß die Erfordernisse moderner Produktionstechnik erfüllt werden.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einer Schraubvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 15.

Die Maßnahmen der Erfindung haben zunächst einmal zur Folge, daß während des gesamten Schraubvorganges mögliche Fehler, die aus fehlerhaften Schrauben, aus einer nicht einwandfreien Umgebung, aus einem fehlerhaften Gewinde oder aus einer mangelhaften Schraubvorrichtung herrühren können, gegenüber einem zuvor aufgenommenen Sollverhalten (Standardschraubvorgang) verglichen werden können und daß bei jeder Unregelmäßigkeit eine Fehlermeldung erzeugt werden kann, die entsprechend der Schwere des Fehlers zu der geeigneten Maßnahme führt.

Zur Optimierung des Verschraubungsvorganges wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Ablauf bezüglich der Drehrate und des Drehmomentes geregelt. Dies führt zu einem zeitlich optimalen Ablauf bei gleichzeitiger schonender Behandlung von Material und Werkzeug.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Überwachungsdaten nach jedem Vorgang gespeichert und einer statistischen Auswertung zur Verfügung gestellt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere für regelmäßige Qualitätskontrolle des Vorganges, des verwendeten Materials sowie des Werkzeuges vorteilhaft, wobei die Speicherung und Auswertung wahlweise alle Daten verwenden kann oder eine statistische Auswahl vorsieht.

Die Harmonisierung des Verschraubungsbeginns wird in einer wiederum gegenüber der Grundversion der Erfindung erweiterten Ausführungsform durch Erfassung des Momentensprungs beim Einrasten der Schraube in das Bohrgewinde bei einem gegenüber dem Einschraubvorgang gegensinnigen Drehsinn erreicht.

Die für alle Phasen des Verschraubungsvorganges notwendigen Drehmoment-, Drehraten- und Drehwinkelgrenzen können entweder aus vorherigen Berechnungen anhand der Konstruktion entnommen werden oder aber durch einen Belernvorgang durch das Einschrauben einer Reihe vorher vermessener Schrauben in ebenfalls vermessene Werkstücke erfolgen.

Die Maßnahmen der Erfindung sind aber nicht auf den reinen Schraubvorgang beschränkt sondern können auch auf den Ansatzort des Schraubvorganges ausgedehnt werden, indem auch die Position des Schraubers überwacht und damit sichergestellt wird, daß die verwendete Schraube in das dafür vorgesehene Gewinde eingebracht wird, um bei Fehlern die Vorrichtung außer Betrieb setzen zu können und bei einem fehlerfreien Vorgang die Fehlerfreiheit auch dokumentieren zu können.

Die Dokumentation und Überwachung betrifft auch die Anzahl der Schraubverbindungen für eine Baugruppe und die Sequenz der Verschraubungen.

Die vorgenannten, sowie die beanspruchten und in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäß zu verwendenden Baugruppen, Einrichtungen und Mittel bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Realisierung, der Ausgestaltung, der Auswahl und den technischen Konzeptionen bzw. den Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - eine erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt sind.

In Fig. 1 ist ein Drehmomentverlauf eines Schraubvorganges (Metall) dargestellt, in dem als Grenzen die Abschaltbedingungen einer Schraubvorrichtung entsprechend dem Stand der Technik eingezeichnet sind;
in Fig. 2 ist ein Arbeitsverlauf eines Elektroschraubers entsprechend der vorliegenden Erfindung dargestellt;
in Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßer Elektroschrauber in einer dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel entsprechenden Form dargestellt;
in Fig. 4 ist der logische Ablauf einer einfachen, erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt;
in Fig. 5 ist die Meßvorrichtung für die zusätzliche Erfassung der Schraubposition dargestellt;
in Fig. 6 ist der Adaptionsvorgang bei einer Schraube dargestellt, für die eine große Toleranz im Gleitbereich von Schraubkopf adaptiert wird.

In der in Fig. 3 als Ganzes mit 10 bezeichnete Schraubvorrichtung ist mit einem Elektromotor 20 angetrieben. Die Drehkraft wird vom Motor 20 auf ein Verdrehteil 21 übertragen und über eine Getriebevorrichtung 22 auf die Aufnahmeeinrichtung 23 für den Schraubkopf, der in der Darstellung der Schraubvorrichtung nicht eingezeichnet ist, gebracht. Der Schraubkopf ist auswechselbar und gehört somit nicht zur eigentlichen Schraubvorrichtung.

Die Messung des auf den Schraubkopf gebrachten Drehmomentes erfolgt im Ausführungsbeispiel durch eine Reaktionsmessung mittels Verdrehteil 21 welches den Motor mit dem Getriebe verbindet und darauf angebrachten Dehnungsmeßstreifen und einer elektrischen Sensierung der durch das Reaktionsmoment der Drehung erzeugten Torsion des Verdrehteils 21.

Die Messung des Drehmomentes ist aber nicht auf eine Dehnungsmessung beschränkt. Vielmehr können auch andere Meßmethoden für das Drehmoment, insbesondere Direktmessungen (Aktionsmessungen) verwendet werden.

Im Ausführungsbeispiel wird der Drehwinkel mit einem am Motor angeflanschten Sensor 25 gemessen. Mit dem Sensor 25 ist auch eine direkte Messung der Drehgeschwindigkeit möglich. Die Drehgeschwindigkeit läßt sich in der Schraubvorrichtung 10 aber auch durch eine zeitliche Ableitung des Drehwinkels erfassen.

Die für die Erfassung der Sensordaten notwendige Elektronik, die im Ausführungsbeispiel auch die Regelungselektronik für eine wahlweise Regelung des Drehmomentes oder der Drehrate enthält, ist im Bereich 30 der Schraubvorrichtung enthalten.

Die Ausführungs- und Datenerfassungslogik ist mit der in der Schraubvorrichtung 10 enthaltenen Elektronik mit einer Elektronikschnittstelle verbunden und in einem Elektronikgehäuse in der Nähe der Schraubvorrichtung untergebracht.

Die Realisierung dieser Logik wird im Ausführungsbeispiel mit einem Standard-Mikroprozessor durchgeführt. Dieser Mikroprozessor ist zur Eingabe von Benutzerdaten, zur Speicherung der erfaßten Meßwerte und zur Ablaufsteuerung des Schraubsystems mit Hilfe einer standardisierten seriellen Schnittstelle nach der RS232C Norm mit einem industriellen Computer (Industrie-PC) verbunden.

In Fig. 4 ist der Ablaufplan der im Ausführungsbeispiel implementierten Logik dargestellt. Dabei wird ein in Fig. 2 vorgesehener Schraubvorgang durchgeführt. In der ersten Anlaufphase wird die Drehbewegung soweit beschleunigt, bis das Gleitmoment des Gewindes erreicht ist. Danach wird mit einer konstanten Drehrate unter Überwachung der Drehmomente daraufhin, daß es sich im Toleranzbereich des Gleitmoments des Gewindes befindet, überwacht. Die Drehrate soll aus ökonomischen Gründen so hoch wie möglich sein, insbesondere bei Schrauben größerer Länge.

Erst beim Einsetzen der Kopfreibung der Schrauben wird ein neuer Toleranzbereich für die weitere Ausführung des Schraubvorganges erlaubt, der ein höheres Drehmoment als Summe der Gleitreibung des Gewindes und des Schraubkopfes zuläßt. Dieser Drehwinkel ist mit ϕII in Fig. 2 bezeichnet.

Im weiteren Verlauf wird die Grenze des Schraubvorganges erreicht, bei dem sich im weiteren Verlauf das Material bereits verändert, im vorliegenden Fall gedehnt wird.

Im Ausführungsbeispiel wird in diesem Bereich mit dem angelegten Drehmoment bei kleiner Drehrate (z. B. 0,1 rad/s) geregelt.

Dieser Toleranzbereich ist nicht einfach als rechtwinkliges Drehmoment/Drehwinkelfenster vorgesehen, sondern es wird für jeden neuen Drehwinkel ein weiteres Drehmoment mit einem Toleranzbereich vorgesehen, dessen Breite konstant ist, dessen Lage jedoch an das Moment beim Austritt aus dem Fenster ϕI-ϕII adaptiert wird (Fig. 6). Dies führt im Ergebnis zu einer die Sollkurve aus Drehwinkel und Drehmoment einschließenden Hüllkurve, deren Toleranzbreite eingehalten werden kann, trotz größerer Toleranz durch die Schraubenanfangsfindung bzw. des Gleitmoments der einzelnen Verschraubung.

Im Abschaltbereich wird bei Erreichen eines Abschaltfensters aus Drehmoment und Drehwinkel der Schraubvorgang dann als erfolgreich beendet angesehen, wenn der Toleranzbereich im Verlauf des gesamten Schraubvorganges nicht überschritten wurde.

In der bevorzugten Ausführungsform werden für den gesamten Schraubvorgang zwei Toleranzbereiche vorgesehen, wobei der engere Toleranzbereich vom weiteren Toleranzbereich eingeschlossen wird.

Wird nun der weitere Toleranzbereich überschritten, so wird der Schraubvorgang vorzeitig beendet. Wird aber nur der engere Toleranzbereich, nicht aber der weitere Toleranzbereich überschritten, so werden vom Mikroprozessor der Schraubvorrichtung alle erfaßten Drehwinkel/Drehmomentwerte mit einer Zeitmarke über die serielle Schnittstelle an den übergeordneten Rechner zur Protokollierung der Daten weitergegeben. In diesem Fall ist nämlich ein leichterer Fehler aufgetreten, der eine sofortige Beendigung des Schraubvorganges nicht notwendig macht, aber bei dem eine qualitativ schlechte Schraubverbindung möglich, aber nicht sicher ist. Die im Ausführungsbeispiel auf einem Massenspeicher protokollierten Daten werden dann daraufhin untersucht, ob die Schraubverbindung verwendet werden kann, nachgearbeitet werden kann oder aber ob das Werkstück verschrottet werden muß.

In der bevorzugten Ausführungsform sind im Bereich 11 allerdings die Toleranzbereiche identisch.

Um die Daten in einer Belernphase zu ermitteln und um eine statistische Auswertung der Vorgänge zu ermöglichen, ist die Schraubvorrichtung des Ausführungsbeispiels aber noch mit zwei vom übergeordneten Rechner anwählbaren Speichermodi ausgerüstet.

Zum einen können auch bei jedem Schraubvorgang die erfaßten Daten über die serielle Schnittstelle an den Rechner zur dortigen Speicherung übertragen werden.

In einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Überwachung der Drehmomente redundant, aber mit zwei Sensoren betrieben, um die sonst notwendige Kalibration (z. B. wöchentlich) zu ersparen.

Die Adaption hat den Zweck, im sehr sensibelen Bereich III einen relativ engen Toleranzbereich zuzulassen und dabei die Informationen zu verwenden, die in den voranliegenden Bereichen angefallen sind. Wesentlich für die Korrektheit der Verschraubung im Bereich III ist die Steigung der Drehmoment/Drehwinkelkurve. Die Lage der Kurve - unabhängig von der Steigung - ist dagegen im wesentlichen eine Funktion der vorangegangenen Gleitreibung und der Schraubenlänge. Beide Parameter sind weniger kritisch. Die Adaption geschieht nun dadurch, daß mit weitem Toleranzbereich die Lage der Kurve im Bereich III, mit engem Toleranzbereich aber die Steigung überwacht wird, indem das Toleranzband an die Historie adaptiert wird (Fig. 6). Zum anderen ist nach einem vorgebbaren Auswahlschema - das im Ausführungsbeispiel eine zufällige Auswahl, eine vorgegebene Sequenz oder eine von außen gesteuerte Auswahl einschließt - eine Protokollierung auch der Schraubsequenzen möglich, die erfolgreich abgeschlossen wurden, bei denen also auch der engere Toleranzbereich nicht überschritten wurde.

Die bevorzugte Ausführungsform kommt insbesondere bei solchen Verschraubungsvorgängen zum Einsatz, die manuell oder zumindestens nicht vollautomatisch ablaufen. Für diese Vorgänge ist es auch von Bedeutung, daß auch die Position der Verschraubung im Raum, also die Stelle, an der die Schraubverbindung durchgeführt wird, überwacht und protokolliert werden kann. Wenn zum Beispiel nur eine bestimmte Sequenz von Verschraubungen zu einer optimalen Verbindung führt, dann ist die Einhaltung der Sequenz ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Die Position der Verschraubung wird mit zwei, in der bevorzugten Ausführungsform senkrecht aufeinander stehenden optischen Meßvorgängen erfaßt, bei denen in jeder Richtung (x und y), die wiederum senkrecht auf der Richtung der Verschraubung stehen, mit einer in Fig. 5 mit 100 und 101 bezeichneten Reihe von optischen Sensorelementen, "charged coupled devices" genannten Zeilendetektoren, mit Hilfe einer aus einer Lochblende und einer Linse bestehenden optischen Abbildungsvorrichtung 102, 103, der Winkel des Schraubkopfes zu dieser Lochblende gemessen wird. Es können dabei auch mehrere Objekte 110, 111 unabhängig voneinander in Echtzeit, in ihrer Position erfaßt werden. Ein Prozessor 105 ist dabei in der Lage, die verschiedenen Winkel zu x,y-Positionspaaren zu verarbeiten. Die Objekte werden in der Ausführung von Beleuchtungseinrichtungen 106 und 107 beleuchtet. Der Schnittpunkt der, die Winkel definierenden Strahlen ist nun ein Maß für die Position des Schraubkopfes, wenn die Ebene der Messung parallel zum Werkstück gelegt wird. Auch diese Daten werden in der Vorrichtung mit Toleranzwerten, die allerdings mehr qualitativ daraufhin vorgegeben sind, daß diese Schraubposition und nicht eine andere benutzt wurde, verglichen und bei Fehlern kann die Vorrichtung abgeschaltet werden oder aber die Vorrichtung beginnt mit der Schraubtätigkeit nur bei bestimmten, zu einer vorgegebenen Schraubsequenz gehörenden Verschraubungsposition. Die Daten der Verschraubung werden gespeichert und können als Qualitätsnachweis dienen. Auf diese Weise ist eine Verschraubungssequenz sichergestellt und dies ist auch nachweisbar.

Des weiteren können auch "verbotene" Bereiche überwacht werden, d. h. es kann sichergestellt und dokumentiert werden, daß mit dem Schraubkopf oder anderen Gegenständen nicht in vordefinierte sensible Bereiche eingedrungen wurde.

Die nachfolgende Beschreibung gibt die Daten an, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel eingegeben und an den übergeordneten Rechner zur protokollierenden Speicherung ausgegeben werden.

Baugruppenspezifische Daten:

Produkt-Nummer P/N
Baugruppen-Bezeichnung
Anzahl Schrauben in der Baugruppe
Zulässiger Toleranzbereich (Sigma-Faktor)
Erstellungsdatum
Datum der letzten Änderung
für jede Schraube der Baugruppe:
- Sequenznummer
- Schraubennummer
- Hüllkurvennummer
- x/y-Position
- x/y-Toleranz

Werkstückspezifische Daten:

Werkstück-Serien-Nummer S/N
Bearbeitungsdatum
Parameter für jeden Schraubvorgang:
- Sequenz-Nummer
- Mittleres Moment im 1. Bereich
- Moment-Standardabweichung im 1. Bereich
- Geradensteigung im 3. Bereich
- Mittlere quadratische Abweichung der Punkte
- von der Gerade
- Abschaltwinkel
- Abschaltmoment
- Statusmeldung

Schraubenspezifische Daten:

Schraubennummer
Bezeichnung: Normbuchstabe Länge × Durchmesser in mm
Gewindeart
Steigung
maximal zulässiges Moment i
Schraubgeschwindigkeit w1 für Rücklauf
Schraub-Endgeschwindigkeit w2 für Vorlauf
Drehwinkelobergrenze a2, bis zu der w2 erreicht wird
Momentensprung-Daten

Hüllkurvenspezifische Daten
Hüllkurvennummer
Schraubenparameter:

1. Abschnitt:
Mittleres Moment
Moment-Toleranz
Bereichsendwinkel
2. Abschnitt:
mittleres Füge-Moment
maximales Füge-Moment
maximaler Füge-Winkel
3. Abschnitt:
Kurvensteigung
Mittlere quadratische Abweichung der Punkte
Abschaltmoment
Toleranz
Abschaltwinkel
Toleranz

Belern-Modus:

Schraubtest durchführen:
Statistische Auswertung der Hüllkurvenparameter.
Der Sigma-Faktor wird den baugruppenspezifischen Daten entnommen.
Ein Schraubvorgang unterteilt sich in 3 Abschnitte.

Der erste Abschnitt verläuft vom Startwinkel 0 bis zu dem Moment, an dem das Einsetzen der Steigung erkannt wird. Dies geschieht vom Ende des Schraubverlaufs aus, indem die Meßpunkte abschnittsweise verdichtet und nach Unterschreiten einer Mindeststeigung und Einzelpunktanalyse ein Grenzpunkt (a2, M2) festgelegt wird. Über alle Moment-Meßpunkte bezüglich der aktuellen Schraube innerhalb dieses Bereiches werden die statistischen Parameter bestimmt:
Mittleres Moment
Standardabweichung des Moments.

Die Abschnitts-Hüllkurve erhält dadurch die Begrenzungen.

Der zweite Abschnitt umfaßt ein Rechteck um den Punkt, bei dem der erste Abschnitt im Mittel endet: Als statistische Parameter erhält man:
Mittleres Moment
Standardabweichung Moment
Mittlerer Drehwinkel
Standardabweichung Drehwinkel

Anschließend bildet im dritten Abschnitt der Bereich vom zweiten Abschnitt bis zum Ende der Schraubung einen durch seine Kurvensteigung und zulässige Abweichung charakterisierten Schlauch. Die Steigung wird über eine Regressionsanalyse, die Toleranz über die mittlere quadratische Abweichung der Punkte von der errechneten Kurve bestimmt. Aus dem Mittel aller untersuchten Werkstücke erhält somit die statistischen Parameter:
Mittlere Kurvensteigung
Mittlere Abweichung

Es folgt wieder ein Rechteck für den dritten Abschnitt, das um den mittleren Abschaltpunkt herum gelegt wird, mit den statistischen Parametern:
Mittleres Moment
Standardabweichung Moment
Mittlerer Winkel
Standardabweichung Winkel

Folgende werkstückspezifischen Daten werden aufgenommen:
Werkstück-Nummer S/N (Barcode)
Datum der Fertigung
Sequenz-Nummer
Schrauben-Nummer
Mittleres Moment im 1. Bereich
Moment-Standardabweichung im 1. Bereich
Geradensteigung im 3. Bereich
Mittlere quadratische Abweichung im 3. Bereich
Abschaltwinkel (inklusive Nachlauf)
Abschaltmoment (maximaler Wert)
Statusmeldung

Protokoll-Daten im Belern-Modus
Kurvenspezifische statistische Parameter

1. Abschnitt:
Mittleres Moment
Standardabweichung des Moments
2. Abschnitt:
Mittleres Moment
Standardabweichung Moment
Mittlerer Drehwinkel
Standardabweichung Drehwinkel
3. Abschnitt:
Kurvensteigung
Mittlere quadratische Abweichung der Punkte von der Kurve
Mittler es Moment
Standardabweichung Moment
Mittlerer Drehwinkel
Standardabweichung Drehwinkel

X/Y-Positionsbestimmung:

Es wird für jede Schraubenposition der Mittelwert und die Standardabweichung aller Positions-Testdaten gebildet und die Ergebnisse baugruppenspezifisch gespeichert.

Meldung am Bildschirm (a ist die Schraubenbezeichnung):
Schraube a an Position X/Y einschrauben.

Claims

1. Schraubvorrichtung mit:

- Mitteln zur Erfassung des Wertes des Drehmomentes,
- Mitteln zur Erfassung des Wertes des Drehwinkels,
- einem Speicher für Sollwerte von Drehmomenten in Abhängigkeit vom Drehwinkel, für Toleranzwerte als tolerierte Abweichung von den Sollwerten, sowie für die während des Schraubvorganges erfaßten Drehmoment- und Drehwinkelwerte,
- Mitteln zum Vergleich der während des Schraubvorganges erfaßten Werte mit vorgegebenen Sollwerten, und
- einem Signalgeber, der Abweichungen der Sollwerte von den erfaßten Werten außerhalb der Toleranzen signalisiert
gekennzeichnet durch
- Mittel zur Adaption der Lage mindestens eines Toleranzbandes an die Historie des aktuell durchgeführten Schraubvorgangs.

2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1 mit weiteren

- Mitteln zur Erfassung des Wertes der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels während des Schraubvorganges, und
- einem Speicher für Sollwerte der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels.

3. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Harmonisierung von Schraube und Gewinde zur Definition des Beginns des Verschraubungsvorganges.

4. Schraubvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonisierung durch Erfassung des Momentensprunges beim Einrasten von Schraube und Gewinde nach Drehung der Schraube gegensinnig zum Verschraubungsvorgang erfolgt.

5. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Differenzierung des Signals bei der Abweichung der Sollwerte von den erfaßten Werten außerhalb der Toleranzen,
wobei das Mittel zur Differenzierung des Signals differenziert zwischen:

- Ereignissen, die zu einem Abbruch des Schraubvorgangs führen, und
- Ereignissen, die ein Weiterführen des Schraubvorgangs erlauben.

6. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung der genannten Sollwerte durch das Einschrauben von Schrauben in die Gewinde.

7. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung des Schraubvorganges hinsichtlich der Drehrate und/oder des Drehmomentes mit Hilfe der erfaßten Drehwinkel- und Drehmomentenwerte.

8. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherung der während des Schraubvorganges erfaßten Drehmoment- und Drehwinkelwerte bei einem Bruchteil aller Schraubvorgänge nach einem vorgegebenen Auswahlmuster erfolgt, oder wahlweise bei jedem Schraubvorgang erfolgt.

9. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur redundanten selbstüberwachenden Erfassung des aktuellen Drehmomentes.

10. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Auslösung einer geeigneten Maßnahme nach Erzeugung eines der genannten Signale,

- wobei die Mittel zur Auslösung der Maßnahme nach der Erzeugung zumindestens eines der genannten Signale
- Mittel zum Abschalten der Schraubvorrichtung, sowie
- Mittel zur Speicherung der während des Schraubvorganges erfaßten Drehmoment- und Drehwinkelwerte und/oder der zeitlichen Ableitungen des Drehwinkels umfassen.

11. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin gekennzeichnet durch
Mittel zur Erfassung der Position der Schraubvorrichtung im Raum,
einen Speicher für Positionssolldaten sowie Toleranzwerten während des Schraubvorganges,
Mitteln zum Vergleich der Positionssollwerte mit den erfaßten Werten, und
Mitteln zur Erzeugung eines Signals, wenn die Abweichung zwischen der Positionssolldaten und den erfaßten Werten außerhalb der Toleranzwerte liegen.

12. Schraubvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel zur Erfassung der Position der Schraubvorrichtung im Raum zumindestens zwei, im wesentlichen aufeinander senkrecht stehende, optische Positionserfassungseinrichtungen zur eindimensionalen Erfassung der Position der Schraubvorrichtung umfassen, und
die Positionserfassungseinrichtungen in jeweils einer Richtung ein Objekt hinsichtlich seiner Position erfassen können.

13. Schraubvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionserfassungseinrichtungen jeweils eine Zeile von Punktsensoren (charged coupled devices) umfassen.

14. Schraubvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Mittel zur Erfassung der baugruppenspezifischen Vollständigkeit der Schraubverbindungen hinsichtlich der Anzahl der Schraubfälle; und
Mittel zur Erzeugung von zumindest einem Signal, falls eine Baugruppe als nicht vollständig erkannt wird.

15. Verfahren zum Einschrauben von Schrauben, Aufdrehen von Muttern und anderen Vorgängen, bei denen ein Außengewinde durch Drehbewegung mit einem Innengewinde verbunden wird mit folgenden Schritten:
daß während des Schraubvorganges das zur Drehbewegung aufzuwendende Drehmoment kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten erfaßt wird,
daß während des Schraubvorganges der Drehwinkel davon kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten erfaßt wird,
daß die erfaßten Werte mit gespeicherten Sollwerten verglichen werden,
daß bei der Abweichung der Sollwerte von den erfaßten Werten und Überschreitung von gespeicherten Toleranzwerten zumindestens ein Signal erzeugt wird, und
daß die Lage mindestens eines Toleranzbandes an die Historie des aktuell durchgeführten Schraubvorgangs adaptiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine zeitliche Ableitung des Drehwinkels während des Schraubvorganges kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten erfaßt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn des Schraubvorganges durch Erfassung des Momentensprunges beim Einrasten von Innengewinde und Außengewinde nach einer Drehung der Schraube gegensinnig zum Verschraubungsvorgang harmonisiert wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal bei der Abweichung der Sollwerte von den erfaßten Werten und Überschreitung von gespeicherten Toleranzwerten differenziert zwischen:

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubvorgang hinsichtlich der Drehrate und/oder des Drehmoments mit Hilfe der erfaßten Werte geregelt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte, daß die genannten Sollwerte durch das Eindrehen von zuvor vermessenen Schrauben in zuvor vermessene Gewinde durch Belernen ermittelt werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte, daß die Toleranzwerte durch das Eindrehen von Schrauben in Gewinde durch statistische Verfahren ermittelt werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte,
daß bei der Erzeugung eines der genannten Signale Maßnahmen zur Behandlung des Fehlers getroffen werden,
daß eine erste Maßnahme der Abbruch des Schraubvorganges ist, und
daß eine weitere Maßnahme die Aufzeichnung der erfaßten Werte in einem Datenspeicher ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte, daß bei fehlerhaften Sensoren zur Erfassung des Drehwinkels und/oder des Drehmoments zumindest ein Signal erzeugt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, gekennzeichnet durch die zusätzlichen Verfahrensschritte,
daß die Position der Schraubvorrichtung im Raum erfaßt wird,
daß die erfaßten Positionswerte mit gespeicherten Positionssollwerten verglichen werden,
daß bei einer Abweichung der erfaßten Positionswerte von den Sollwerten beim Überschreiten von gespeicherten Toleranzwerten zumindest ein Signal erzeugt wird,
daß bei Übereinstimmung der erfaßten Positionswerte nur bei den als "verboten" definierten Werten zumindest ein Signal erzeugt wird, und
daß bei Mehrdeutigkeit der Position zumindest ein Signal erzeugt wird.

25. Schraubvorrichtung oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassen und Vergleichen der Werte in Echtzeit durchgeführt wird.