CN101987639B - 带有旋转传感器的扭矩和接合处监测系统 - Google Patents

带有旋转传感器的扭矩和接合处监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于在制造过程中特别是在汽车工业中监测扭矩和接合状况的新的、改进的方法和设备。为了在制造过程中实现所需要的汽车装配件和紧固件的装配件，从数据存储装置中检索最优扭矩数据和最优接合处数据。张力传感器和旋转传感器监测扭矩状况和接合处状况，并指示控制器发送扭矩指令直到实现最优扭矩状况和最优接合处状况。

Description

带有旋转传感器的扭矩和接合处监测系统
技术领域
本发明涉及一种对所制造的装配件的检查，更具体地涉及在所制造的汽车装配件中对扭矩规格以及接合处规格的检查。
背景技术
在汽车装配过程中，有必要进行额外的错误检查。汽车装配过程需要以精确的方式将成百上千的装配件接合成最终的产品。不精确的装配给制造商和消费者造成时间、金钱和便利性的损失。对于制造商来说，在保修期对缺陷地接合的部件进行修理造成时间和费用上的损失。对于消费者来说，依据保单对缺陷地接合的部件进行修理，会造成时间和便利性的损失。此外，缺陷地接合的部件达不到设计的使用寿命。
在汽车装配过程中，其中一个关键步骤是接合多个汽车部件。对于最高品质的产品，一些类型的汽车部件必须被非常精确地接合。一些必要的精确性包括以精确的扭矩和接合处规格来接合部件。例如，如果两个部件需要可旋转地接合，则固定时采用过大的扭矩会导致较差的旋转性。相反地，过小的扭矩会导致包含被所接合装配件的单元过早地分离。人们的感觉和记忆的能力不足以用精确的扭矩来一致地接合部件，并且先前的制造过程没有使用各种手段来检查次优扭矩和接合处状况。因此需要通过改进目前的缺陷检查手段和增加新的缺陷检查手段来提高汽车部件的装配质量。此外，增加缺陷核查手段是有好处的，该缺陷核查手段能够随时间而完善，从而制造出质量更高的装配产品。本发明就是针对此目的提出的。
发明内容
本发明提出了一种用于在制造过程中特别是在汽车工业中监测扭矩和接合处状况的新的、改进的方法和设备。对于汽车构件和紧固件的给定期望装配件，确定最优扭矩和最优接合处状况并存入数据存储装置中。当在制造过程中遇到汽车构件和紧固件的期望装配件时，通过处理器从数据存储装置中检索最优扭矩数据和最优接合处数据。张力传感器和旋转传感器监测扭矩状况和接合处状态，并指示控制器发送扭矩指令，直到实现最优扭矩状况和最优接合处状况。以时间为条件，从扭矩紧固件确定所感测的扭矩，并从扭矩紧固件在一段时间上的可视坐标来确定所感测的扭矩。通过处理器对当前装配件与最优接合处数据的比较的分析确定所感测的接合处状况。如果扭矩状况或者接合处状况不是最优的，则控制器将发出指令到扭矩紧固件从而增加或者减小扭矩，直到达到最优扭矩状况和最优接合处状态。当达到最优扭矩状况和最优接合处状况时，控制器向操作员发出期望装配件已完成的信号。
本发明还提供了如下技术方案：
技术方案1.一种系统，用于从多个汽车构件和至少一个机械紧固件形成装配件，所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩并形成与所述装配件相关的最优接合处，所述系统包括：
紧固装置，所述紧固装置与处理器相通信并按照所述处理器的指示由控制器操作；
所述处理器适于从数据存储装置中检索数据，所述数据存储装置包含与所述装配件相关的数据，所述数据选自包括特征数据、扭矩数据和接合处数据的列表；
旋转传感器，所述旋转传感器与所述处理器通信并适于记录与装配件相关的可视信息，并发送所述记录的可视信息至所述处理器；借此所述处理器将所述所存储的数据和所述所发送的数据进行比较，和
通过所述紧固装置，所述控制器操作所述紧固装置来向所述机械紧固件提供扭矩，直到所述可视信息与所述特征数据、扭矩数据和接合处数据中的至少一个相对应。
技术方案2.根据技术方案1所述的系统，还包括张力传感装置。
技术方案3.根据技术方案1所述的系统，其中所述旋转传感器还包括用于从所述装配件的一边到另一边地传播光的发射装置。
技术方案4.根据技术方案3所述的系统，还包括接收所传播的光的图像探测器。
技术方案5.根据技术方案1所述的系统，其中所述旋转传感器还包括视场区域。
技术方案6.根据技术方案5所述的系统，其中所述旋转传感器还包括光学头，相对于在所述视场区域内定位的所述装配件移动所述光学头。
技术方案7.根据技术方案6所述的系统，其中所述光学头还包括模式发射装置和成像子系统。
技术方案8.根据技术方案7所述的系统，其中所述成像子系统还包括三线阵相机，借此所述相机和所述模式发射装置关于彼此成固定关系。
技术方案9.根据技术方案8所述的系统，其中所述三线阵相机还包括多个线状的探测器元件，所述多个探测器元件中的每一个都平行延伸。
技术方案10.根据技术方案1所述的从多个汽车构件形成装配件的系统，其中所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据，所述系统包括：
紧固装置，所述紧固装置适于向至少一个机械紧固件提供旋转力，所述紧固装置与张力传感器相关联；
控制器单元，所述控制器单元与所述紧固装置和处理器电子通信；
所述处理器适于从数据存储装置中检索数据并将所述数据发送至所述控制器；
所述数据包括与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据；
旋转传感器，所述旋转传感器与所述处理器电子通信；以及
在与所述张力传感器和所述旋转传感器通信的同时，所述控制器通过所述紧固装置向所述机械紧固件提供扭矩。
技术方案11.一种用于从多个汽车构件和至少一个机械紧固件形成装配件的方法，所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据，所述方法包括以下步骤：
(a)提供多个汽车构件，至少一个机械紧固件，紧固装置，控制器，处理器，具有可检索数据的数据存储装置和附近的旋转传感器，其中所述可检索数据包括与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据；
(b)所述旋转传感器向所述处理器发送包括所述多个汽车构件和所述机械紧固件在内的视场；
(c)所述处理器利用所述视场并与所述数据存储装置通信，来识别所述多个汽车构件和所述机械紧固件；
(d)所述处理器利用所述识别出的多个汽车构件和机械紧固件并与所述数据存储装置进行通信，来检索用于与所述装配件相关的所述多个汽车构件和所述机械紧固件的最优扭矩数据和最优接合处数据；以及
(e)与所述紧固装置和所述处理器电子通信的所述控制器，根据与所述张力传感器和所述旋转传感器通信的处理器，通过所述紧固装置向所述机械紧固件提供扭矩。
附图说明
图1是汽车装配站处的本发明实施例的平面图；
图2是本发明实施例的逻辑框图；
图3是旋转传感器和汽车构件的俯视图；
图4是旋转传感器和汽车构件的俯视图；
图5是替代的旋转传感器和汽车构件的俯视图；
图6A和图6B是在两个不同时间点的带有参照记号的紧固装置和旋转传感器的俯视图；
图7是最优扭矩状况的曲线图；
图8A，图8B和图8C是未达最优扭矩状况的曲线图；
图9是最优接合处状况的俯视图；
图10是未达最优/异常的接合处状况的俯视图。
具体实施方式
按照规定，这里揭示了本发明的具体实施例。然而可以理解的是，所揭示的实施例仅仅是本发明的示范性例子，其可以以不同的形式实施。因此，这里公开的具体结构和功能细节并不作为限制，而只是权利要求的基础和用于教导本领域技术人员用实际中任何适当结构以不同形式实施本发明的代表性的基础。
图1以可在制造场合中存在的方式描述了本发明的一个实施例。其中示出了汽车构件20a，20b、紧固件24、紧固装置28和旋转传感器。汽车装配件20a，20b可以是用来制造汽车的任意数量的构件。汽车构件20a，20b可以包括在汽车制造过程中任何必要的物件。例如，一个汽车构件可以是门20a’，另一个汽车构件可以是门把手20b’。通常，多个汽车构件20a，20b成对构成。尽管汽车构件20a，20b以门20a’和门把手20b’的形式示出，但本领域技术人员将明白本发明可用于监测其他产业的构件装配中的扭矩状况。
紧固件24优选为机械紧固件24，其可以是用于接合汽车构件20a，20b的任意数量的机械紧固件24。机械紧固件24可以是螺栓，螺栓与螺母组合件，螺钉，铆钉，销，或本领域已知的其他机械紧固件。所示出的实施例描述了机械紧固件24和汽车构件20b，机械紧固件24适于通过紧固装置28旋转。
紧固装置28可以是适于向机械紧固件24施加旋转扭矩的任意装置。优选的，紧固装置28应能够提供具有递增变化水平的瞬时扭矩。此外，如通常理解的，紧固装置28可以采用气动驱动方式或者电磁驱动方式。紧固装置28还适于与张力传感器进行电磁通信。虽然，优选的实施例采用电磁通信，但通信可以通过物理的或非物理的连接实现。
图1中示出张力传感装置30，在这里还被称作张力传感器，通常包括与旋转传感器通信的控制器52，而旋转传感器在这里被称作成像器。张力传感器适于通过控制器52与紧固装置28进行通信。
众所周知，控制器52可以是任意的基于电子处理器54的系统，该系统适于按照例如如图2所示的指令集执行程序指令。优选的，通用可编程微处理器能够包括用于控制器52的指令集。此外，控制器52优选地包括输入/输出装置，适于存储数据的电子可检索的存储装置56，嵌入的或用编程预先确定的指令集，以及用于与各种相关设备可操作通信的通信接口。例如，控制器52应适合于与旋转传感器的通信接口、与紧固装置28的通信接口、和与电子可检索数据存储装置56的通信接口。控制器52通常按照由图2中的逻辑图所表示的示例性指令集进行操作。
从控制器52到旋转传感器和紧固装置28的接口可以是物理的或非物理的接口。物理接口可以以电缆或光缆为代表，其中控制器52可以向旋转传感器和紧固装置28发送信号和从其接收信号。非物理接口可以以电磁通信或光通信为代表，其中控制器52向旋转传感器和紧固装置28发送电信号和从其接收电信号。通过每一类型的接口，控制器52都可以向紧固装置28和旋转传感器发送信息(例如指令或者数据)和从其接收信息(例如指令或者数据)。
如图3，图4和图5中所示，旋转传感器包括光源或发射装置62和成像器66，光源或发射装置62传播从构件20b的一边到另一边的光64，成像器66接收所传播的光64。这种设备在美国专利US6522777中已经公开，该文献通过引用并入本文。
参照图1-4，通过处理器54与控制器52进行通信的旋转传感器，使用二维和三维信息来分析汽车构件20a的可视状况。这种分析可包含汽车构件的可视特征，可视特征包括尺寸、颜色、反射、深度和其他可视特征。
如进一步所示，旋转传感器包括成像器66和发射装置62，相对于汽车构件20a移动所述成像器66和发射装置62，汽车构件20a位于与旋转传感器相关联的视场区域内。使光64的发射模式(例如条纹模式或线模式)从汽车构件20a的表面的一边扫描到另一边，基于反射光对该发射模式进行分析，并且该发射模式用于得到和绘制出与汽车构件20a相关联的三维表面。该模式发射装置62发射线模式，成像器66包括作为成像装置的三线阵相机66’。相机66’和至少一个模式发射装置62保持成彼此固定的关系。三线阵相机66’包括多个线状的探测器元件80，每一个线状的探测器元件80具有相同的固定数量的像素并且每个线状的探测器元件80沿着与光线64模式平行的方向延伸。成像器66与发射装置62的几何结构布置成使得每一个线状的探测器单元80获取由模式发射装置62发射出的线模式中的不同相位。当使成像器66和发射装置62从感兴趣的目标(即汽车构件20a)的一边扫描到另一边时，线状的探测器单元80将可视数据发回至处理器54。根据从每一个线状的探测器单元80获得的强度读数确定汽车构件20a上每一个点的相对深度，这些强度读数对应于汽车构件20a上的相同点。发送这些点中每一个点的数据，并且通过这些点的集合形成了视场。另选的，旋转传感器的这方面可以采用不同的系统，例如云纹干涉传感器系统，以获得视场。图5中示出了云纹干涉传感器系统。
张力传感方法的讨论在美国专利US4738145中公开，在此通过引用并入本文。紧固装置28可包括机械张力传感器，但本实施例中采用的张力传感方法使用处理器54来分析来自旋转传感器的可视反馈和由紧固装置28提供的扭矩。如图6A，6B中所示出的，在这种张力传感方法中，在紧固装置28紧固汽车构件20a，20b的同时，旋转传感器能够监测紧固装置28。旋转传感器能够监测机械紧固件24由于紧固装置28所施加的扭矩而引起的所行进的转动距离。同时，紧固装置28向控制器52提供关于施加的扭矩的反馈。通过旋转信息和扭矩反馈，处理器54能够监测随时间的扭矩并分析、预报不同的扭矩情况。
图7表示了扭矩随时间变化的样本曲线，示出了最优的扭矩数据，在紧固过程中没有异常扭矩迹象。图8A，8B和8C表示了非最优的扭矩数据，在紧固过程中有异常的扭矩迹象。这些异常扭矩迹象可包括频繁变化的斜率或者正弦变化的扭矩。
除了张力传感外，本实施例中的旋转传感器还监测所接合的表面。在汽车构件20a，20b通过紧固件24接合在一起后，在所接合的表面处形成接合处。除了监测扭矩外还监测接合处的状态比单一的监测技术更具有优势。例如，汽车装配过程中所使用的典型机械紧固件的制造公差可给出对所接合的表面的有限推断而可能不会发现次优紧固事件。例如，用于紧固汽车构件20a，20b的螺栓24可引起不一致的制造公差，不一致的制造公差可导致不一致的螺纹密度。这种不同的螺纹密度需要不同的最优旋转距离，这继而为了形成最优的接合处又需要额外的扭矩。用这种方法，传统应用只能对次优接合处提供有限的提前检测，这种有限的提前检测与本发明中改进的旋转传感器应用相比可能导致过早失效。
与数据存储装置56和旋转传感器通信的处理器54能够对有次优接合处进行早期检测。当用紧固件24接合汽车构件20a，20b后，旋转传感器记录包括位于接合的表面之间的接合处在内的视场。之后旋转传感器将此信息发送至处理器54进行分析和用存储装置56进行可检索的存储。
与数据存储装置56进行通信的处理器54对视场的特征进行分析，并将这些特征与数据存储装置中储存的已知特征进行匹配，从而评估已观测到的视场中出现的所接合的构件20a，20b和22的性质。举例说明，所传递的视场可包括某些几何形状、其他特征以及可视数据。处理器54可分析所记录的视场，并将这些形状与从数据存储装置56中检索到的数据中的形状进行比较。当形状匹配发生时，处理器54协同数据存储装置56能将此形状与具体类型的汽车构件或具体类型的紧固件关联。处理器54对视场数据进行循环访问，直到识别了视场内的所有汽车构件和紧固件。尽管使用形状作为数据的“关键字”或“索引”，但本领域技术人员能够知道其他的可视信息(单独或组合地)也可用来对汽车构件或紧固件24进行识别。
然后，与数据存储装置56进行通信的处理器54，对于视场内给定的汽车构件20a，20b和紧固件24，使用所接合的表面组合作为最优接合处数据的关键字，从在数据存储装置中可检索地存储的数据检索出最优接合处数据。当紧固装置28向紧固件24施加扭矩时，与旋转传感器通信的处理器54比较最优接合处数据和视场内的装配件的接合处数据。
数据存储装置56包含关于多个汽车构件和多个汽车紧固件的数据。所存储的数据可被整理为数据库、表格、序列、或者之一或两个，其中行可以包括多个汽车构件、多个紧固件、用于多个汽车构件和多个紧固件的期望装配件的最优扭矩数据、实现用于多个汽车构件和多个紧固件24的期望装配件的最优扭矩规格所需的旋转距离和最优接合处状况的可视指示符。
在装配过程中的分配和激活之前，可预先装入数据存储装置56上的各部分数据。在装配过程中用到的每一汽车构件，唯一的标识符和其可视表示被可检索地存储在存储装置56上。对于装配过程中用到的每一紧固件24，存储唯一的标识符和其可视表示。在制造过程中，对于汽车构件和紧固件24的每一期望装配件，处于最优扭矩和最优接合处状况的接合装配件的可视表示或与可视表示相对应的数字表示可被存储以用于检索、分析、和与观测状况进行比较。
随着时间的过去，基于所记录的观测，数据存储装置56上的数据会被更新和增加。与质量工程一样，也可随时间对最优接合处状况进行完善。当生产汽车构件和紧固件的给定装配件并将该装配件暴露到运行条件下时，可对最优扭矩数据和最优接合处数据进行完善。随着时间的过去，利用后续的转矩和接合处状况的可视表示并结合保单或其他外部数据，可改善所述数据。这种额外的对最优扭矩和最优接合处数据的完善使得将来的制造装配件中出现更少的次优装配件。
大体参考图2中的逻辑图，处理器54包括与本发明相关的指令。根据所示出的指令，存储装置56将被存入汽车构件和紧固件的信息。然后对在所观察的视场内的汽车构件20a，20b和紧固件24进行扫描104，112，接着处理器54识别106，114汽车构件20a，20b和紧固件24。之后旋转传感器记录包括汽车构件20a，20b和/或紧固件24在内的视场并将信息通过处理器54发送至存储装置56。处理器54使用从所观测的视场得到的特征(例如尺寸，颜色，发射率，深度和其他可视特征)或信息与数据存储装置56上之前记录的信息进行匹配108，116。对于视场中的每一项目，处理器54重复该步骤，直到识别所有的汽车构件和紧固件。
处理器54从存储装置56检索120用于相应的所装配的汽车构件和紧固件24的装配数据。处理器54将视场内的汽车构件和紧固件22的组合作为关键字来从数据存储装置54上的数据中检索装配信息120。所检索的用于给定的期望装配件的信息包括紧固汽车构件时用到的最优扭矩数据126和最优接合处数据128。
接下来汽车构件、紧固件和紧固装置被结合122。根据处理器54的指示，控制器52发送124扭矩指令到紧固装置28。同时，处理器54从旋转传感器接收可视信息。处理器54利用通过紧固装置28提供的指定扭矩与紧固装置28所行进的旋转距离的组合，所述旋转距离通过旋转传感器不断地传送紧固装置28的位置来确定。处理器54监测扭矩状况和接合处状况，并在扭矩状况和接合处状况未达到可检索地存储在数据存储装置56中的最优扭矩规格和最优结合处规格时，指示控制器52发送扭矩指令124。一旦处理器54确定最优扭矩状况已存在126，则处理器54再确定最优接合处状况是否存在128，如果否，则控制器将继续进行调整直到最优扭矩状况126和最优接合处状况都存在128。在评估接合处状况时，旋转传感器记录并发送包括接合处状况的视场，用于处理器54进行评估。然后处理器54将新装配的接合处的数据与从数据存储装置56中检索到的最优接合处数据进行比较。如果所述状况都在可接受的范围内，则控制器52用信号表示成功状况，并且使紧固装置28可操作地脱离。
上述详细的说明揭示了本发明的不同实施例，能够得知上述说明仅仅是例证性的但并不限于此。上述讨论的实施例以及其他未提及的实施例都在本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种系统，用于从多个汽车构件和至少一个机械紧固件形成装配件，所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩并形成与所述装配件相关的最优接合处，所述系统包括：
紧固装置，所述紧固装置与处理器相通信并按照所述处理器的指示由控制器操作；
所述处理器适于从数据存储装置中检索数据，所述数据存储装置包含与所述装配件相关的数据，所述数据选自包括特征数据、扭矩数据和接合处数据的列表；
旋转传感器，所述旋转传感器与所述处理器通信并适于记录与装配件相关的可视信息，并发送所述记录的可视信息至所述处理器；借此所述处理器将所述所存储的数据和所述所发送的所述记录的可视信息进行比较，和
通过所述紧固装置，所述控制器操作所述紧固装置来向所述机械紧固件提供扭矩，直到所述可视信息与所述特征数据、扭矩数据和接合处数据中的至少一个相对应。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括张力传感装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述旋转传感器还包括用于从所述装配件的一边到另一边地传播光的发射装置。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括接收所传播的光的图像探测器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述旋转传感器还包括视场区域。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述旋转传感器还包括光学头，相对于在所述视场区域内定位的所述装配件移动所述光学头。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述光学头还包括模式发射装置和成像子系统。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述成像子系统还包括三线阵相机，借此所述三线阵相机和所述模式发射装置关于彼此成固定关系。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述三线阵相机还包括多个线状的探测器元件，所述多个探测器元件中的每一个都平行延伸。
10.根据权利要求1所述的从多个汽车构件和至少一个机械紧固件形成装配件的系统，其中所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据，所述系统包括：
紧固装置，所述紧固装置适于向至少一个机械紧固件提供旋转力，所述紧固装置与张力传感器相关联；
控制器，所述控制器与所述紧固装置和处理器电子通信；
所述处理器适于从数据存储装置中检索数据并将所述数据发送至所述控制器；
所述数据包括与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据；
旋转传感器，所述旋转传感器与所述处理器电子通信；以及
在与所述张力传感器和所述旋转传感器通信的同时，所述控制器通过所述紧固装置向所述机械紧固件提供扭矩。
11.一种用于从多个汽车构件和至少一个机械紧固件形成装配件的方法，所述机械紧固件具有与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据，所述方法包括以下步骤：
(a)提供多个汽车构件，至少一个机械紧固件，紧固装置，控制器，处理器，具有可检索数据的数据存储装置和附近的旋转传感器，其中所述可检索数据包括与所述装配件相关的最优扭矩数据和最优接合处数据；
(b)所述旋转传感器向所述处理器发送包括所述多个汽车构件和所述机械紧固件在内的视场；
(c)所述处理器利用所述视场并与所述数据存储装置通信，来识别所述多个汽车构件和所述机械紧固件；
(d)所述处理器利用所述识别出的多个汽车构件和机械紧固件并与所述数据存储装置进行通信，来检索用于与所述装配件相关的所述多个汽车构件和所述机械紧固件的最优扭矩数据和最优接合处数据；以及
(e)与所述紧固装置和所述处理器电子通信的所述控制器，根据与张力传感器和所述旋转传感器通信的处理器，通过所述紧固装置向所述机械紧固件提供扭矩。
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