CN114850853A - 用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于简化热熔攻丝过程的方法和装置，其中，在该过程期间所做的功被纳入待观察的过程变量E中，该过程变量可以与模拟形成的对比值相比较，以便能判断所述过程的正确进程或有误进程。

Description

用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法和装置
本发明涉及一种用于接合方法、尤其热熔攻丝过程(以下简称为“螺纹连接过程”或“接合过程”)的方法和装置。在此，接合件在多个前后紧接的过程步骤中被送入到一个工件内，其中，“工件”一般应该是指两个相互待连接且彼此贴靠的零件。
接合件尤其可以是热熔自攻丝。相似的零件也被称为“热钻件”或“热熔成形压入销”。因此不言自明地，以下说明对于通用术语“接合件”按照简化术语以接合件具体设计来指称，即为“热熔自攻丝”或仅简称为“螺钉”。
在采用热熔自攻丝的本身已知的接合过程中，螺钉首先以其尖朝前的方式安放到工件上(定位)。接着，转数被提高并且螺钉以大的压紧力被压到工件上，其中，该工件材料发热并且开始软化。在大的压紧力和进而快速递减的转数下，螺钉接着直至螺纹部起点地被压入工件(穿透成形)。随着明显降低的转数，螺钉接着被拧入工件中并同时在其中形成螺纹(攻丝)。最后，螺钉以头部抵接的方式被拧入工件并被拧紧(最终拧紧)。
从一个过程步骤到另一个过程步骤的过渡应该被精确控制并且有目的地进行。例如从穿透成形到攻丝的过渡应该被准确检测。因为尤其是转数(但还有其它过程变量比如像压紧力)在此能够被改变，以便一方面只在钻进深度足够大时才开始攻丝，另一方面没有以过高转数钻入太深，以免妨碍按照螺距干净利落地形成螺纹。但是，所述过渡不必对应配属于就突发事件而言的某个时刻。取而代之，穿透成形也可以在连续的、通过调整或控制特性所控制的过程中过渡至攻丝。同样情况也适用于在热熔攻丝过程的其它过程步骤之间的过渡。在现有技术中，切换时刻例如通过测量钻进深度来确定。在此假定，穿透成形总是在例如螺钉头距工件表面的距离低于预定值时结束。但在此，工件厚度误差始终未予考虑。如果螺钉过早穿透工件，则螺钉的攻丝部分以过高转数和过程力插入工件中并由此或许损坏螺纹。
或者，从DE 10 2007 024 627 B3中知道了将钻进深度的梯度用作为切换标准。在此，例如监测单位时间的钻进深度。在工件材料开始熔融的时刻，螺钉钻入工件中。对于此时递增的梯度“单位时间钻进深度”，可以将“高出预定极限值”用作切换标准。
本发明的任务是提供一种用于控制并调整接合过程的替代解决方案，其基于对过程数据的监测。
该任务通过一种根据权利要求1的方法和一种根据权利要求9的装置来完成。其它有利实施方式来自从属权利要求。
本发明源于以下想法，即，基于在过程中所形成的过程变量E调整或控制该接合过程或单独过程步骤的启动，所述过程变量考虑了因执行接合过程而做的功或所耗的能。因为接合过程的单独过程步骤在正常进程中伴随(在一定误差内)典型的能耗，故能耗(或在接合过程中由参与的机器所做的功)可被考虑作为正常的或可能失败的接合过程的标准。在接合过程中生成的过程变量E为此可以与例如代表正常进行的接合过程的对比值E*相比较。如果过程变量(优选在可预定的误差内)不同于其所属的对比值E*，则它可被考虑为失败的接合过程的指示并且被用来进一步控制方法或输出相应的错误通报。
作为根据本发明的与能量相关的过程变量E的替代，理论上也可在接合过程期间监测若干不同的其它过程变量比如像转数N、转矩M、进给力F或钻进深度Z并与所属对比值比较。它们通常是相互影响的且在个别考量时并不总是给出接合过程进程正常(IO)或异常(NIO)的清晰标准。而该过程所用的能量或所做的功的独立考量提供简单而可靠的总标准，用于判断“IO”或“NIO”。
根据本发明的过程变量E伴随在接合过程期间所做的功来形成，所述功例如能够以千焦[kj]为单位来显示。该值例如可以借助参与接合过程的机器或马达的耗电来测量。在此，该过程变量E不一定必须是所做的功的实际数值或数字值，即便这因为操纵简单而是有利的。取而代之地也可以想到，过程变量E由一个辅助值来形成，该辅助值又代表所做的功。只要对于信号处理或要执行的比较而言更合乎目的，例如该过程变量E可以包含按照标准化形式(无量纲)或与一个或多个其它过程变量或因数相关的所做的功。于是，采用类似于过程变量所形成的对比值E*来进行比较。
根据本发明的比较E-E*还通过简单方式允许识别与接合件、材料特性或工件材料厚度相关的已有误差。穿透较厚材料尤其在穿透成形中需要更高的能耗。如果所确定的过程变量E在此超过在允许误差外的所属的对比值E*，则这可能被解读为不允许的大工件厚度的指示。而在攻丝时的过高能耗可能指明该接合件具有过大的直径。如果所做的功只在过程步骤“最终拧紧”中高出允许的对比值，这反之指明不允许的高拧紧力矩。
对比值E*优选是恒定的且例如被存在数据库内，数据库能够通过控制器被调用，该控制器控制该接合过程或为此所需的组成部件。在此可以想到对于接合过程中的不同的事件或时刻也存储不同的对比值E*。因此，例如根据本发明的一个有利实施方式而规定，对于一个或多个前述过程步骤(定位、穿透成形、攻丝、最终拧紧)分别存储一个自己的对比值E*，其代表用于在正常工作过程(IO)中的各自过程步骤的所需要的或典型的能耗。过程变量E在接合过程期间如此形成，即，它代表实际上针对这些过程步骤所耗的能量，从而在每个过程步骤结束时可以实现与各自对比值E*的相应比较。或者，也可以在整个接合过程范围内将针对这些过程步骤所耗的能量相加并且在每个过程步骤之后与相应形成的对比值相比较。以下例子应说明这一点：
在以下的表格中，单独地且以加和形式示出对于某个接合过程每个过程步骤所做的功：
Figure BDA0003687014580000031
过程变量或实际值E呈现实际上在接合过程中分别所做的功。目标值或对比值E*对于各自过程步骤说明一个典型值或上限值并且例如能存储在该控制单元可访问的存储单元内。在过程步骤“穿透成形”结束后，例如过程变量E(36.5kj)与对比值E*(37kj)之间的比较表明结果“IO”，因为它在此未高出作为该过程步骤的极限值所存的目标值。取而代之地，如果用于过程步骤“穿透成形”的过程变量E例如为50kj且进而明显高于所属的37kj对比值，则这表明过程步骤异常，比较结果于是为“NIO”。
也可以针对相加的能量或功来进行比较。在过程步骤“攻丝”结束后，根据以上例子，对于已结束的过程步骤的相应形成的实际值总体上为46kj，其中，所属的47.6kj目标值未被超过，从而也在此从所述比较中得到检查结果“IO”。所述相加以可预定的开始事件开始进行，其中，它例如可以是接合过程的开始(即过程步骤“定位”的开始)。如果应该通过过程变量E来测量仅某个过程步骤的或者从接合过程中的某个时刻或事件起开始的能量，则在各自过程步骤开始时或从接合过程的所选时刻或事件起相应进行相加。
作为对考量整个过程步骤或相加的所做的功的替代，该过程变量E也能代表能量梯度，例如当前单位时间所做的功(功率)或单位位移或钻进深度所做的功。相应构成的对比值又作为参考，用以将接合过程的进程识别为“IO”或者“NIO”。因此，比如对于过程步骤“穿透成形”适用的200j/ms最大梯度作为对比值E*被存储，该对比值对于结果“IO“来说不应被在此过程步骤期间相应的过程变量E高出。如果过程变量E高于对比值E*，则它可以指明难以穿透的材料。相反，若低于由对比值限定的梯度(即，当单位时间或单位钻进深度做了比较少的功时)，则表明接合件旋转但此时没有按计划钻入材料中，即，螺钉烧蚀。对于其它过程步骤，可以存储其它的对比值，其中，该控制单元设计用于考虑各自适用的对比值。
作为对比值E*，也可规定值范围，过程变量E应该位于该值范围内以便在两个值的比较中得到“IO”结果。该值范围可以通过上限值和下限值来描述。或者，也可以针对一个对比值E*规定一个允许误差(例如+/-10％或-3％到+15％)，其中，该过程变量E可以在如此得到的误差带内例如被评估为“IO”。
为了执行本发明的方法，适当地设有对过程变量E的检测进行相应控制的控制单元，它从存储单元中调取或者从其它数据中确定分别相关的对比值E*，执行E与E*之间的比较，根据比较结果输出控制信号和/或通报给操作者。
根据本发明的一个有利实施方式，所属的对比值E*依据某些对于该方法恒定的过程参数来选择。因此按照接合件和工件的特性(尤其是直径、长度、厚度、材料、期望的拧紧力矩、期望的过程持续时间等)而得到例如不同的过程变量E或对比值E*。适当地，于是针对具有这种恒定的、但视方法类型而变化的过程参数的接合过程，相应分别地在存储单元内存储不同的对比值，以便针对每个接合过程能够动用各自所属的对比值。
根据本发明的另一个有利实施方式可以想到，依据其它的在各自方法步骤中变化的过程变量来形成各自待考虑的对比值E*。因此例如可以针对在穿透成形期间实际所做的功存储所属的比较曲线，其对于每个时刻或每个钻进深度提供关于此前相加的功或当前所做的功的特定值。因此，对比值并非恒定，而是取决于过程变量“时间”或“钻进深度”。这种“紧密”结合接合过程来控制的对比值E*允许更精确地也在各个过程步骤内检查所述方法，例如以便能及时地中断有误的接合过程。
根据该方法的另一个有利实施方式，从其它的表征各自方法的数据中计算出一些或所有的对比值E*，而不是例如从在先尝试中依靠经验确定它。视接合过程、接合件和工件的类型的不同，可以针对各个过程步骤计算代表各自过程步骤进展正常的能量值。在某个过程步骤期间的过程变量E的变化(例如梯度“能量/时间”或者“能量/钻进深度”)可以在可容忍误差内来预先计算并作为合适的对比值E*来存储。
形成合适的对比值E*的另一可能方式在于，分别针对多个在先成功执行的接合过程检测过程变量E并且接着以合适形式作为用于未来的接合过程的对比值E*被存储(学习)和/或评估或记录。通过这种方式，可从成功接合过程的历史中设立合适的对比值，而没有以其它方式例如通过计算来确定它。
“根据本发明监测在接合过程所做的功”也可以有利地被用于针对最小能耗或所用工具的最长使用寿命来设定该过程的参数。通过优化切换时刻，例如可以降低能耗，因为转数可以在出现高转矩之前被降低。
由于在该过程期间所做的功根据本发明通过过程变量E被监测，允许很简单的过程控制。在接合过程中的过程变量E的变化(其也可称为能量曲线)以简单方式呈现有说服力的过程描述。与对比值E*或用作对比值E*且代表正常工艺过程的比较曲线的偏差可以快速被识别并被评估，用以纠正控制信号或中断过程。
根据本发明的接合装置设计用于执行上述方法。它优选包括控制单元，其控制执行该接合过程的组成部件(机器人、进给装置、马达等)。在方法控制的范围内，该控制单元获得如下信号，从该信号可以推导出该方法的各自过程变量，尤其是根据本发明代表在过程中所做的功的过程变量E。另外，该控制单元被设计成从与之相连的存储单元中调用存储在其中的对比值E*并与过程变量E相比较。例如在学习时，对比值E*也能够由该存储单元自己产生和/或存储在存储单元中。依据比较结果，该控制单元可以输出尤其也呈数字形式的相应的通报或信号，或者将其传送给这些组成部件，以便根据需要干预方法进程。
以下，应该依据图表来详细解释根据本发明的方法，其对于过程变量E呈现在上述表格所列的值。唯一的图1示出该图表，在此，通过非限制性的示例性方式关于时间绘制出作为过程变量E的在热熔攻丝过程(接合过程)期间由作为接合件的热熔自攻丝所做的功。该接合过程通过竖向分割线被分为在时间上先后进行的多个单独过程步骤。
在时间t＝0开始过程步骤“定位”，其持续约300ms。在此，该螺钉安放在工件上(定位)。在此所做的功(螺钉或接合件以轻微压紧力安放在工件上)合计约为0.5kj。
在该过程步骤结束之后是“穿透成形”，在此，该接合件在转数显著增大且压紧力增大的情况下被压到工件上。该工件由此被加热并且最终开始围绕螺钉尖熔化，从而螺钉能够被压入工件中。该过程步骤持续约240ms。能看到所做的功显著增大，仅针对这一过程步骤就约为36.5kj。作为加和曲线所记录的过程变量E因此在第三过程步骤开始时约为37kj。
在约540ms后开始的下一过程步骤中，接合件以显著降低的转数和基本恒定的进给量并以形成螺纹的方式被旋入该工件中(攻丝)。单位时间或钻进深度所做的功(能量梯度)在此基本恒定，并且加和曲线E在时刻t＝690ms线性升高至约46kj。
在螺纹完全形成之后，螺钉在第四过程阶段中以其螺钉头到达工件表面(头部抵接)，并且钻进深度随后不再显著改变。螺钉以最终拧紧力矩被拧紧(最终拧紧)，为此在约200ms内再次做约2kj的功。在整个接合过程中在约900ms内总共做了约48kj功，因此在接合过程结束时的过程变量E大致对应于该值。
图1举例示出多个对比值E1*、E2*、E3*、E4*，它们单独地或共同地可被考虑用于与过程变量E相比较，以便评估该接合过程的正确进程。
第一对比值E1*被设计为曲线，其代表在第二过程步骤“穿透成形”期间待做的功的最大值。E1*针对该过程步骤内的每个时刻说明待做的功的下述值，当该标准“IO”还应被视为满足时，受监测的过程变量E不应超过该值。如果过程变量E在该过程期间超出对比值E1*，则执行所述比较的控制单元能中断该接合过程并输出相应的通报。
按照相似方式，也作为曲线设计的第二对比值E2*代表与时间(或钻进深度)相关的能量值，该过程变量E为了满足标准“IO”而不应低于该能量值。
作为第三对比值E3*，规定一个恒定梯度[kj/t]，其描述单位时间所做功的最大允许变化，其还允许IO评估。代替对比值E1*和E2*或也作为其补充，第三对比值E3*可被考虑用于检查过程变量E的相应特性。与梯度E3*描述的情况相比，如果在该过程中所做的功E/t更快速地升高，则它可被用作中断标准(与之相似地，也可以预先规定最小梯度)。
最后，第四对比值E4*作为恒定值指称在穿透成形结束时允许的最高做功总量(在此例子中位于第一对比值E1*的曲线上)。如果仅考虑在其结束时总共所耗的功或能量就足以评估第二过程步骤，则第四对比值E4*可被单独使用，这总体上简化了所述评估。
原则上，不同的若干对比值可以按照同时或前后相继的方式被预先规定，以便能在连续过程中和/或在某些过程事件(例如过程步骤结束)时从E和E*的比较中用IO或者NIO来评估所述过程。特别优选地，对于这些过程步骤分别考虑至少一个仅被用于该过程步骤的对比值。

Claims (9)

1.一种用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法，其中，具有螺纹部的接合件、尤其是热熔自攻丝以转数(N)、转矩(M)和进给力(F)并按照位移(Z)(钻进深度)被送入且穿过工件，包括以下方法步骤：
a)在使用被用来执行该方法的能量或由此推导出的辅助值的情况下形成至少一个过程变量(E)；
b)将按上述方式确定的过程变量(E)与至少一个指定用于执行该方法的或在此期间所确定的对比值(E*,E1*,E2*…)相比较；
c)输出与所述比较相关的控制信号和/或显示信号，以显示该方法的正确或有误的过程和/或依据所述比较来控制该方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，按下述方式形成该过程变量(E)，即，
a)借助梯度，该梯度将当前所用能量或由此推导出的辅助值与时间(t)或所述钻进深度(Z)或所述转数(N)或所述进给力(F)相关联，或者
b)通过将由可预先规定的开始事件到可预先规定的方法事件期间所用能量或由此推导出的辅助值相加。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，该热熔攻丝过程被分为前后相继的多个过程步骤，其中，对于每个过程步骤在控制器内存储至少一个与之对应的对比值(E*,E1*,E2*…)。
4.根据权利要求2a和3的方法，其特征是，该过程变量(E)在过程步骤期间与对应的对比值(E*,E1*,E2*…)相比较。
5.根据权利要求2b和3的方法，其特征是，该过程变量(E)在一个或多个过程步骤结束之后与此前结束的过程步骤的各个对比值(E*)的加和相比较。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征是，该热熔攻丝过程包括以下过程步骤：
-将该接合件安放到该工件(定位)；
-增大该转数(N)并且将该接合件压抵该工件，直至该工件开始熔融，其中，该接合件接着以达到该螺纹部起点的程度被压入该工件中(穿透成形)；
-将该接合件旋入该工件中，同时在该工件内形成螺纹(攻丝)；
-将该接合件旋入该工件中，直到该接合件的头贴靠该工件，并且拧紧该接合件(最终拧紧)。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征是，为了与该过程变量(E)比较而被纳入考虑的对比值(E*,E1*,E2*…)依据过程参数来提供，其中，所述过程参数能够包含所述接合件的和/或所述工件的几何形状和/或材料。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征是，在使用针对多个在先成功结束的热熔攻丝过程所确定的过程变量(E)的情况下，其中一个或多个所述对比值(E*,E1*,E2*…)被自动产生并被存储在存储器内(学习)。
9.一种接合装置，其设计用于执行根据前述方法权利要求之一所述的方法，包括设计用于在所述过程变量(E)与相应的对比值(E*,E1*,E2*…)之间进行比较的控制单元，其中，该控制单元还设计用于依据比较结果且最好是在考虑可预先规定的误差的情况下中断该方法和/或输出相应的错误通报。
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