CN114918655B - 用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法和装置 - Google Patents

用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法和装置 Download PDF

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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，在这里，过程参数及其平滑值二者之差被考虑作为改变其本身或其它过程参数的标准，以便尤其能确定贯穿成形和攻丝之间的切换时刻。

Description

用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于接合方法、尤其是热熔攻丝过程(以下也可被简称为“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一个工件中，其中，“工件”一般应该是指两个相互待连接且相接的零件。
背景技术
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，螺钉首先以其尖向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熔化。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，螺钉以头部抵接的程度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和/或进给量)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，以免阻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。在工件材料开始软化的时刻，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。
发明内容
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。
该任务通过根据本发明的方法和根据本发明的装置来完成。
本发明源于以下想法，即，基于在过程中出现的过程参数R及其平滑值R*来调整或控制接合过程或单独过程步骤的启动。从过程参数R的值获得的平滑值R*允许针对过程参数R的待预测的其它值进行预测。过程参数R的每个值R(t)因此可配属有一个预期的平滑值R*(t)。依据所选平滑方法和同时所用的系数，这些值R(t)和R*(t)以远近不同的程度并列。实际的过程参数R在此领先于平滑的过程参数R*，而平滑值R*的表示预测的曲线基于过程参数R的各自随后测得的实际值被相应连续修正。两值的差距通过差D(t)＝R(t)-R*(t)来描述。
过程参数值R在时刻t的骤变因此导致以下情况：比之针对仅渐变的过程参数R所预期的，该实际值R(t)更显著地不同于该时刻所预测的平滑值R*(t)，因此所述偏差或差D(t)增大。根据本发明，所述差D(t)应该被监测并且被用作切换标准，例如按照与预定阈值的比较。因此不同于现有技术，根据本发明没有监测过程参数的梯度并以此推导出切换标准。取而代之，过程参数与其平滑值之比较被用来随后例如通过改变过程参数而对所述方法施以影响。
或者也可以想到，代替过程参数与其平滑值之差，仅监测平滑曲线的变化走势，并且例如将其梯度评估为切换标准。通过适当选择的平滑方法，可以尽量紧密结合参数的实际曲线来校正平滑曲线，而不同时示出其各个波动或异值。平滑曲线的高于阈值的梯度因此也可以被评估为切换标准。
平滑值R*的计算可以按照不同的设定条件进行。它尤其可以是可按照一阶或更高阶计算的指数平滑。依靠经验确定的经验值或表征某个过程的各因数或系数可以纳入到平滑计算中。在此，技术人员有责任对适用于各过程参数的平滑方法和合适的修正值予以共同考虑。
原则上，所述差D(t)可以针对不同的过程参数及其平滑值来形成。所述差的评估可被用来改变一个或多个过程参数。待改变的过程参数可以是所述差中所考量的过程参数R本身。但也可以想到，依据针对某个过程参数R求出的差来改变其它的过程参数(M,N,F…)。过程参数R在此也可以作为多个过程参数的关联、例如作为其和数或乘积来形成。
所述差的评估或由此导致的对过程参数的影响可被局限到热熔攻丝方法的时间受限的部分。因此例如可以想到，在螺纹拧接过程开始时需要增大转数期间(例如约100ms)，不对关于作为过程参数的转数的差D进行评估，以确保达到最低转数。在达到最低转数后和/或在例如通过经验所确定的最短时间结束后，可以启动所述差的监测。或者，例如只有当螺钉钻入工件之后，才能将(随后用作过程参数R的)转矩M(t)的曲线与其平滑曲线M*(t)相比较，以便消去转矩曲线中的波动并且只在达到预定的平滑转矩值M*时才结束最终拧紧。
适当地，本发明方法的一个实施方式规定，利用转数N和/或转矩M和/或进给力F和/或钻进深度Z形成测得的和平滑的过程参数，最好按以下条件：R～(M·N)/(Z+β)，其中，
M代表传入螺钉中的转矩(例如通过转矩传感器或通过马达数据来测得)，
N代表螺钉转数(例如通过马达上的分解器或传感器来测知)，
Z代表螺钉钻入零件的钻进深度(通过位移测量系统或传感器来测量)，并且
β代表可预先规定的加数，其例如描述长度(如以毫米计)并且也可被选为零。
转矩M与转数N的乘积对应于功率P。
例如可以针对前述过程参数R之一采用技术人员已知的一阶指数平滑，按照已知的通用公式：R*(t)＝a·R(t)+(1-a)·R*(t-1)，
其中，平滑系数a在0到1之间，例如平滑系数可被选为a＝0.1。
适当地，如此设计本发明的方法，即，当该差D(t)超出预定阈值S时，转数N和/或进给力F被自动改变。例如可以规定，考虑了功率和钻进深度的过程参数R及其平滑值R*被用来求差D(t)＝R(t)-R*(t)。因为单位钻进深度的功率在工件材料开始熔化或构件尖端穿透了工件(进而应该结束穿透成形过程阶段)的时刻降低，故该差D(t)在此时刻增大或大于预定阈值S。如果这被探测且转数N随后被降低，则该方法可以转入攻丝过程阶段并且螺钉以降低的转数以及减小的力在钻入工件的钻进深度增大的情况下被拧入。
(比较结果“大于”或“小于”在此可能涉及差值或其绝对值，就像其适用于阈值S那样。如果将差D值与阈值S的值相比较，则过程参数R与其平滑值R*的超出阈值量的正偏差和负偏差被解读为切换标准。但该方法的一个特别优选的实施方式规定，仅朝向两个方向之一(正或负)的偏差满足该切换标准。例如如果将识别出“作为过程参数R所监测的转数N低于其平滑值R*达一定程度且因此所述差(R(t)-R*(t))相应表现为负”的情况，则将在比较时予以考虑的阈值S(视所述比较的计算运算而定)优选也选择为负。)
本发明方法的特点是，可以有利地确定最佳切换时刻，它不因螺钉几何形状(直径、长度、螺距)、材料或材料质量波动、厚度和接合连接的组合(待连接件)、进给力F以及为了拧入而向螺钉施力的攻丝工具的姿态、取向和安装而受到影响。
根据该方法的另一实施方式而规定，在考虑平滑参数曲线R*的在先达到的最大值R*max和可预先规定的过程值α的情况下最好按照以下条件形成阈值S，即：S＝R*max/α(α例如可以是实数，其针对该过程设定为恒定或从其它恒定的或可变的过程值推导出)。
由此，阈值S是依据平滑值的初次在过程中出现的且在先未知的最大值R*max被确定的，或与之成比例地被确定的。最大值R*max的较大的绝对值于是也导致被相应设定为更大的阈值S，从而将在切换时所考虑的差D(t)与动态确定的阈值相比较。这允许动态适配于在过程中出现的工作条件，并且切换标准或阈值S不必在先固定不变地确定。这是有利的，因为在螺钉穿透时刻前所需的能量视材料组合的不同而可能截然不同。作为阈值S的示例性值为5.5N/s。
本发明的方法优选包括以下方法步骤：
a)对热熔自攻丝施以转数N、进给力F、由此导致的转矩M以推动螺钉进入或穿过工件；
b)测得过程参数R(t)，其将施加至热熔自攻丝的功率P与螺钉钻入工件中的钻进深度Z相关联，其中，该功率P由转数N和转矩M的乘积表示，从而该过程参数R(t)满足以下条件：R(t)～P(t)/Z，其中，P(t)＝N(t)·M(t)；
c)确定该过程参数R的平滑曲线R*(t)；
d)将该过程参数R(t)与其平滑曲线R*(t)之差D(t)与阈值S相比较，以由此确定螺钉最前部段钻入或穿透工件的时刻。
根据本发明的接合装置设计用于执行前述方法，尤其设计成热熔攻丝装置。适当地，该装置为此包括控制单元，其中，该控制单元设计成：
a)输出和接收涉及螺钉的转数N、转矩M和钻入工件的钻进深度Z的信号；和/或
b)确定和/或存储与时间相关的和/或恒定的过程参数R、N、M、F、修正值α、β和阈值S；和/或
c)确定和存储至少一个平滑过程参数R*、R*max；和/或
d)依据平滑过程参数R*控制所述转数N和/或进给力F和/或转矩M并且评估前述值中的至少一个。
附图说明
以下应该结合示例图来详细解释本发明方法的实施方式，其中：
图1示出热熔攻丝过程的典型阶段；
图2示出在本发明一个实施方式中的本发明所监测的过程参数；
图3和4示出过程参数的两个可能曲线变化过程。
具体实施方式
图1以简化示意图示出热熔自攻丝过程的各个过程阶段。在过程阶段1中将螺钉安放在工件上(定位)。在过程阶段2中，螺钉转数和作用于螺钉的进给力被增大。零件由此发热且工件金属最终开始围绕螺钉尖熔化(穿透成形)。在过程阶段3中，螺钉能够以显著降低的转数和进给力钻入熔化的工件材料中。钻进深度此时基本上线性增大并且螺钉在工件中形成螺纹(攻丝)。在过程阶段4中，螺钉头到达工件表面(头部抵接)且钻进深度不再显著变化。螺钉以最终拧紧力矩被拧紧(最终拧紧)。整个过程在此实施例中持续约800ms时间。
图2示出过程参数R(t)曲线，其可由如下公式表述：R＝(M·N)/(Z+β)，且其关于(以加数β补充的)钻进深度Z地确定由转矩M和转数N构成的功率。过程参数R(t)在此过程期间以不同的程度经历波动，尤其取决于测量精度或螺钉和/或工件的材料特性。过程参数R(t)的指数平滑曲线由曲线R*(t)来表示。能看到平滑值R*(t)追随过程参数R(t)。在任何时刻t都可求出差D(t)＝R(t)-R*(t)。在大约时刻T＝350ms之前，该差或是大于零，或是其值小于阈值S的值。在时刻t＝T，工件材料软化到足够程度，使得螺钉随着转矩M减小和钻进深度Z增大而开始钻入工件中。关于钻进深度的功率、即过程参数R因此在此时刻T明显降低，确切说低于由平滑曲线预测的值R*(T)达如下程度，即，差D(T)“超出”阈值S(在具体情况下，差值为负且也小于负阈值S)。根据本发明，该现象被考虑作为切换标准，用以降低转数并可控地过渡至攻丝过程步骤。显然，其它过程参数也可按照相同的方式来“监测”并且考虑用来有针对性地改变自身或其它的过程参数。
图3和图4示出用于实施本发明方法的两个例子。图3示出具有较小绝对值的过程参数R(t)的曲线。作为切换标准考虑R(t)与R*(t)之间的负差，其在时刻t＝T超过(负)阈值(S)。该时刻比较快速地到达且因R相对于R*显著降低可被良好识别。图4示出螺钉仅缓慢钻入材料的情况，其中，在时刻t＝T，过程参数R(t)初次以如下程度小于其平滑值R*(t)，即，限定该情况的阈值被超出且切换过程被触发。在两种情况下，尽管过程参数R(t)的值和曲线彼此不同，切换时刻T也可以借助与平滑曲线R*(t)相比较而通过设定合适的阈值S来可靠精确地查明。

Claims (13)

1.一种用于监测和/或调整热熔攻丝过程的方法，其中，接合件利用转数(N)、转矩(M)和进给力(F)以钻进深度(Z)被推动穿过工件，该方法包括以下方法步骤：
a)采集过程参数(R(t))；
b)确定该过程参数(R(t))的平滑曲线(R*(t))；
c)确定该过程参数(R(t))与其平滑曲线(R*(t))二者的差(D(t))，其中，D(t)＝R(t)-R*(t)；
d)依据该差(D(t))改变过程参数(R,M,N,F…)；
利用该转数(N)和/或该转矩(M)和/或该进给力(F)和/或该钻进深度(Z)按照以下条件以可预先规定的加数(β)来形成测得的以及平滑的过程参数(R(t),R*(t))：
R～(M·N)/(Z+β)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述接合件是热熔自攻丝。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述平滑是一阶或二阶及以上的指数平滑。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征是，当该差(D(t))高于或低于可预先规定的阈值(S)时，触发所述过程参数(R,M,N,F…)的改变。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，在将所述平滑曲线(R*(t))的在先达到的最大值(R*max)和可预先规定的过程值(α)纳入考虑的情况下形成该阈值(S)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，该阈值(S)按照以下条件形成：
S＝R*max/α。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当达到阈值(S)≥D(t)时，触发所述转数(N)和/或所述进给力(F)的改变。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述改变是减小。
9.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
a)在转矩(M)下对接合件施以转数(N)和进给力(F)以推动该接合件穿过工件；
b)采集过程参数(R(t))，其将施加至该接合件的功率(P)与该接合件钻入该工件中的钻进深度(Z)相关联，其中，该功率(P)由该转数(N)和该转矩(M)二者的乘积表示，使得该过程参数(R(t))满足以下条件：R(t)～P(t)/Z，其中，P(t)＝N(t)·M(t)；
c)确定该过程参数的平滑曲线(R*(t))；
d)将该过程参数(R(t))与其平滑曲线(R*(t))二者之差(D(t))与阈值(S)相比较，以由此确定该接合件的最前部段穿透该工件的时刻；
e)当该差(D(t))高于或低于该阈值(S)时降低该转数(N)；
f)以在该工件内攻丝的方式将该接合件拧入该工件中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述接合件是热熔自攻丝。
11.一种接合装置，设计用于借助被设计成热熔自攻丝的接合件来执行根据权利要求1至10之一所述的方法。
12.根据权利要求11所述的接合装置，其特征在于，所述接合装置是热熔自攻丝装置。
13.根据权利要求11或12所述的接合装置，包括用于控制该方法的控制单元，其中，该控制单元设计用于：
a)输出和接收与所述热熔自攻丝的转数(N)、转矩(M)和钻入工件的钻进深度(Z)相关的信号；
b)确定和/或存储与时间相关的和/或恒定的过程参数(R,N,M,F)、修正值(α,β)和阈值(S)；
c)确定至少一个平滑的过程参数(R*,R*max)；并且
d)评估前述值以及依据所述平滑的过程参数(R*)控制所述转数(N)和/或所述进给力(F)和/或所述转矩(M)。
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