DD243462A1 - CONTROL DEVICE FOR SCREW DRIVES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung fuer Schrauberantriebe, die sich durch die Moeglichkeit der wahlweisen Realisierung des drehmoment-, drehwinkel- oder streckgrenzenorientierten Schraubenanzugverfahrens in komplexer Anordnung, wobei der jeweilige verfahrensbezogene Signalverlauf und die variablen Prozessparameter programmtechnisch vorgegeben werden koennen, auszeichnet. Ziel der Erfindung ist es, durch die wahlweise Vorgabe des jeweils optimalen Schraubenanzugverfahrens, bei Verwendung einer komplexen Steuereinrichtung fuer unterschiedliche Schraubfaelle im automatischen Prozess, Material- und Arbeitszeiteinsparungen zu erzielen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass einem Messwertgeber, der gleichermassen zur Erfassung drehmoment- und drehwinkelproportionaler Signale geeignet ist, eine drehmomentbezogene Signalverarbeitung, bestehend aus Messwandler, Zaehler und Zwischenspeicher und eine drehwinkelbezogene Signalverarbeitung, bestehend aus Zaehler und Zwischenspeicher und weiterhin jeweils eine Differenzbildung und eine Differenzquotientbildung, nachgeschaltet ist. Beide Signalgruppen werden vom programmgesteuerten Digitalkomparator, der mit dem Datenspeicher Sollwerte und mit dem Steuerprogrammgeber gekoppelt ist, verfahrensbezogen gesteuert und ausgewertet. Die Steuereinrichtung wird vorzugsweise in Form einer Mikrorechnerstruktur realisiert. Die Erfindung kann in automatischen Schraubstationen zur Realisierung vollautomatischer Prozessablaeufe eingesetzt werden.The invention relates to a control device for screwdriver drives, which is characterized by the possibility of selectively implementing the torque, angle of rotation or yield limit oriented screw tightening method in a complex arrangement, wherein the respective process-related waveform and the variable process parameters can be programmed programmatically specified. The aim of the invention is to achieve through the optional specification of the respective optimal screw tightening process, when using a complex control device for different Schraubfaelle in the automatic process, material and labor savings. According to the invention the object is achieved in that a transmitter, which is equally suitable for detecting torque and rotation angle proportional signals, a torque-related signal processing consisting of transducer, numerator and latch and a rotation angle related signal processing consisting of counter and latch and further each a difference and a difference quotient, downstream. Both signal groups are controlled and evaluated by the program-controlled digital comparator, which is coupled to the data memory setpoint values and to the control program generator. The control device is preferably realized in the form of a microcomputer structure. The invention can be used in automatic screw stations for the realization of fully automatic process sequences.
Description
Anwendungsgebiet der Erfindung .Field of application of the invention.
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zur Realisierung der drehmoment-, drehwinkel- und streckgrenzenorientierten Schraubenanzugverfahren mit Hilfe von geeigneten Schrauberantrieben.The invention relates to a control device for implementing the torque, angle of rotation and yield strength oriented screw tightening methods with the aid of suitable screwdriver drives.
Bekannt sind elektronische Steuereinrichtungen in den unterschiedlichsten Modifikationen, die die bekannten Schraubenanzugverfahren technisch realisieren.Are known electronic control devices in a variety of modifications that realize the known Schraubenanzugverfahren technically.
Schaltungsanordnungen zur Realisierung des drehmomentgesteuerten Schraubenanzugverfahrens werten den drehmomentproportionalen Motorstrom oder die Signale eines Drehmomentgebers in bekannter Anordnung aus, wobei beim Erreichen des Drehmomenthöchstwertes ein Abschaltsignal für den Schrauberantrieb ausgelöst wird. Typische Anordnungen werden in der DD-PS 212827 und in der DD-Erfindungsbeschreibung mit dem Aktenzeichen WP B B/2661784 beschrieben.Circuit arrangements for implementing the torque-controlled Schraubenanzugverfahrens evaluate the torque-proportional motor current or the signals of a torque sensor in a known arrangement, wherein when the torque maximum value is reached, a shutdown signal for the screwdriver drive is triggered. Typical arrangements are described in DD-PS 212827 and in the DD invention description with the file reference WP B B / 2661784.
Beim drehwinkelorientierten Schraubenanzugverfahren werden aufeinanderfolgend Drehmoment und Drehwinkel ausgewertet, wobei spezielle funktionell getrennte Geberanordnungen oder ein einheitlicher Geber, wie in der DD Erfindungsbeschreibung mit dem Aktenzeichen WP B 25 B/2767061 beschrieben, zur Anwendung kommen. Auch beim streckgrenzenorientierten Schraubenanzugverfahren, wie in der DE-OS 3143350 dargelegt, erfolgt eine Drehmoment-Drehwinkelauswertung, wobei bei jeweils gleichzeitiger Messung der Differenzenquotient ausweiden Werten gebildet und ausgewertet wird.In the angle-oriented screw tightening method, torque and angle of rotation are successively evaluated, whereby special functionally separate encoder arrangements or a uniform encoder, as described in the DD invention description with the file number WP B 25 B / 2767061, are used. Also in the yield limit oriented screw tightening method, as set forth in DE-OS 3143350, there is a torque rotation angle evaluation, wherein in each case simultaneous measurement of the difference quotient eviscerate values is formed and evaluated.
Moderne automatische Prozeßstufen beinhalten zunehmend komplexe Verfahrensabläufe, auch in der Schraubtechnik, wobei z. B. eine vollautomatische Schraubstation mit freiprogrammierbarer Schrauberpositionierung nicht nur unterschiedliche, programmtechnisch vorgegebene Werte des Schraubenanzugdrehmomentes sondern auch unterschiedliche Schraubenanzugverfahren möglichst gleichermaßen realisieren sollte. So ist es durchaus gegeben, daß Verkleidungen an einem Erzeugnis rationell drehmomentkontrolliert verschraubt werden können, während möglichst vom gleichen Schrauberantrieb am gleichen Erzeugnis hochbelastete Schraubenverbindungen drehwinkel- oder streckgrenzenkontrolliert verschraubt werden können.Modern automatic process stages include increasingly complex procedures, including in the screwing, z. B. a fully automatic screwing with freely programmable screwdriver positioning not only different, programmatically predetermined values of the screw tightening torque but also different screw tightening should implement as possible alike. So it is quite possible that panels can be bolted to a product rationally controlled torque, while possible screwed from the same screwdriver drive on the same product highly loaded screw connections angle of rotation or yield limit controlled.
Die den Stand der Technik repräsentierenden Steuereinrichtungen und Schaltungsanordnungen realisieren jeweils nur ein spezielles Schraubenanzugverfahren und genügen damit den zunehmend komplexer werdenden Anforderungen vollautomatischer Herstellungsprozesse auf Grund beschränkter verfahrensspezifischer Anwendungsmöglichkeiten nicht mehr.The state of the art representing control devices and circuit arrangements realize each only a special screw tightening process and thus no longer meet the increasingly complex requirements of fully automated manufacturing processes due to limited process-specific applications.
Ziel der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung für Schrauberantriebe zu entwickeln, mit deren Realisierung und Anwendung Material- und Arbeitszeiteinsparungen erreicht werden durch die Schaffung einer komplexen Anordnung mit einheitlicher Eingangs- und Ausgangssignalgestaltung und optimaler aufwandsminimierender Mehrzweckanwendung hinsichtlich der Wahl des jeweils optimalsten Schraubverfahrens.The aim of the invention is to develop a control device for screwdriver drives, with the realization and application material and labor savings can be achieved by creating a complex arrangement with a uniform input and output signal design and optimal effort minimizing multi-purpose application with regard to the choice of the most optimal screwing.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für Schrauberantriebe zu entwickeln, die mit einheitlicher Eingangs- und Ausgangssignalgestaltung die drehmoment-, drehwinkel- und streckgrenzenorientierten Schraubenanzugverfahren in komplexer Form wahlweise realisiert.The invention has for its object to develop a control device for screwdriver drives that realized with a uniform input and output signal design, the torque, angle of rotation and yield strength oriented screw tightening in complex form optional.
Dabei soll der technische Aufwand durch die Zusammenfassung der bei allen Schraubenanzugverfahren gleichartigen Funktionsabläufe und deren komplexe Verkettung, auch unter Anwendung der Prozeßrechentechnik, wesentlich vermindert werden.In this case, the technical complexity by the summary of the same in all Schraubenanzugverfahren functional sequences and their complex concatenation, even with the use of process control technology to be significantly reduced.
Durch programmtechnische Vorgabe verfahrensbezogener Parameter zur wahlweisen Realisierung des jeweils technisch optimalen Anzugverfahrens und einzelner Anzugwerte einschließlich deren Toleranzgrenzen, soll die erfindungsgemäße Einrichtung, gegenüber bekannten Anordnungen zur Realisierung jeweils eines Verfahrens, damit Forderungen, die aus der Sicht hochintegrierter automatischer Montageprozesse zunehmend gestellt werden, erfüllen.By program specification of process-related parameters for the selective realization of each technically optimal suit process and individual tightening values including their tolerance limits, the device according to the invention, compared to known arrangements for implementing each method, so that demands that are increasingly made from the perspective of highly integrated automatic assembly processes meet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine geeignete Meßwertgeberanordnung zur einzelnen, parallelen oder aufeinanderfolgenden Erfassung drehmoment- und drehwinkelproportionaler Signale, vorzugsweise in Form drehelastisch angeordneter Radialgitterscheiben in bekannter Anordnung mit optoelektronischer oder kapazitiver Auswertung, verwendet wird.According to the invention the object is achieved in that a suitable transducer arrangement for individual, parallel or sequential detection of torque and rotation angle proportional signals, preferably in the form of torsionally arranged radial lattice disks in a known arrangement with optoelectronic or capacitive evaluation, is used.
Die digitale Auswerteanordnung der erfaßten Signale enthält einen Meßwandler, eine drehmomentproportionale Signalverarbeitung, bestehend aus Zähler, Zwischenspeicher, Differenzbildung Drehmoment sowie eine drehwinkelproportionale Signalverarbeitung, bestehend aus Zähler, Zwischenspeicher, Differenzbildung Drehwinkel und weiterhin eine Differenzenquotientbildung.The digital evaluation arrangement of the detected signals includes a transducer, a torque-proportional signal processing consisting of counter, latch, torque difference and a rotation angle proportional signal processing, consisting of counter, latch, difference rotation angle and further a difference quotient.
Beide Signalgruppen werden im programmgesteuerten Digitalkomparator,dermitdem Datenspeicher Sollwerte und mit einem Steuerprogrammgeber in Verbindung steht, verfahrensbezogen zur Gewinnung eines Abschaltsignales ausgewertet. Diese Anordnung realisiert erfindungsgemäß wahlweise das drehmoment-, drehwinkel- und streckgrenzenorientierte Schraubenanzugverfahren, wobei der jeweilige Signalverlauf und die Signalverarbeitung rechentechnisch vom Steuerprogrammgeber bestimmt werden.Both signal groups are evaluated in the program-controlled digital comparator, which is in communication with the data storage setpoints and with a control programmer, in a process-related manner in order to obtain a shutdown signal. According to the invention, this arrangement optionally realizes the torque, angle of rotation and yield-strength-oriented screw tightening method, wherein the respective signal course and the signal processing are determined by the computer by the control program generator.
Beim drehmomentorientierten Schraubverfahren wird in bekannter Weise während des Schraubvorganges das Meßsignal über den Meßwandler gewonnen, dem Zähler periodisch zugeführt und vom Zwischenspeicher im festgelegten Meßzeitintervall übernommen. Der Digitalkomparator vergleicht den Istwert mit den vom Datenspeicher vorgegebenen Sollwert und liefert dem Schrauberantrieb das Abschaltsignal.When torque-oriented screwing the measuring signal is obtained via the transducer in a known manner during the screwing, periodically fed to the counter and taken from the cache in the specified measuring time interval. The digital comparator compares the actual value with the setpoint specified by the data memory and supplies the screwdriver drive with the shutdown signal.
Das drehwinkelorientierte Schraubenanzugverfahren wird in der ersten Prozeßstufe gleichermaßen realisiert, wobei der Digitalkomparator das entsprechende Umschaltsignal auf Drehwinkelauswertung liefert, nachdem der vom gleichen Datenspeicher vorgegebene Sollwert der Fügeschwelle erreicht worden ist.The rotational angle-oriented Schraubenanzugverfahren is equally realized in the first process stage, wherein the digital comparator provides the corresponding switching signal on rotation angle evaluation, after the predetermined data set from the same setpoint of the joint threshold has been reached.
Die Drehwinkelauswertung erfolgt analog der Drehmomentauswertung über Zähler und Zwischenspeicher in Form eines Impulszählvorganges, der Digitalkomparator liefert das Abschaltsignal bei Übereinstimmung des Drehwinkelistwertes mit dem Sollwert des Datenspeichers.The rotation angle evaluation is analogous to the torque evaluation on counter and latch in the form of a pulse counting, the digital comparator delivers the shutdown signal in accordance with the actual rotational angle with the setpoint of the data memory.
Beim streckgrenzenorientierten Schraubverfahren erfolgt in analoger Weise bis zum Erreichen des Sollwertes der Fügeschwelle eine Drehmomentauswertung wonach der programmgesteuerte Digitalkomparator auf parallele Drehmoment-Drehwinkelauswertung in jeweils einem Meßzeitintervall umschaltet. Verfahrenstechnisch erfolgt dabei in bekannter Weise die Bildung der Differenzenquotienten jeweils zweier aufeinanderfolgender Meßwerte, überschreitet diese Differenz einen vorgegebenen Wert, so wird ein Abschaltsignal ausgegebenIn the yield-limit-oriented screwing method, a torque evaluation is carried out analogously until the setpoint value of the jointing threshold has been reached, whereafter the program-controlled digital comparator switches over to parallel torque / rotation angle evaluation in a measuring time interval in each case. In terms of process technology, the formation of the difference quotients of two successive measured values takes place in a known manner, and if this difference exceeds a predetermined value, a shutdown signal is output
Die variablen Parameter werden vom Datenspeicher bereitgestellt. The variable parameters are provided by the data store.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawing shows:
Fig. 1: — das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen SteuereinrichtungFig. 1: - The block diagram of the control device according to the invention
Gemäß Fig. 1 besteht die Steuereinrichtung ausfolgenden Funktionsgruppen:According to FIG. 1, the control device has the following functional groups:
dem Meßwertgeber 1 mit nachgeschaltetem Meßwandler 2, den Istwertzählern für Drehmoment 3 und Drehzahl 8, den Zwischenspeichern für die Meßwerte von Drehmoment 4 und Drehzahl 9, zwei Funktionsgruppen Differenzbildung 5 und 10, dem Modul Differenzquotientbildung 6 und einem programmgesteuerten Digitalkomparator 7, der die erforderlichen Sollwerte vom Datenspeicher 11 erhält. Die Koordinierung der Funktionsabläufe erfolgt über einen Steuerprogrammgeber 12. Als Meßwertgeber wird im Anwendungsbeispiel eine nicht dargestellte torsionserzeugende Einrichtung in Form einer drehelastischen Kupplung verwendet. Die drehmomentproportionale Torsion wird von zwei gegeneinander verdrehbaren Radialgitterscheiben erfaßt, deren Überdeckungsgrad von einer optoelektronischen Abtasteinrichtung nach bekanntem Prinzip gemessen wird. Das erzeugte pulslängenmodulierte Signal mit drehmomentproportionalem Tastverhältnis wird im Meßwandler 2 in eine tastverhältnisproportionale Frequenz umgesetzt. Die erwähnte optoelektronische Abtasteinrichtung erlaubt die parallele Auswertung eines drehwinkelproportionalen Signals.the transmitter 1 with downstream transducer 2, the actual value counters for torque 3 and speed 8, the buffers for the measured values of torque 4 and speed 9, two function groups difference 5 and 10, the module difference quotient 6 and a program-controlled digital comparator 7, the required setpoints from the data memory 11 receives. The coordination of the functional sequences is carried out via a control program generator 12. As a transmitter, a torsion-generating device, not shown, is used in the form of a torsionally flexible coupling in the application example. The torque-proportional torsion is detected by two mutually rotatable radial lattice disks, the degree of coverage of which is measured by an opto-electronic scanning device according to the known principle. The generated pulse length modulated signal with torque proportional duty cycle is converted in the transducer 2 in a Tastverhältnisproportionale frequency. The mentioned optoelectronic scanning device allows the parallel evaluation of a rotation angle proportional signal.
Die für das gewählte Schraubenanzugverfahren jeweils erforderlichen Funktionsgruppen werden durch den · Steuerprogrammgeber 12 aktiviert.The respective functional groups required for the selected screw tightening method are activated by the control program generator 12.
1. Drehmomentgesteuertes Schraubenanzugverfahren1. Torque-controlled screw tightening method
Die aktuellen Istwerte des Drehmoments werden während des Schraubvorgangs in periodischen Zeitintervallen vom Zähler 3 erfaßt. Nach Ende jedes Meßzeitintervalls wird der Zählerstand vom Zwischenspeicher 4 übernommen. Der gespeicherte Istwert wird im Digitalkomparator 7 mit dem vorgegebenen Sollwert des Drehmoments verglichen. Bei Übereinstimmung von Soll- und Istwert wird ein Abschaltsignal für den Schrauberantrieb ausgegeben.The current actual values of the torque are detected by the counter 3 during the screwing operation at periodic time intervals. After the end of each measurement time interval, the count is taken from the buffer 4. The stored actual value is compared in the digital comparator 7 with the predetermined setpoint value of the torque. If the setpoint and actual value match, a shutdown signal is output for the nutrunner drive.
2. Drehmoment-drehwinkelgesteuertes Schraubenanzugverfahren2. Torque angle controlled screw tightening method
Bei diesem Verfahren wird die Schraube zunächst drehmomentkontrolliert bis zu einer Fügeschwelle angezogen. Die Auswertung der Meßdaten erfolgt analog zum drehmomentgesteuerten Schraubenanzugverfahren, wobei das Drehmoment der Fügeschwelle im Sollwertspeicher 11 vorgegeben werden muß. In diesem Zusammenhang wird bis zum Erreichen der Fügeschwelle eine Mindestzeit gesetzt. Wird diese unterschritten, das heißt das Fügemoment früher erreicht, so wird der Schrauberantrieb abgeschaltet und ein Fehlersignal ausgegeben. Nach ordnungsgemäß erreichtem Fügemoment wird der programmierte Drehwinkel abgefahren. Die Erfassung des Drehwinkelistwertes erfolgt dabei analog zur Drehmomenterfassung mittels Zähler 8 und Zwischenspeicher 9. Der Drehwinkel wird ab Erreichen des Fügemoments ausgewertet. Der Vergleich des zwischengespeicherten Istwerts mit dem im Datenspeicher 11 vorgegebenen Sollwert des Drehwinkels erfolgt wiederum im Digital-Komparator 7. Bei erreichtem Drehwinkel wird der Schrauberantrieb abgeschaltet.In this method, the screw is initially tightened torque controlled to a joint threshold. The evaluation of the measured data is analogous to the torque-controlled Schraubenanzugverfahren, wherein the torque of the joint threshold in the setpoint memory 11 must be specified. In this context, a minimum time is set until reaching the joint threshold. If this is fallen short of, that is, the joining torque reached earlier, the nutrunner drive is switched off and an error signal is issued. When the tightening torque has been reached correctly, the programmed angle of rotation is retracted. The detection of the rotational angle actual value takes place analogously to the torque detection by means of counter 8 and latch 9. The rotation angle is evaluated from reaching the joining moment. The comparison of the buffered actual value with the predetermined value in the data memory 11 of the rotation angle is again in the digital comparator 7. When the rotation angle of the screwdriver drive is turned off.
3. Streckgrenzengesteuertes Schraubenanzugverfahren3. Yield limit controlled screw tightening method
Auch hier wird zunächst analog zum drehmoment-drehwinkelgesteuerten Schraubenanzugverfahren bis zu einer festgelegten Fügeschwelle drehmomentkontrolliert angezogen. Wird das Moment der Fügeschwelle innerhalb des programmierten Zeitlimits erreicht, so wird ein bestimmter Drehwinkel gefahren und dabei nach Ablauf jedes Meßzeitintervalls der Drehmomentanstieg zweier zeitlich aufeinanderfolgender Messungen verglichen. Kommt die Schraube in den Bereich der plastischen Verformung, so verringert sich das Verhältnis Drehmoment/Drehwinkel und der Schrauber schaltet ab.Here as well, analogously to the torque-rotation-controlled screw tightening method, torque-controlled tightening takes place up to a defined jointing threshold. If the torque of the joint threshold is reached within the programmed time limit, then a certain angle of rotation is driven, and compared to the expiration of each measuring time interval, the torque increase of two temporally successive measurements. If the screw comes within the range of plastic deformation, then the ratio torque / angle of rotation decreases and the nutrunner shuts off.
Die Differenzbildung erfolgt zwischen den beiden Meßwerten zur Zeit Tn undTn_i jeweils parallel für Drehmoment und Drehwinkel in den entsprechenden Funktionsgruppen 5 und 10. Im anschließenden Modul Differenzenquotientbildung 6 wird aus den beiden Differenzen AMd = Mdn — Mdn -1 und Δφ = φη — φπ _ ι der DifferenzquotientThe subtraction takes place between the two measured values at time T n and T n _i in each case in parallel for torque and angle of rotation in the corresponding function groups 5 and 10. In the subsequent module difference quotient formation 6, the two differences AM d = M dn- M d n -1 and Δφ = φ η - φ π _ ι the difference quotient
— gebildet. Im Digitalkomparator 7 werden dann zwei aufeinanderfolgende Drehmomentanstiege verglichen und die- educated. In the digital comparator 7 then two consecutive torque increases are compared and the
Einhaltung eines vorgegebenen Maximalwerts geprüft. Der Schrauber schaltet ab bei Erreichen des programmierten Abfalls des Drehmomentanstiegs.Compliance with a predetermined maximum value checked. The nutrunner shuts off when the programmed torque increase occurs.
Die Sollwerte für alle drei Schraubenanzugverfahren werden im Einrichtbetrieb ermittelt und im Datenspeicher 11 abgespeichert.The setpoint values for all three screw tightening methods are determined in set-up mode and stored in the data memory 11.
Die Steuereinrichtung wird als Mikrorechnerstruktur realisiert.The control device is realized as a microcomputer structure.
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1986
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