DE102005012413A1 - Production of screw connections comprises measuring the actual position and the theoretical position of the screwdriver using a laser beam between the screwdriver and a reference point lying next to the screwdriver on the workpiece surface - Google Patents

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Abstract

Production of screw connections comprises measuring the actual position and the theoretical position of the screwdriver using a laser beam between the screwdriver and a reference point lying next to the screwdriver on the workpiece surface. An independent claim is also included for a device for producing screw connections for carrying out the above method. Preferred Features: The measured actual position is electronically compared with the theoretical position and the comparison result is output as a signal. The comparison result is logically coupled with the signals controlling the screwdriver.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Präzisionsschraubverbindungen durch fortlaufendes Messen der IST-Position eines motorisch angetriebenen Schraubers und Vergleich mit einer vorgegebenen SOLL-Position. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The The invention relates to a method for producing precision screw connections by continuously measuring the actual position of a motor-driven Screwdriver and comparison with a given target position. The The invention further relates to a device for carrying out this Process.

Aus der DE-U-201 16 080 ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einem Handschrauber am freien Ende eines mehrachsig beweglichen Tragarms besteht, dessen Gelenke mit Drehstellungsgebern ausgestattet sind, anhand deren Ausgangssignale sich die Schrauberposition ermitteln lässt, so dass mit dieser Vorrichtung Präzisionsschraubverbindungen gemäß dem einleitend angegebenen Verfahren hergestellt und gewünschtenfalls auch protokolliert werden können.Out DE-U-201 16 080 a device is known which consists of a Hand screwdriver at the free end of a multiaxially movable support arm, whose joints are equipped with rotary position sensors, based whose output signals can determine the screwdriver position, see above that with this device Präzisionsschraubverbindungen according to the introductory one be prepared and, if desired, also logged can.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE-C-196 09 511 bekannt. Ihre Schrauberhalterung ermöglicht eine dreiachsig lineare Verschiebung des Schraubers und ist dementsprechend statt mit Drehstellungsgebern mit linearen Wegaufnehmern zur Ermittlung der IST-Position des Schraubers ausgestattet.A similar Device is known from DE-C-196 09 511. Your screwdriver holder allows one triaxial linear displacement of the screwdriver and is accordingly instead of with rotary encoders with linear transducers for identification the actual position of the screwdriver.

Beide bekannte Vorrichtungen ermöglichen zwar die Erkennung von fehlerhaften Schraubverbindungen durch Ausgabe eines IO- bzw. eines NIO-Signals. Erkannt werden also unter anderem fehlende oder fehlerhaft geschnittene Gewinde, fehlende Teile, insbesondere fehlende Unterlegscheiben, zu lange Schrauben usw.. Die Vorrichtungen sind jedoch aufwändig und setzen eine Werkstückausrichtung voraus, bei der die Verschraubung längs einer wenigstens annähernd lotrechten Achse vorgenommen werden kann. Vielfach sind jedoch Präzisionsverschraubungen unter beengten Platzverhältnissen und/oder in unterschiedlichsten Winkeln zur Lotrechten (einschließlich überkopf) notwendig, bei denen der motorisch angetriebene Schrauber nur von Hand geführt werden kann.Both Although known devices allow the detection of incorrect screw connections by output an IO or an NIO signal. Among other things, you will be recognized missing or incorrectly cut threads, missing parts, in particular missing washers, screws too long, etc. The devices but they are expensive and require workpiece alignment, at the screwing along one at least approximate vertical axis can be made. In many cases, however, are precision fittings in confined spaces and / or at different angles to the vertical (including overhead) necessary, in which the motor-driven screwdriver only from Hand guided can be.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, das sich auch unter den genannten, erschwerten Bedingungen mittels eines kompakten, im wesentlichen handelsüblichen Schraubers ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand durchführen läßt.The Invention is based on the object, a method of the introductory specified genus, which is also mentioned under the difficult conditions by means of a compact, essentially commercial Screwdriver without significant additional Expend effort leaves.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die IST-Position und die SOLL-Position des Schraubers mittels eines Laserstrahls als Strecke zwischen dem Schrauber und einem neben der Schraube liegenden Referenzpunkt auf der Werkstückoberfläche gemessen werden.These Task is inventively achieved in that the actual position and the desired position of the screwdriver by means of a Laser beam as a distance between the screwdriver and one beside the screw reference point measured on the workpiece surface become.

Bei diesem Verfahren sendet der mit einer mindestens mit einer Laseraustrittsoptik ausgerüstete Schrauber einen Laserstrahl auf den Referenzpunkt und empfängt den reflektierten Strahl. Die SOLL-Position wird anhand einer korrekten Schraubverbindung eingelernt. Der Referenzpunkt, auf den der Laserstrahl ausgerichtet wird, kann unmittelbar neben dem Schraubenkopf liegen. Wenn die vorschriftsmäßige Verschraubung eine Beilagscheibe oder ein anderes Zusatzteil umfasst, wird der Referenzpunkt hingegen auf der Werkstückoberfläche nahe der Beilagscheibe oder dem sonstigen Zusatzteil gewählt. Bei Anwendung dieses Verfahrens kann der Schrauber sowohl von Hand geführt als auch an einem Tragarm oder einer anderen ein- oder mehrachsig beweglichen Haltevorrichtung montiert eingesetzt werden.at this method sends with at least one laser exit optics equipped Screwdriver a laser beam on the reference point and receives the reflected beam. The target position is determined by a correct Taught in screw connection. The reference point to which the laser beam is aligned, can lie directly next to the screw head. If the proper fitting includes a washer or other accessory, the Reference point, however, on the workpiece surface near the washer or the other additional part. When using this method The screwdriver can be guided both by hand and on a support arm or another mono- or multi-axis movable holding device be used mounted.

Das Ergebnis der Strecken- oder Entfernungsmessung kann grundsätzlich in beliebiger Form weiterverarbeitet werden, z.B. in Form einer numerischen Anzeige der IST-Entfernung im Vergleich zu der vorgegebenen Soll-Entfernung als Absolut- oder Relativwert.The Result of the distance or distance measurement can basically in be processed in any form, e.g. in the form of a numeric Display of the actual distance compared to the specified target distance as absolute or relative value.

Vorzugsweise wird jedoch die gemessene IST-Position elektronisch mit der SOLL-Position verglichen und das Vergleichsergebnis als IO- oder als NIO-Signal ausgegeben (Anspuch 2), am einfachsten optisch über LEDs, die sich auch unmittelbar an dem Schrauber befinden können.Preferably however, the measured ACTUAL position becomes electronic with the DESIRED position compared and the comparison result as IO or NIO signal Issued (Anspuch 2), most easily optically via LEDs, which are also directly can be located on the screwdriver.

Nach einer Weiterbildung kann das Vergleichsergebnis mit den den Schrauber steuernden Signalen logisch verknüpft werden (Anspruch 3), also z.B. mit dem Signal für das Erreichen des vorgegebenen Anzugsdrehmoments oder dem Signal für das Erreichen des vorgegebenen Eindrehwinkels. Ein IO-Signal wird in diesem Fall nur ausgegeben, wenn der Schrauber bei Erreichen des vorgegebenen Drehmoments oder Drehwinkels auch die SOLL-Position erreicht hat.To a training, the comparison result with the screwdriver controlling signals (claim 3), so e.g. with the signal for the achievement of the specified tightening torque or the signal for reaching the predetermined Eindrehwinkels. An IO signal is only output in this case if the screwdriver when reaching the specified torque or Angle of rotation has reached the target position.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die maximale Entfernung innerhalb eines Toleranzfensters zu Beginn der Verschraubung festgelegt und abgespeichert wird, und dass der Schraubvorgang nur bei innerhalb des festgelegten Messbereiches liegendem IST-Wert der Entfernungsmessung freigegeben wird (Anspruch 4). Dadurch können z.B. Schrauben, die zu lang sind, noch vor Beginn des Schraubvorganges erkannt werden.A Another embodiment of the method is that the maximum Distance within a tolerance window at the beginning of the screwing is set and stored, and that the screwing operation only at within the specified measuring range lying IST value the distance measurement is released (claim 4). Thereby, e.g. Screws that are too long, before the beginning of the screwing process be recognized.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mit dem Schrauber mindestens die auf einen neben der Schraube liegenden Referenzpunkt auf der Werkstückoberfläche ausgerichtete Austrittsoptik eines Laserentfernungsmessers starr verbunden ist, der elektrisch an die Steuerelektronik für den Antrieb des Schraubers angeschlossen ist (Anspruch 5). Der Schrauber braucht also nur mit der Austrittsoptik ausgerüstet zu werden, die ihrerseits über eine Faseroptik, also einen Lichtwellenleiter, mit dem Laserentfernungsmesser verbunden ist. In der Regel wird man allerdings einen vollständigen Laserentfernungsmesser im Wesentlichen achsgleich, jedoch zur Ausrichtung des Strahl auf den Referenzpunkt um einen kleinen Winkel schwenkbar an dem Schrauber befestigen. Geeignete, kompakte Laserentfernungsmesser für die vorliegend in Betracht kommenden Messentfernungen und mit einer Messgenauigkeit von besser als 0,5 mm sind handelsüblich verfügbar. In beiden Alternativen kommt es lediglich auf eine starre Verbindung entweder des Laserentfernungsmessers oder dessen Austrittsoptik mit dem Schrauber an, nicht jedoch auf den genauen Anbringungsort, weil die feste Entfernung zwischen der Bezugsebene der Entfernungsmessung, also beispielsweise der Ebene, in der die Austrittsoptik liegt, und dem Schraubenkopf konstant ist und durch Subtraktion berücksichtigt wird.A suitable device for carrying out the method is characterized in that at least aligned with the screwdriver at a lying next to the screw reference point on the workpiece surface exit optics of a laser rangefinder is electrically connected to the control electronics for driving the screwdriver (claim 5). The screwdriver so only needs to be equipped with the exit optics, which in turn is connected via a fiber optic, so an optical fiber, with the laser rangefinder. In general, however, a complete laser rangefinder will be substantially coaxially but pivotally attached to the screwdriver to align the beam with the reference point by a small angle. Suitable, compact laser range finders for the presently considered measurement distances and with a measurement accuracy of better than 0.5 mm are commercially available. In both alternatives, it depends only on a rigid connection of either the laser rangefinder or its exit optics with the screwdriver, but not on the exact mounting location, because the fixed distance between the reference plane of the distance measurement, so for example, the plane in which the exit optics is located, and the screw head is constant and is taken into account by subtraction.

Vorzugsweise ist der Laserentfernungsmesser oder mindestens dessen Austrittsoptik schwenkbar an dem Schrauber befestigt (Anspruch 6). Nötigenfalls kann eine lösbare Klemmverbindung eingesetzt werden.Preferably is the laser rangefinder or at least its exit optics pivotally attached to the screwdriver (claim 6). If necessary, can be a releasable Clamping be used.

Vor allem zur Herstellung zahlreicher gleichartiger Schraubverbindungen ist es zweckmäßig, wenn der Schrauber einschließlich des Laserentfernungsmessers 3-achsig verstellbar an einer ortsfesten Halterung befestigt ist (Anspruch 7).In front especially for the production of numerous similar screw connections it is useful if including the screwdriver of the laser rangefinder 3-axis adjustable at a fixed Holder is attached (claim 7).

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The Method and apparatus according to the invention are described below explained with reference to the schematic drawing of an embodiment. It shows:

1 eine erste Ausführungsform in einer Seitenansicht und einer Aufsicht und 1 a first embodiment in a side view and a top view and

2 eine zweite Ausführungsform, ebenfalls in einer Seitenansicht und einer Aufsicht. 2 a second embodiment, also in a side view and a top view.

Der in 1 nur schematisch angedeutete, motorisch angetriebene Handschrauber 1, z.B. ein üblicher EC-Schrauber, ist in seinem unteren Bereich mit einer Halterung 2 ausgestattet, an der über ein Kugelgelenk 3 ein Befestigungswinkel 4 für einen Laserentfernungsmesser 5 befestigt ist.The in 1 only schematically indicated, motor-driven hand screwdriver 1 For example, a standard EC screwdriver is in its lower part with a bracket 2 equipped, at the over a ball joint 3 a mounting bracket 4 for a laser rangefinder 5 is attached.

Ein Schrauberbit 6 des Schraubers 1 befindet sich im Eingriff mit dem Kopf einer Schraube 7, die mit einer zwischengeschalteten Unterlegscheibe 8 in ein Werkstück 10 eingedreht ist, um mit diesem beispielsweise die Platten 10a und 10b zu verbinden.A screwdriver bit 6 the screwdriver 1 is engaged with the head of a screw 7 that with an intermediate washer 8th into a workpiece 10 is screwed to this example, the plates 10a and 10b connect to.

Der Laserentfernungsmesser 5 ist über das Kugelgelenk 3 im Winkelbereich S verschwenkbar, um den Meßstrahl auf wählbare Referenzpunkte wie P1, P2 und P3 ausrichten zu können.The laser rangefinder 5 is over the ball joint 3 in the angular range S pivotable to align the measuring beam to selectable reference points such as P1, P2 and P3 can.

In der dargestellten Stellung sind die Teile 10, 10a und 10b über die Schraube 7 mit Unterlegscheibe 8 korrekt miteinander verschraubt. Bei Ausrichtung beispielsweise auf den Punkt P2, in diesem Fall also mit zu der Achse des Schraubers 1 parallelem Strahl, misst der Laserentfernungsmesser 5 die Entfernung oder Strecke H abzüglich der Dicke der Platte 10a. In der Einlernstellung übernimmt eine angedeutete, abgesetzte Auswerte- und Anzeigeeinheit 11 diesen IST-Wert als SOLL-Wert für die nächsten, gleichartig herzustellenden Verschraubungen. Um diesen SOLL-Wert herum kann ein geeignetes Toleranzfenster definiert werden. Beim Eindrehen der nächsten Schraube würde die Auswerteeinheit neben einer zu langen oder wegen eines mangelhaften Gewindes nicht weit genug eingedrehten Schraube 7 auch das Feh len der Unterlegscheibe 8 und/oder das Fehlen der Platte 10b erkennen. Sofern auch das Fehlen der Platte 10a erkannt werden soll, würde der Laserentfernungsmesser 5 statt auf den Referenzpunkt P2 auf den Referenzpunkt P1 ausgerichtet werden, u.s.w.In the position shown are the parts 10 . 10a and 10b over the screw 7 with washer 8th correctly screwed together. When aligning, for example, to the point P2, in this case with the axis of the screwdriver 1 parallel beam, the laser rangefinder measures 5 the distance or distance H minus the thickness of the plate 10a , In the teach-in position assumes a hinted, remote evaluation and display unit 11 this ACTUAL value as a target value for the next, similar to be produced glands. A suitable tolerance window can be defined around this SETPOINT value. When screwing in the next screw, the evaluation unit would not be screwed in far enough or because of a faulty thread not far enough screw 7 also the failure of the washer 8th and / or the absence of the plate 10b detect. Unless the lack of the plate 10a should be detected, the laser rangefinder 5 instead of being aligned with the reference point P2 to the reference point P1, etc

In der in 2 dargestellten, stationären Ausführungsform der Schraubvorrichtung sitzt der Schrauber 1 mit seinem Bit 6 in einer Aufnahme 26 am Ende einer üblichen Halterung, die z.B. aus einer Tragsäule 21, einem Befestigungswinkel 22, einem Schwenkarm 23, einem Parallelarm 24 und einer Werkzeughalteraufnahme 25 besteht. An der Werkzeughalteraufnahme 25 sind die Aufnahme 26 und der Laserentfernungsmesser 5 über ein dem Kugelgelenk 3 in 1 entsprechendes Kugelgelenk 27 befestigt. In den Gelenkverbindungen zwischen dem Befestigungswinkel 22 und dem Tragarm 23 sowie zwischen dem Tragarm 23 und dem Parallelarm 24 befinden sich Drehwinkelaufnehmer 28 bzw. 29. Das Schraubverfahren ist das Gleiche wie bei der Ausführungsform in 1.In the in 2 illustrated, stationary embodiment of the screwing sits the screwdriver 1 with his bit 6 in a recording 26 at the end of a conventional bracket, for example, from a support column 21 , a mounting bracket 22 , a swivel arm 23 , a parallel arm 24 and a tool holder holder 25 consists. At the tool holder holder 25 are the recording 26 and the laser rangefinder 5 over a ball joint 3 in 1 corresponding ball joint 27 attached. In the joints between the mounting bracket 22 and the support arm 23 as well as between the support arm 23 and the parallel arm 24 are Drehwinkelaufnehmer 28 respectively. 29 , The screwing method is the same as the embodiment in FIG 1 ,

Claims (7)

Verfahren zum Herstellen von Schraubverbindungen durch fortlaufendes Messen der IST-Position eines motorisch angetriebenen Schraubers und Vergleich mit einer vorgegebenen SOLL-Position, dadurch gekennzeichnet, dass die IST-Position und die SOLL-Position des Schraubers mittels eines Laserstrahls als Strecke zwischen dem Schrauber und einem neben der Schraube liegenden Referenzpunkt auf der Werkstückoberfläche gemessen werden.Method for producing screw connections by continuously measuring the actual position of a motor-driven screwdriver and comparison with a predetermined target position, characterized in that the actual position and the desired position of the screwdriver by means of a laser beam as a distance between the screwdriver and a reference point on the workpiece surface next to the screw can be measured. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene IST-Postion elektronisch mit der SOLL-Position verglichen und das Vergleichsergebnis als IO- oder als NIO-Signal ausgegeben wird.Method according to claim 1, characterized in that that the measured actual position is electronic with the target position compared and the comparison result as IO or NIO signal is issued. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergleichsergebnis mit den den Schrauber steuernden Signalen logisch verknüpft wird.Method according to claim 2, characterized in that that the comparison result with the screwdriver controlling signals is logically linked. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Entfernung innerhalb eines Toleranzfensters zu Beginn der Verschraubung festgelegt und abgespeichert wird, und dass der Schraubvorgang nur bei innerhalb des festgelegten Messbereiches liegendem IST-Wert der Entfernungsmessung freigegeben wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the maximum distance within a tolerance window too Beginning of the screw connection is set and stored, and that the screwing process only within within the specified measuring range lying IST value of the distance measurement is released. Vorrichtung zum Herstellen von Schraubverbindungen mittels eines motorisch angetriebenen Schraubers (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schrauber (1) mindestens die auf einen neben der Schraube liegenden Referenzpunkt (P1 bis P3) auf der Werkstückoberfläche (10, 10a, 8) ausgerichtete Austrittsoptik eines Laserentfernungsmessers (5) befestigt ist, der elektrisch an die Steuerelektronik für den Antrieb des Schraubers (1) angeschlossen ist.Device for producing screw connections by means of a motor-driven screwdriver ( 1 ), in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the screwdriver ( 1 ) At least on a lying next to the screw reference point (P1 to P3) on the workpiece surface ( 10 . 10a . 8th ) aligned exit optics of a laser rangefinder ( 5 ), which is electrically connected to the control electronics for driving the screwdriver ( 1 ) connected. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserentfernungsmesser (5) oder mindestens dessen Austrittsoptik schwenkbar (3) an dem Schrauber (1) befestigt ist.Apparatus according to claim 5, characterized in that the laser rangefinder ( 5 ) or at least its exit optics pivotable ( 3 ) on the screwdriver ( 1 ) is attached. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrauber (1) einschließlich des Laserentfernungsmessers (5) 3-achsig verstellbar (23, 24) an einer ortsfesten Halterung (21) befestigt ist.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the screwdriver ( 1 ) including the laser rangefinder ( 5 ) 3-axis adjustable ( 23 . 24 ) on a fixed support ( 21 ) is attached.
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