-
Stand der Technik
-
Bei
Schraubverbindungen wird heutzutage unter Verwendung intermittierend
arbeitendender Schraubwerkzeuge (Beispielsweise: hydraulische Drehmomentschrauber)
meist Drehmoment-gesteuert oder Drehmoment-Drehwinkel gesteuert
angezogen. In einigen Fällen
wird die Vorspannkraft der Schraube über eine Längenmessung ermittelt und nach
Erreichen einer definierten Vorspannkraft bzw. Schraubenlängung der
Schraubvorgang beendet. Ebenso kommen auch Dehnzylinder zum Einsatz.
-
Diese
Verfahren haben den Nachteil, dass Sie entweder aufwendig, sehr
teuer oder empfindlich sind. Hierzu gehören zum Beispiel der Dehnzylinder oder
die Längenmessung
mittels Ultraschall.
-
Die
Anzugsverfahren Drehmoment gesteuertes Anziehen, Ultraschall Längenmessung,
der Dehnzylinder oder auch das Drehmoment Drehwinkel gesteuerte
Anziehen haben den Nachteil, dass sie derzeit noch keine direkte
Rückmeldung über den aktuellen
Zustand der Schraubverbindung als ganzes zurückliefern. Des weiteren können bei
diesen Anzugsverfahren die Schraubverbindungen meist nur zwischen
~50% bis ~80% Ihre Streckgrenze verschraubt werden, um eine ausreichende
Sicherheitsreserve aufgrund der Prozessstreuungen zu gewährleisten.
Ausnahme dabei ist das Drehmoment Drehwinkel gesteuerte Anziehen,
bei welchen auch bis in die Streckgrenze angezogen werden kann jedoch
typisch nicht angezogen wird. Wegen dieses Einflusses müssen die
Schraubverbindungen in teilweise relativ kurzen Intervallen gewartet
werden oder durch eine entsprechende Überdimensionierung sicher ausgelegt
sein. Diese Punkte führen
zu erheblichen Personalkosten durch den Service, zu höheren Herstellkosten
bei der Fertigung oder auch zu mehr Gewicht durch entsprechende
Sicherheitsreserven von Seiten der Konstruktion.
-
Für kontinuierlich
arbeitende, beispielsweise motorisch angetriebene Schraubwerkzeuge,
ist das Streckgrenzengesteuerte Anziehen heutzutage schon Stand
der Technik. Jedoch haben diese Werkzeuge aufgrund Ihrer Bauart
den Nachteil, dass Sie teils sehr schwer, groß, langsam oder zu schwach
in Ihrer Drehmomentleistung sind. Deshalb kommen Sie wegen einer
oder mehrerer dieser Punkte bei vielen Applikationsbeispielen nicht
zum Einsatz, da Sie unpraktikabel oder nicht einsetzbar sind. Zum
weiteren ist es auch mit diesen Werkzeugen aktuell nicht möglich unter
Einsatz eines beliebigen anderen Anzugsverfahrens festzustellen
ob eine Überbeanspruchung
der Schraubstelle durch zu große
Drehmomente vorliegt.
-
Aus
der
US 5 792 967 A ist
ein Verfahren für eine
Werkzeugsteuerung für
intermittierend arbeitende Schraubwerkzeuge bekannt, bei dem die
physikalischen Größen Drehmoment
und Drehwinkel an der Schraubverbindung gemessen werden. Dies geschieht über den
Druck der Pumpe bzw. die Pumpengeschwindigkeit. Gemäß
US 5 792 967 A wird
mit einer indirekten Volumenstrommessung der Drehwinkelwert eines
angeschlossenen Hydraulikwerkzeugs berechnet. Da der ermittelte
Drehwinkelwert eine erhebliche Ungenauigkeit aufweist, ist das Verfahren jedoch
nicht für
alle Anwendungen geeignet. Aufgrund einer hohen Drehwinkelwertabweichung
innerhalb eines Hubs ist das in der
US 5 792 967 A beschriebene Arbeitsverfahren
nicht für
intermittierend arbeitende Schraubwerkzeuge geeignet, bei denen an
der Streckgrenze der Schraubverbindung gearbeitet wird.
-
Zudem
kann nach dem Verfahren gemäß
US 5 792 967 A ein
Versagen der mechanischen Werkzeugklinke des intermittierend arbeitenden
Schraubwerkzeugs nicht festgestellt werden, da nicht sicher festgestellt
werden kann, ob ein Fehler in der Schraubverbindung vorliegt oder
das Versagen der Werkzeugklinke zu einem unplausiblen Winkel-Drehmomentverlauf
geführt
hat. Insgesamt kann es somit bei dem System gemäß
US 5 792 967 A zu fehlerhaften
Verschraubungsvorgängen
kommen, wobei verfrühte
oder auch deutlich verspätete
Abschaltungen des Systems die Folge sein können. Beim Drehmoment-Drehwinkelverfahren
ist es nicht ganz so kritisch zu beurteilen, wie beim streckgrenzengesteuerten
Anziehen von Schraubverbindungen bei dem für eine korrekte Systemfunktion
korrekte Steigungswerte der ermittelten Messdaten, wie z. B. Drehmoment und
Drehwinkel, Voraussetzung sind.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein
Verfahren für
eine streckgrenzengestützte
Werkzeugsteuerung zu schaffen, mit der intermittierend arbeitende
Schraubwerkzeuge eine optimale Verschraubung erzeugen können.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung zeichnet sich das Verfahren für eine streckgrenzengestützte Werkzeugsteuerung
für intermittierend
arbeitende Schraubwerkzeuge dadurch aus, dass der Steigungsgradient
von Drehmoment zu Drehwinkel des Schraubwerkzeugs ermittelt wird,
unter Berücksichtigung
des jeweiligen für
das in termittierende Werkzeug definierten spezifischen Hubwinkels
d∅Schrauber, in dem die Werte zwischen
zwei Hüben
bzw. Hubwinkeln komplett ausgeblendet und verworfen werden und daraus
die erste Ableitung gebildet wird, dass die für den Schraubfall spezifische
dynamische Schwelle des elastischen Bereichs der Schraubverbindung
ermittelt wird, durch Mittelung des Plateaus, das sich aus dem Nullwert
der zweiten Ableitung der Drehmoment-Drehwinkelkurve im Steigungsverlauf-Maximum
ergibt, und dass die für
den Schraubfall spezifische dynamische Abschaltschwelle, die sich
aus dem Überschreiten
des rein elastischen Verschraubungsbereichs ergibt, aus dem vom
Bediener prozentual voreingestellten Wert zur ermittelten dynamischen
Schwelle des elastischen Bereichs berechnet wird und ein entsprechendes
Signal zur Werkzeugsteuerung erzeugt wird.
-
Weiterhin
ist vorteilhaft, zur Erhöhung
der Prozesssicherheit die für
den Schraubfall spezifischen Wertebereiche für Drehmoment und Drehwinkel überprüft werden.
-
Weiterhin
ist vorteilhaft, dass nach Unterschreiten einer für den Anwendungsfall
spezifischen absoluten Steigungsschwelle von Drehmoment zu Drehwinkel,
ein Abschaltsignal erzeugt wird.
-
Vorteilhafterweise
werden zusätzlich
für den Schraubfall
spezifische maximale Werte von Drehmoment und Drehwinkel vorgegeben,
deren Überschreiten
zur Werkzeugabschaltung führen.
-
Auch
ist vorteilhaft, dass die ermittelten Daten von Drehmoment und/oder
Drehwinkel aufgezeichnet werden.
-
Die
vorliegende Erfindung umfaßt
auch ein intermittierend, vorzugsweise hydraulisch angetriebenes
Schraubwerkzeug, das eine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes
und eine Einrichtung zum Messen des Drehwinkels aufweist, wobei
es das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren
aufweist.
-
Vorteilhafterweise
ist dabei ein auf dem Schraubwerkzeug implementierter Drehwinkelsensor vorgesehen,
der den aktuellen Drehwinkelwert der Schraubverbindung abtastet.
-
Es
gibt weitere Nebenfunktionen der Erfindung:
- – Möglichkeit
der Schraubprozessanalyse bei Drehmoment gesteuerten Anziehen, Drehmoment
Drehwinkel gesteuerten Anziehen und beim Anziehen mit Längenmessung.
- – Möglichkeit
der System- und Auslegungsanalyse durch die Schraubprozessüberwachung
des Anzugsvorgangs. Konstruktive Fehlauslegungen durch Überbeanspruchung
von Konstruktionsteilen oder Verschraubungselemente beim Anziehen
durch zu hohe Drehmomente kann mit diesem Verfahren erkannt werden.
Dies betrifft Bauteile wie z. B.: Muttern, Schrauben, Bolzen, Dehnschaft,
Unterlegscheibe, Flansch, etc... Ihrer Werkstoffeigenschaften sowie
Materialgüte
und auch möglicher
Materialfehler.
- – Neben
einer reinen Form des Streckgrenzen-gesteuerten Anziehens ist es
möglich
folgende Anzugsverfahren mit der Streckgrenzenüberwachung zu kombinieren:
• Drehmoment-gesteuertes-Anziehen
• Drehmoment-Drehwinkel-gesteuertes
Anziehen
• Anzugsverfahren
mit direkter oder indirekter Längenmessung
• Anzugsverfahren
bei denen es möglich
ist Drehmoment und Drehwinkel zusätzlich zu vermessen und zu
dokumentieren
- – Des
weiteren sind mit den oben genannten Anzugsverfahren auch Kombinationen
mit mechanischen Maschinenelementen möglich zum Zweck:
• Des torsionsfreien
bzw. torsionsreduzierten Verschraubens
• Des einseitig Reaktionsfreies
verschrauben, ohne Einleitung von Querkräften auf die Schraubverbindung
und ohne Einsatz von Gegenhaltern.
Durch die Kombination der
oben genannten Verfahren mit dem Streckgrenzen gesteuerten Anziehen
wird eine höhere
Prozesssicherheit beim Verschrauben und eine erweiterte Überwachung
der gesamten Verbindungsstelle erreicht.
-
Für die Anwendung
des Verfahrens wird die physikalische Größe des Drehwinkels an der Schraube,
Mutter, Load-Disc, Clamp, etc..., sowie der zur Drehwinkeländerung
aktive gemessene Drehmomentwert an der Aktions- oder Reaktionsstelle
der Schraubverbindung oder des intermittierend arbeitenden Werkzeuges
benötigt.
-
Der
Drehwinkel muss zur Auswertung nicht in eine Längung oder Pressung der Schraube
und Ihrer Reaktionspartner umgerechnet werden da die Auswertung
rein relativ erfolgen kann und somit störende Prozessparameter wie
Reibung komplett ausgeblendet sind, was das Verfahren um so interessanter
und einfacher macht. Messreihen hierzu zeigen, dass auch die Schraubentorsion
nahezu linear eingeht und somit keinen störenden Einfluß auf die
Erkennung der Streckgrenze selbst hat. Das Verfahren hat des weiteren
den Vorteil das es nicht nur wie bei der normalen Längenmessung
des Bolzens die Streckgrenze der Schraube überwacht, sondern auch Ihr
konstruktiven Reaktionspartner wie zum Beispiel: Unterlegscheibe,
Gewinde, Mutter, Flansch, etc... Diese Verfahrenseigenschaft ermöglicht somit das
Monitoring der gesamten Schraubverbindung.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
auch der Vorteil geschaffen, dass es zur Prozessüberwachung und Prozesssteuerung
anderer herkömmlicher
Schraubverfahren einsetzbar und als ein weiteres Abschaltkriterium
für diese
Schraubverfahren verwendbar ist.
-
Weiterhin
ist es auch zur Analyse bei Vorversuchen zur Durchführung einer
Anwendungsfallanalyse einsetzbar.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehöriger Zeichnung
näher erläutert. Dabei
zeigt:
-
1 zeigt
als Beispiel ein typisches Anzugsdiagramm einer Schraubverbindung
bis zum Schraubenabriss (107). Wie im Diagramm 1 ersichtlich,
sind die Drehmomentwerte: M (101) an der y-Achse und die
Drehwinkelwerte: φ (102),
an der x-Achse eines bereits gefilterten Anzugsprozesses aufgetragen.
Die Drehwinkelwerte φ entsprechen
dabei der Schraubenlängung
abzüglich
des Längungsverlustes
durch den Torsionswinkel und der verspannten und am Schraubprozess
beteiligten Reaktionspartner. Der Ursprung der Messkurve beginnt bei
Null Drehwinkel und einem sehr kleinen Drehmomentwert. Bis zum vollständigen Fügen der
Verschraubungselemente, erkennbar durch Punkt (103), ist
die Messkurve nichtlinear. Zwischen den Punkten (103) und
(104) befindet sich der lineare und somit elastische Bereich
der Schraubverbindung. Die maximale Vorspannkraft ohne plastische
Längenänderung
der Schraubverbindung erreicht man im Punkt (104). Ab diesen
Punkt, welcher die Streckgrenze darstellt, beginnt die plastische
Verformung eines Aktions- oder
Reaktionsteils der Verschraubungspartner. Ziel ist es möglichst
nahe an diesem Punkt eine Abschaltung des Werkzeuges zu legen. Je
dichter der Abschaltpunkt an der plastischen Schwelle liegt, desto öfter können die
Verschraubungskomponenten wiederverwendet werden. Die Anzahl der
möglichen Vorgangswiederholungen
ist abhängig
von der Materialgüte,
Materialzähigkeit,
Schraubenfestigkeit, Klemmlänge,
Materialpaarung, etc... und ist Schraubfallspezifisch festzulegen.
Im Punkt (105) ist in diesem Fall ein Steigungsnulldurchgang
des Schraubfalls zu erkennen. Bis zum Punkt (106) kann Schraubfallspezifisch
auch eine negative Steigung verzeichnet werden. Im Punkt (106)
findet ein Steigungswechsel statt. Der Punkt (107) kennzeichnet die
Zerstörung
der Schraubverbindung durch einen Schraubenabriss.
-
2 zeigt
den Steigungsverlauf der Messkurve aus 1 und entspricht
seiner Ableitung nach dφ,
dies ist der Hubwinkelbereich zwischen 7 Punkt
(713) und (714) mit einer definierten und auf das
intermittierende Werkzeug abgestimmten Schrittweite dφSchrauber, (505). Der Winkelbereich dφSchrauber (505) ergibt sich aus
der Klinkenanzahl des Werkzeuges. Dies bedeutet, wenn der Schrauber 15 Klinken
hat, ist die Ableitungsschrittweite = 24° (360°/15). Über diese besondere Schrittweite
können Nichtlinearitäten im Drehmomenthub
des Schraubers komplett ausgeblendet werden und das Steigungsdiagramm 2 wird
vom Signal/Rauschverhältnis deutlich
besser. Die Steigungskurve dient zur Auswertung des Schraubverlaufs
und der entsprechenden Schraubersteuerung. Bis zum Punkt (208)
befindet sich das Anzugswerkzeug im Leerlauf, das bedeutet die Schraube/Mutter
dreht sich leer. Zwischen den Punkten (208) und (203)
findet das Fügen
der Verschraubungspartner statt. Im Bereich zwischen (203)
und (204) befindet sich der lineare Anstieg (elastischer)
Bereich der Schraubverbindung, dieser korreliert aus dem Bereich
(103) bis (104) der Drehmoment-Drehwinkel Kurve.
Diese Gerade mit Steigung Null im Diagramm 2 ist der
Ausgangspunkt, relative Bezug, für
die Erkennung der Streckgrenze die durch Punkt (104) in 1 bzw.
Punkt (204) in 2 gekennzeichnet ist. Die Abschaltung des
Verschraubungswerkzeuges erfolgt im Punkt (205). Das Verfahren
ist darauf ausgelegt den linearen Bereich (elastischen Bereich)
der Schraubverbindung zu ermitteln und nach Erreichen der Abschaltschwelle
(205), welche sich Beispielsweise zwischen 0% und 99% des
relative ermittelten Platos befinden kann (Je nach Benutzereinstellung
und Applikationsspezifischer Vorgabe), dass Werkzeug abzuschalten. Durch
relativen Bezug des elastischen Bereiches zwischen (203)
und (204) ist es möglich
den Einfluss der Reibung komplett auszublenden. Dies bedeutet die
Steigungsamplitude Stg.max = dM/dφ zwischen (203) und
(204) kann Reibungsbedingt höher oder auch tiefer liegen.
Das beschriebene Verfahren ermittelt diese Schraubfallspezifische
Schwelle. Die Schraubersteuerung (Abschaltung) erfolgt nach Durchschreitung
des vom System berechneten Punktes (205). Dieser berechnet
sich aus dem vom Bediener prozentual voreingestellten Wertes zum
relativen Bezug Stg.max = dM/dφ des
elastischen Bereichs (203) bis (204).
-
Die
maximal erreichten Steigungswerte zwischen (203) und (204)
werden vom System ausgewertet und geben Aufschluss über die
Reibung im Anwendungsfall. Bei Überschreitung
eines definierten Maximalwertes (209) gibt das System eine
Warnmeldung aus. Der Monteur wird somit hingewiesen, dass er nachschmieren
muss oder die Oberfläche von
beschichteten Schraubkomponenten zerstört oder beschädigt ist
und getauscht werden müssen.
-
Diagramm 3 zeigt
das Verschraubungsbild eines durch dieses Verfahren gesteuerten Schraubfalls
und den hiermit verbundenen gesteuerten Abschaltpunkt (305).
Die Abschaltung der Verschraubungswerkzeuge erfolgt dabei nach der Durchschreitung
des Schaltpunktes (205). Diese Abschaltung kann zur zusätzlichen
Prozessüberwachung
durch ein Drehmoment-Gültigkeitsfenster (410)
mit einem minimal erforderlichen Drehmoment (409) und einem
maximal zulässigen
Drehmoment (408) für
die Gut/Schlecht – Diagnose
kombiniert werden. Für
eine erweiterte Verfahrensüberwachung kann
ab Erreichen des Fügemoments
(411) auch ein Gültigkeitsfenster
(416) für
einen minimal erforderlichen Drehwinkel (414) und maximal
zulässigen Drehwinkel
(415) gesetzt werden. Zusätzlich kann neben der relativen
Abschaltschwelle (205) eine zusätzliche absolute Schwelle (210)
gesetzt werden, welche die Prozesssicherheit im Bezug auf das Gesamtsystem
nochmals erhöht.
Auch für
die absolute Schwelle gelten die Gültigkeitsfenster von Drehmoment
(410) und Drehwinkel (416). Mit der frei definierbaren
absoluten Abschaltschwelle ist es möglich einen deutlichen Sicherheitsabstand
von der Nullsteigung (105) zu definieren um nicht zu stark
in den plastischen Bereich zu laufen.
-
Die
Besonderheit dieses Verfahrens liegt in der Datengenerierung zur
Erzeugung der zur Auswertung notwendigen Diagramme von 1 bis 4.
Intermittierend arbeitende Schraubwerkzeuge haben durch ihren intermittierenden
Anzugsbetrieb (504) die Besonderheit, dass aus den Messdaten
die verwertbaren Bereiche ohne Datenverlust gefiltert werden müssen, da
dies zu einem verspäteten
Abschalten oder zu Fehlinterpretationen führen kann. Der auf dem Schrauber
(502) implementierte Drehwinkelsensor (503) (intern
oder extern) tastet den aktuellen Drehwinkelwert (504)
der Schraubverbindung ab. Die resultierende Zeitdiskrete Abtastung
ist in 7 ersichtlich. Signifikant für den Signalverlauf ist dabei
der Rücksprung
des Drehwinkels (709) bis zum Erreichen der Sperrklinke
(falls vorhanden) auf einen deutlich kleineren Wert (710).
Dieses Verhalten resultiert aus der Entspannung der Torsion während des Schrauberrückhubs in
der Schraubverbindung. Ohne Sperrklinke wäre dieser Rücksprung noch größer. Bei
Schraubverbindungen mit Load-Disc oder Clamp sowie mit anderen Hilfsmitteln
zur Torsionsaufnahme ist die Rücksprunghöhe (709)
auf (710) deutlich kleiner, jedoch aufgrund der Werkzeugtorsion
auch noch vorhanden und sichtbar. Wählt man beispielsweise zur
Ermittlung des Drehmomentes als physikalisches Hilfsmittel den Hydraulikdruck
am Kolben des Schraubers ist der in 6 abgebildete
Signalverlauf typisch. Um auf das Diagramm 1 zu kommen dürfen jeweils
nur Winkelerhöhungen
im Verlauf aus 7 zu einer Abtastung der Drehmomentmessung in 6 führen. Dies
bedeutet die Bereiche zwischen (705) und (706)
werden komplett ausgeblendet und verworfen, was dazu führt das
im Drehmomentverlauf nur noch die Bereiche (606) bis (607)
Gültigkeit haben.
Mit den verbleibenden Messdaten kann das Koordinatensystem zwischen
Drehmoment und Drehwinkel aufgestellt werden und es resultiert das Diagramm
aus 1. Die Zeitdiskrete Messung aus Drehmoment und
Drehwinkel in 6 und 7 wird zu
einer Winkeldiskreten Messung in 1. Bedingung
dafür jedoch
ist das die Abtastung des Drehwinkels nahezu Zeitgleich mit der
Abtastung des Drehmomentes erfolgen sollte. Um zu jeden Zeitpunkt
gültige
Messdaten des Drehmomentes zu erhalten ist es notwendig einen gewissen
Sperrwinkel zu Beginn eines Schraubenhubs (706) und kurz
vor Ende eines Schraubenhubs (704) zu definieren. Der Sperrwinkel
zu Beginn eines Hubes ist zum Ausblenden für das erneute Anlegen des Schraubers
bei jedem Hub und somit eventuell Messbare Drehmomentschwankungen
erforderlich. Zum Hubende können
bei Drehmomentmessungen über
den Hydraulikdruck nicht oder nur teilweise wirksame Drehmomente
ausgefiltert werden (603). Der resultierende Wertebereich
zwischen (606) und (607) wird somit etwas schmaler
werden. Die Datenreduktion führt
jedoch zu keinen Nachteil, da die Werte zum nächsten Hub interpoliert werden.
Der Sperrwinkel zu Hubanfang bzw. Hubende kann dafür entweder
rein Softwaretechnisch gesteuert sein oder auch über eine physikalische Lagebestimmung
des Werkzeugkolbens mit Rückmeldung
zur Steuerelektronik erfolgen.