DE102015208735A1

DE102015208735A1 - Schraubeinheit sowie Verfahren zum Einschrauben einer Schraube in ein Werkstück

Info

Publication number: DE102015208735A1
Application number: DE102015208735.2A
Authority: DE
Inventors: Rolf Pfeiffer; Carsten Rosenkranz
Original assignee: Deprag Schulz GmbH u Co
Current assignee: Deprag Schulz GmbH u Co
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-17
Also published as: EP3093107A1; EP3093107B1

Abstract

Die Schraubeinheit (6) dient zum prozesssicheren Einschrauben insbesondere von selbstformenden Schrauben (2) in ein Werkstück (4). Zur zuverlässigen Erkennung einer Kopfauflage (K) wird ein Drehmomentverlauf (M) überwacht. Für den Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zur Kopfauflage (K) wird eine Trendlinie (L) sowie eine um einen Toleranzabstand (t) von dieser beabstandete Toleranzlinie (T) festgelegt und es wird auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkannt, wenn der erfasste Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) an einem Schnittpunkt (P) schneidet. Sowohl die Trendlinie (L) als auch der Toleranzabstand (t) werden vorzugsweise fortlaufend dynamisch anhand der zuvor erfassten Drehmomentwerte (mi) angepasst. Durch diese Bestimmung der Kopfauflage (K) ist eine universelle Bestimmung unabhängig von der jeweiligen Schraubpaarung und unabhängig von der jeweiligen Materialwahl des Werkstücks (4) insbesondere ohne aufwändige Parametrierung ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubeinheit sowie ein Verfahren zum Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück, wobei die Schraubeinheit eine Steuereinheit umfasst, die zur Erkennung einer Kopfauflage eines Schraubenkopfes auf dem Werkstück ausgebildet ist und hierzu ein Überwachungsmodul aufweist, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist.
Bei automatisierten Einschraubvorgängen mit Hilfe von motorisch angetriebenen Schraubeinheiten, auch kurz als Schrauber bezeichnet, wird der Schraubvorgang häufig in Abhängigkeit einer Kenngröße gesteuert und überwacht. Hierdurch soll eine zuverlässige Schraubverbindung gewährleistet werden. Insbesondere bei automatisierten Schraubvorgängen, beispielsweise in einer Fertigungsstraße mit hohen Taktraten, kommt es hierbei entscheidend auf eine zuverlässige Steuerung des Schraubvorgangs mit hoher Fehlersicherheit an.
Der Schraubvorgang lässt sich allgemein in eine erste Phase des Einschraubens der Schraube bis zur sogenannten Kopfauflage und einer anschließenden zweiten Phase, bei der die Schraube festgezogen wird, unterteilen. Nach Erreichen der Kopfauflage, wenn also die Schraube mit ihrem Schraubenkopf auf einer Werkstückoberseite zum Anliegen kommt, verändert sich die Drehmomentcharakteristik üblicherweise markant und es erfolgt häufig auch ein Umstellen des Schrauberantriebs von einem ersten Modus in einen zweiten Festzieh-Modus.
Dabei ist das Erkennen der Kopfauflage bzw. das Erkennen des bei Kopfauflage vorliegenden Drehmomentshäufig ein entscheidendes Kriterium für das nachfolgende Anziehen der Schraube, welches beispielsweise winkelgesteuert erfolgt.
Das sichere Erkennen der Kopfauflage stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn die Schraubeinheit für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsfällen eingesetzt wird, bei denen also unterschiedlichste Drehmomentverläufe während des Einschraubvorgangs auftreten können. Üblicherweise wird zur Erkennung der Kopfauflage das Drehmoment im Hinblick auf eine charakteristische Änderung überwacht, d.h. es wird der Gradient des Drehmomentverlaufs betrachtet. Ein steiler Anstieg des Drehmoments wird dann häufig als Erreichen der Kopfauflage identifiziert.
Die Bestimmung der Kopfauflage mit einem derartigen Konzept ist jedoch insbesondere bei sogenannten selbstformenden Schraubennur mit Aufwand umzusetzen. Unter selbstformenden Schrauben werden allgemein derartige Schrauben verstanden, die beim Einschrauben in das Werkstück das Gewinde im Werkstück formen. Dies kann spanlos oder auch spanend, wie beispielsweise bei den sogenannten selbstschneidenden Schrauben erfolgen. Bei derartigen selbstformenden Schrauben treten naturgemäß beim Einschraubvorgang während der ersten Phase bis zum Erreichen der Kopfauflage deutlich höhere und insbesondere auch fluktuierende Drehmomente auf als beispielsweise beim Einschrauben einer Schraube in ein vorgefertigtes Gewinde. Hinzu kommt, dass die erforderlichen Drehmomente auch stark vom jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere von der Materialwahl des Werkstücks aber auch von der geometrisch-konstruktiven Ausgestaltung der Schraubverbindung abhängen.
Für einen jeweiligen Anwendungsfall muss gegenwärtig die Schraubeinheit für eine zuverlässige Kopfauflage-Erkennung aufwändig parametriert werden, also auf den jeweiligen Anwendungsfall eingelernt werden. Dies ist zum einen mit einem nicht unerheblichen Zeitaufwand verbunden. Zum anderen setzt dies auch ein besonderes Know how voraus. Sofern das Bedienpersonal nicht über ausreichendes Know how verfügt, kann dies zu Fehlverschraubungen führen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicheres automatisiertes Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück, insbesondere von selbstformenden Schrauben in ein Werkstück zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schraubeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf die Schraubeinheit angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
Die Schraubeinheit dient allgemein zum automatisierten Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück und weist hierzu eine Steuereinheit auf, die zur Erkennung einer Kopfauflage eines Schraubenkopfes auf dem Werkstück ausgebildet ist. Die Steuereinheit weist hierzu ein Überwachungsmodul auf, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs, also des zeitlichen Verlaufs der Drehmomentwerte, während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist.
Sofern vorliegend von „Drehmomentwerten“ oder „Drehmomentverlauf“ gesprochen wird, so werden hierunter zwar vorzugsweise die tatsächlichen absoluten Drehmomentwerte und der tatsächliche absolute Drehmomentverlauf verstanden. Grundsätzlich werden jedoch unter „Drehmomentwerten“ auch weitere Kenngrößen verstanden, die in Korrelation zu den Drehmomentwerten stehen. Dies sind beispielsweise Motorkenngrößen eines insbesondere elektrischen Antriebsmotors, die mit dem tatsächlich ausgeübten Drehmoment korreliert sind, und zwar insbesondere derart, dass sich aus diesen weiteren Kenngrößen der Drehmomentverlauf ermitteln lässt, beispielsweise mit Hilfe eines mathematischen Modells. Bei einer derartigen Kenngröße kann es sich auch beispielsweise um einen Motorstrom eines Elektromotors handeln.
Um nunmehr eine Kopfauflage bei einem jeweiligen Einschraubvorgang zuverlässig zu identifizieren ist das Überwachungsmodul derart ausgebildet, dass während des Einschraubens bis zur Kopfauflage für den Drehmomentverlauf eine idealisierte, zu erwartende Trendlinie sowie eine um einen Toleranzabstand zu dieser beabstandete Toleranzlinie festlegt wird. Weiterhin ist das Überwachungsmodul derart ausgebildet, dass es das Erreichen der Kopfauflage identifiziert, wenn der tatsächlich erfasste Drehmomentverlauf die Toleranzlinie an einem Schnittpunkt schneidet.
Bei dieser Ausgestaltung wird daher insbesondere lediglich der absolute Drehmomentverlauf betrachtet und mit einer zu erwartenden Trendlinie für die erste Phase des Schraubvorgangs bis zum Erreichen der Kopfauflage verglichen. Durch die Festlegung eines Toleranzabstands wird quasi ein „Trendkanal“ vorgegeben, innerhalb dessen der tatsächliche Drehmomentverlauf schwanken darf, ohne dass das Erreichen einer Kopfauflage identifiziert wird. Es wird lediglich überprüft, wann der tatsächliche Momentanwert für das Drehmoment den Trendkanal verlässt. Von besonderem Vorteil hierbei ist, dass für die Erkennung der Kopfauflage keine Gradientenbildung für das Drehmoment erforderlich und auch nicht vorgesehen ist. Kurzzeitige sprunghafte Änderungen im Drehmoment, beispielsweise bedingt durch Materialinhomogenitäten, die beim selbstformenden Einschrauben bereits vor der Kopfauflage zu einem kurzfristigen Drehmomentanstieg führen, führen daher nicht zu einem falschen Erkennen einer Kopfauflage, wie dies bei der reinen Auswertung des Gradienten des Drehmomentverlaufs erfolgen würde.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Trendlinie um eine Gerade mit einer festgelegten Steigung und die Toleranzlinie verläuft um einen fest definierten Toleranzabstand parallel hierzu. Für unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierzu beispielsweise unterschiedliche Trendlinien, die sich im Hinblick auf ihren Anfangswert und/oder ihrer Steigung unterscheiden, sowie ergänzend oder alternativ auch unterschiedliche Toleranzabstände hinterlegt.
Zur Durchführung dieser Überwachung ist das Überwachungsmodul geeignet ausgebildet. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen implementierten Algorithmus, welcher als Eingangswert ein zum aktuellen Drehmomentwert korreliertes Eingangssignal erfasst und auswertet. Der Algorithmus ist daher im Überwachungsmodul und dadurch in der Steuereinheit integriert und definiert diese insofern funktional-gegenständlich.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Überwachungsmodul weiterhin derart ausgebildet, dass die Trendlinie, also der zukünftige Verlauf der Trendlinie, während des Schraubvorgangs aus vorhergehenden Drehmomentwerten abgeleitet und kontinuierlich angepasst wird. Unter vorhergehendem Drehmoment werden solche Drehmomentwerte verstanden, die beim aktuellen Schraubvorgang bereits erfasst wurden. Es erfolgt daher insgesamt eine dynamische, kontinuierliche Anpassung der Trendlinie an die aktuellen Gegebenheiten während des Schraubvorgangs selbst. Dadurch wird insgesamt ein Selbstlerneffekt erreicht. Durch diese kontinuierliche Anpassung werden daher auch die Bedingungen für die Erkennung der Kopfauflage und damit beispielsweise die Umschaltbedingungen für das Umschalten von der ersten Phase in die zweite Phase kontinuierlich angepasst und insbesondere zusehends verbessert. Bei dieser Variante der Adaption der Trendlinie an die aktuellen Gegebenheiten wird dabei insbesondere auf die Hinterlegung von Trendlinien verzichtet.
Ein entscheidender Vorteil dieser kontinuierlichen, dynamischen Anpassung ist darin zu sehen, dass hierdurch quasi eine Auto-Parametrierung auf die aktuell vorhandenen Bedingungen erfolgt. Bei diesem Selbstlernprozess gehen daher infolge der Auswertung des aktuellen Drehmomentverlaufs und der Prognose für die weitere Trendlinie die den Schraubvorgang charakterisierenden Parameterwerte, wie beispielsweise Materialeigenschaften des Werkstücks und/oder Material- sowie Geometrieeigenschaften der Schraube, automatisch ein und werden berücksichtigt, ohne dass es einer expliziten Parametrierung und Erfassung dieser verschiedenen Parameterwerte bei unterschiedlichen Anwendungen bedarf.
Zur Bestimmung der Trendlinie aus den vorhergehenden Drehmomentwerten werden vorzugsweise an sich bekannte, insbesondere mathematische Methoden ergriffen. So besteht die Möglichkeit, die bisher erfassten Messwerte durch einen geeigneten Kurvenfit zu approximieren und anhand des Kurvenfits die zukünftige Trendlinie festzulegen. Im einfachsten Fall wird bei diesem Kurvenfit der Drehmomentverlauf durch eine Gerade mit definierter Steigung approximiert. Hierbei wird vorzugsweise jeweils ein definiertes Auswerteintervall vorgegeben, welches für die Ermittlung und Prognose der weiteren Trendlinie herangezogen wird.
Der Drehmomentverlauf wird hierbei in Abhängigkeit eines Verlaufsparameters erfasst. Bei diesem handelt es sich insbesondere um einen Drehwinkel, mit dem die Schraube eingedreht wird. Als Verlaufsparameter können grundsätzlich auch andere Parameter, wie beispielsweise die Drehzahl, herangezogen werden. Es wird daher ein Intervallbereich für diesen Verlaufsparameter festgelegt, welcher zur Bestimmung der zukünftigen Trendlinie ausgewertet wird. Vorzugsweise wird für die Prognose der Trendlinie beispielsweise ein Winkelintervall von zumindest 60° und vorzugsweise von zumindest 120° und maximal von 180° oder 360° ausgewertet.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird die Trendlinie dabei vorzugsweise durch eine gleitende Mittelwertbildung aus dem Drehmomentverlauf abgeleitet. Hierunter wird verstanden, dass kontinuierlich aus den erfassten Drehmomentwerten ein Mittelwert eines vorgegebenen Intervalls des Verlaufsparameters gebildet wird. Der aktuell ermittelte Mittelwert zuzüglich des Toleranzabstandes definiert dann den Wert der Toleranzlinie für den nachfolgenden, aktuell erfassten Drehmomentwert.
Vorzugsweise wird ergänzend oder alternativ auch der Toleranzabstand aus vorhergehenden Drehmomentwerten abgeleitet. Auch hier werden unter vorhergehenden Drehmomentwerten wiederum insbesondere die während des jeweiligen Schraubvorgangs erfassten Drehmomentwerte bis zum aktuellen Zeitpunkt verstanden. Auch der Toleranzabstand wird daher ergänzend insbesondere kontinuierlich angepasst. Insgesamt ergibt sich dadurch quasi ein doppelter Selbstlerneffekt, nämlich einerseits für den Verlauf der Trendlinie und andererseits auch für den zulässigen Toleranzbereich. Die dynamische Anpassung des Toleranzabstands beruht dabei auf der Überlegung, dass anhand des erfassten Drehmomentverlaufs zunehmend sichere Aussagen über die Streuung und Varianz der erfassten Drehmomentwerte getroffen werden kann und dass daher der Toleranzabstand – ausgehend von einem Initial- oder Anfangswert – kontinuierlich zur Verbesserung der Genauigkeit angepasst werden kann.
Zweckdienlicherweise wird der Toleranzabstand entsprechend auch mit Hilfe einer statistischen Funktion als Maß für eine statistische Abweichung, z.B. Standardabweichung aus dem zuvor erfassten Drehmomentverlauf ermittelt.
Insgesamt wird durch diese doppelte Anpassung eine zunehmend bessere Charakterisierung der Schraubpaarung während des jeweiligen Schraubvorgangs erreicht, was zu einer Identifizierung der Kopfauflage mit hoher Genauigkeit führt. Es werden daher quasi die aktuellen Gegebenheiten der Schraubpaarung individuell für jeden Schraubvorgang über die Auswertung des tatsächlichen Drehmomentverlaufs unter Anpassung einerseits der Trendlinie und andererseits des Toleranzabstands ermittelt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist entsprechend auch vorgesehen, dass zur Erkennung der Kopfauflage keine werkstückspezifische und/oder schraubenspezifische Parametrierung für die Bestimmung der Kopfauflage im Vorfeld erfolgt. Es ist daher kein spezielles, geschultes Bedienpersonal und kein besonderes Know how erforderlich. Bisher mussten anwendungsbezogen in Abhängigkeit der aktuellen Schraubverbindung Parameter festgelegt werden, die für die Bestimmung der Kopfauflage wesentlich waren. Dies ist nunmehr bei der hier vorgestellten Methode nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen. Es brauchen lediglich allgemeine Standard-Parameter für den Schraubvorgang vorgegeben werden, die jedoch nicht für die Bestimmung der Kopfauflage relevant sind. Diese Standard-Parameter sind insbesondere und vorzugsweise abschließend die Vorgabe einer Soll-Drehzahl, die Vorgabe einer maximalen Überwachungszeit bis der Schraubvorgang abgebrochen wird sowie die Vorgabe eines Weiterdrehmoments bzw. Weiterdrehwinkels ab Kopfauflage.
In bevorzugter Weiterbildung wird zu Beginn eines jeden Schraubvorgangs ein fester Initialwert für den Toleranzbereich herangezogen. Dieser Toleranzbereich wird dabei ausreichend groß gewählt, um zuverlässig zu Beginn des Schraubvorgangs auszuschließen, dass der tatsächliche Drehmomentverlauf die Toleranzlinie schneidet. Bevorzugt ist lediglich ein einziger Initialwert hinterlegt. Alternativ können auch typisierte unterschiedliche Initialwerte beispielsweise in Abhängigkeit von typischen Schraubpaarungen oder in Abhängigkeit von typischen Materialien für das Werkstück hinterlegt sein.
Da üblicherweise zu Beginn des Schraubvorgangs Störeffekte wirken, welche nicht zu dem eigentlichen Schraubvorgang zählen, ist in bevorzugter Weiterbildung vorgesehen, dass ein Anfangsintervall des Drehmomentverlaufs unberücksichtigt bleibt. Hierunter wird verstanden, dass die ersten Drehmomentwerte sowohl für die Erkennung der Kopfauflage als auch für die dynamische Anpassung der Trendlinie und/oder des Toleranzabstands unberücksichtigt bleiben. Das Anfangsintervall ist durch die ersten Werte des Verlaufsparameters, also insbesondere des Drehwinkels, definiert. Das Anfangsintervall erstreckt sich dabei vorzugsweise über einen Winkelbereich von 180° oder auch 360° (halbe bzw. volle Umdrehung), beginnend ab einem ersten Drehmomentanstieg infolge des Kontakts der Schraube mit dem Werkstück.
Durch das hier gewählte Prinzip für die Erkennung der Kopfauflage anhand des Schnittpunkts zwischen der Toleranzlinie und dem tatsächlichen Drehmomentverlauf gibt – je nach Wahl des aktuellen Toleranzabstands – der Schnittpunkt die tatsächliche Kopfauflage nur verzögert wieder. Um eine Identifizierung des Zeitpunkts (Winkelstellung) der tatsächlichen Kopfauflage möglichst genau zu erfassen, ist in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin vorgesehen, dass ausgehend von dem erfassten Drehmomentverlauf und ausgehend von dem ermittelten Schnittpunkt auf das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage zurückgeschlossen, insbesondere zurückgerechnet wird. Auch hier werden insbesondere mathematische Methoden, wie beispielsweise ein Kurvenfit, etc., eingesetzt. Durch das Zurückrechnen bzw. Zurückschließen wird ein definierter Wert des Verlaufsparameters, insbesondere des Drehwinkels ermittelt, welcher die tatsächliche Kopfauflage angibt.
Hierzu erfolgt beispielsweise eine Interpolation des Drehmomentverlaufs im Bereich des Schnittpunkts und Approximation des Verlaufs insbesondere durch eine Gerade. Ergänzend wird der Drehmomentverlauf in einem definierten Intervall vor dem Schnittpunkt ebenfalls interpoliert und insbesondere durch eine Gerade approximiert. Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden wird dann beispielsweise als die tatsächliche Kopfauflage identifiziert. Für die Interpolation des Drehmomentverlaufs vor dem Schnittpunkt wird vorzugsweise ein Intervallbereich vor dem Schnittpunkt unberücksichtigt gelassen. Dieser Intervallbereich liegt dabei beispielsweise bei mehreren 10°, beispielsweise bei 30° oder auch bei 60°.
Alternativ zu dieser Interpolation zur Bestimmung eines Schnittpunkts wird in zweckdienlicher Ausgestaltung der Gradient, also die Änderung des Drehmomentverlaufs vor dem Erreichen des Schnittpunkts ausgewertet. Dabei wird – wie bei bisherigen Drehmomentüberwachungen – eine charakteristische Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs als Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage identifiziert. Im vorliegenden Fall wird dies jedoch nur einmalig durchgeführt, wenn nämlich bereits zuvor aufgrund des Schnittpunkts die Kopfauflage grundsätzlich identifiziert wurde. Die Gradientenbildung dient daher lediglich zur Bestimmung des genauen Zeitpunkts der Kopfauflage, nicht jedoch zum grundsätzlichen Erkennen der Kopfauflage.
Für das weitere Festziehen der Schraube wird anschließend in zweckdienlicher Ausgestaltung diese ermittelte tatsächliche Kopfauflage als Ausgangspunkt für das weitere Festziehen, also die zweite Phase des Schraubvorgangs, herangezogen. Dieses Festziehen erfolgt dabei in herkömmlicher Weise beispielsweise winkelgesteuert oder drehmomentgesteuert.
Bei der Schraubeinheit handelt es sich insbesondere um eine mit einem zweckdienlicherweise elektrischen Antriebsmotor versehene Einheit und das Überwachungsmodul wertet einen Motorkennwert zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs aus. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Motorstrom als Basis für die Berechnung des abgegebenen Drehmoments. Alternativ wird das Drehmoment direkt mit Hilfe eines geeigneten Messwertaufnehmers gemessen. Hierbei handelt es sich beipsielsweise um einen Dehn-Messstreifen oder auch um eine sogenannte Drehmomentmesswelle.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine stark vereinfachte Darstellung einer Schraubeinheit zusammen mit einer selbstformenden Schraube zur Illustration eines Einschraubvorgangs der Schraube in ein Werkstück,
2 eine Blockbilddarstellung umfassend eine Steuereinheit der Schraubeinheit sowie eine Antriebseinheit und
3 ein Diagramm, bei dem ein erfasster Drehmomentverlauf gegenüber einem Drehwinkel der Schraubeinheit aufgetragen ist.
Zur Ausführung eines automatisierten Einschraubvorgangs einer Schraube 2 in ein Werkstück 4 ist gemäß 1 eine Schraubeinheit 6 vorgesehen. Mit Hilfe der Schraube 2 wird beispielsweise ein hier nicht näher dargestelltes Bauteil am Werkstück 4 befestigt. Diese weist eine insbesondere als Elektromotor ausgebildete Antriebseinheit 8 auf, die mit Hilfe einer Steuereinheit 10 angesteuert wird. Über die Antriebseinheit 8 wird eine Spindel in eine Drehbewegung um eine Rotationsachse versetzt. Beim Einschraubvorgang wird diese Drehbewegung mit Hilfe eines stirnseitig angeordneten Angriffelements 12, beispielsweise ein Schrauberbit oder ein Werkzeugschlüssel, auf die Schraube 2 übertragen.
Bei der Schraube 2 handelt es sich insbesondere um eine selbstformende Schraube 2, welche also in das Werkstück 4 eingeschraubt wird, ohne dass in diesem vorhergehend ein Gewinde eingebracht ist. Die Schraube 2 weist hierzu einen Schraubenkopf 14 sowie einen Gewindeschaft 16 auf. Die Unterseite des Schraubenkopfes 14 bildet eine Kopfauflagefläche 18 aus.
In 1 sind drei unterschiedliche Zustände während eines jeweiligen Schraubvorgangs dargestellt. Auf der linken Bildseite ist die Situation zu Beginn des Schraubvorgangs dargestellt, bei der also die Schraube 2 erstmalig in Kontakt mit dem Werkstück 4 kommt. Durch einen geeigneten Anpressdruck sowie der von der Antriebseinheit 8 ausgeübten Drehbewegung wird anschließend während einer ersten Phase des Schraubvorgangs die Schraube 2 sukzessive in das Werkstück 4 eingedreht, bis die sogenannte Kopfauflage K erreicht wird, die in der Bildmitte der 1 dargestellt ist. Bei dieser sogenannten Kopfauflage K erreicht der Schraubenkopf 14 mit seiner Kopfauflagefläche 18 die Oberfläche des Werkstücks 4, kommt also auf dieser zum Aufliegen. Das Erreichen der Kopfauflage K ist dabei mit einem deutlichen Drehmomentanstieg verbunden.
Anschließend erfolgt dann noch ein Festziehen der Schraube 2 in einer anschließenden zweiten Phase des Schraubvorgangs bis der Einschraubvorgang beendet ist, wie dies auf der rechten Bildhälfte der 1 dargestellt ist. Zur Illustrierung des Festziehens der Schraube ist beispielhaft der Schraubenkopf 14 als in das Werkstück 4 eingezogen dargestellt.
Bei den hier insbesondere interessierenden Verschraubungen handelt es sich insbesondere um Werkstücke 4 aus einem vergleichsweise weichen Material, insbesondere Holz, Kunststoff oder auch Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium.
Die Steuerung und Überwachung des Schraubvorgangs erfolgt mit Hilfe der Steuereinheit 10, wie dies grob vereinfacht anhand der Blockbild-Darstellung in 2 dargestellt ist. Die Steuereinheit 10 gibt ein geeignetes Steuersignal S an die Antriebseinheit 8 ab. Hierbei kann es sich entweder um ein Steuersignal im engeren Sinne handeln oder auch um die Freigabe oder das Abschalten der Stromversorgung für den Elektromotor. Hierzu weist die Steuereinheit 10 beispielsweise ein integriertes Steuermodul 20 auf. Dieses erfasst beispielsweise auch den vom Elektromotor aufgenommenen Motorstrom als charakteristischen Wert für ein aktuell vom Elektromotor auf die Schraube 2 ausgeübtes Drehmoment m.
Die Steuereinheit 10 umfasst weiterhin ein Überwachungsmodul 22, welches beispielsweise vom Steuermodul 20 als Eingangssignal jeweils einen aktuellen Drehmomentwert m_i oder zumindest eine zu diesem korrelierte Kenngröße erhält.
Anhand der übermittelten Drehmomentwerte m_i überwacht das Überwachungsmodul 22 den Schraubvorgang insbesondere im Hinblick auf das Erreichen der Kopfauflage K. Sobald das Überwachungsmodul 22 die Kopfauflage K identifiziert hat, gibt sie ein Schaltsignal k_s ab. Dieses wird beispielsweise an das Steuermodul 20 übermittelt, welches anschließend anhand des Schaltsignals k_s die zweite Phase des Schraubvorgangs einleitet und durchführt.
Das Überwachungsmodul 22 ist zur Auswertung der Drehmomentwerte m_i geeignet ausgebildet. Das Überwachungsmodul 22 umfasst hierzu üblicherweise einen Mikroprozessor mit einem integrierten Algorithmus, über den die Drehmomentwerte m_i in geeigneter Weise ausgewertet werden.
Das Prinzip der Erkennung und Bestimmung der Kopfauflage K wird nachfolgend anhand der 3 näher erläutert. Anhand der jeweils aktuell erfassten Drehmomentwerte m_i ergibt sich insgesamt ein Drehmomentverlauf M. Die einzelnen Drehmomentwerte m_i werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit eines Drehwinkels α erfasst. Dieser Drehwinkel α gibt die jeweilige Drehposition des Angriffselements 12 und damit auch der Schraube 2 an. Anhand des Drehwinkels α ist also die Drehbewegung der Schraube 2 charakterisiert. Eine Drehbewegung um 360° bedeutet eine volle Umdrehung der Schraube 2 um ihre Rotationsachse.
Zur Identifizierung der Kopfauflage K werden eine sogenannte Trendlinie L sowie ein Toleranzabstand t festgelegt und vorzugsweise während des jeweiligen Schraubvorgangs kontinuierlich angepasst. Um den Toleranzabstand t beabstandet zur Trendlinie L verläuft eine obere Toleranzlinie T, welche also quasi eine Obergrenze eines zulässigen Drehmoments m für den jeweils aktuell erfassten Drehmomentwert m_i angibt.
Zu Beginn des Schraubvorgangs wird ein initialer Toleranzabstand t vorgegeben, der zunächst ausreichend groß gewählt ist. Zweckdienlicherweise bleiben die ersten Drehmomentwerte m_i sowohl für die Ermittlung der Trendlinie L als auch für die daraus abgeleitete Toleranzlinie T außer Betracht. Die Toleranzlinie T wird beispielsweise erst im Anschluss nach einem Anfangsintervall a, beispielsweise nach einem Winkelbereich von 60°, ermittelt. Der erste Punkt der Toleranzlinie T ergibt sich dabei aus dem erfassten aktuellen Drehmomentwert m_i zuzüglich des initialen Toleranzabstands t.
Wird der Toleranzabstand t beidseitig der Trendlinie L zur Ausbildung auch einer unteren Toleranzlinie angetragen, so ergibt sich beidseitig der Trendlinie L ein Toleranzbereich und damit insgesamt ein Trendkanal, innerhalb dessen die Drehmomentwerte m_i schwanken können, ohne dass auf Kopfauflage K erkannt wird.
Während des Schraubvorgangs wird die Trendlinie L dynamisch angepasst. Hierzu wird beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung vorgenommen. Im Ergebnis ergibt sich daher für die Trendlinie L insgesamt eine im Vergleich zum Drehmomentverlauf M geglättete Kurve, welche dem Drehmomentverlauf M folgt.
Ergänzend erfolgt auch eine dynamische Anpassung des Toleranzabstands t ausgehend von dem Initialwert zu Beginn. Zur Bestimmung des Toleranzabstands t wird insbesondere eine statistische Auswertung des Drehmomentverlaufs M vorgenommen und es wird beispielsweise ein Wert für eine zulässige Abweichung, beispielsweise die Standardabweichung, aus dem bisher erfassten Drehmomentverlauf M ermittelt. Der Toleranzabstand t ist daher insbesondere mit einer statistischen Streuung / Abweichung der erfassten Drehmomentwerte m_i direkt korreliert. Dadurch ergibt sich eine dynamische Veränderung des Toleranzabstands t, insbesondere eine Verringerung im Laufe des Schraubvorgangs. Der Toleranzabstand t gibt daher ein Maß für eine zulässige Streuung der einzelnen Drehmomentwerte m_i an.
Erreicht die Schraube 2 die Kopfauflage K, so steigt das Drehmoment m sprunghaft an. Dies führt dazu, dass der Drehmomentverlauf M die Toleranzlinie L in einem Schnittpunkt P schneidet. Dies wird von dem Überwachungsmodul 22 als Indiz für das Erreichen der Kopfauflage K ausgewertet.
Im nächstfolgenden Schritt wird anschließend auf das Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage K zurückgeschlossen, da prinzipbedingt der Schnittpunkt P nachfolgend und damit verzögert zur tatsächlichen Kopfauflage K auftritt. Hierzu wird der Drehmomentverlauf M in geeigneter Weise im Bereich des Schnittpunkts S ausgewertet. Speziell wird beispielsweise in einem definierten Winkelintervall vor Erreichen des Schnittpunkts P die Veränderung ∆m/∆α des Drehmoments m im Hinblick auf einen charakteristischen Anstieg ausgewertet, welcher dann als das Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage K bei einem definierten Kopfauflage-Drehwinkel α (K) gewertet wird.
Ausgehend von der so bestimmten tatsächlichen Kopfauflage K erfolgt dann für den weiteren Schraubvorgang die Steuerung in der zweiten Phase zum Festziehen der Schraube 2. Dies erfolgt insbesondere winkelgesteuert, d.h. ausgehend von dem ermittelten Kopfauflage-Drehwinkel α (K) wird die Schraube noch um einen definierten Winkel α weiter gedreht, bevor dann der Schraubvorgang abgebrochen wird und der Schrauber 2 zurückgezogen wird.
Bezugszeichenliste

2: Schraube
4: Werkstück
6: Schraubeinheit
8: Antriebseinheit
10: Steuereinheit
12: Angriffselement
14: Schraubenkopf
16: Gewindeschaft
18: Kopfauflagefläche
20: Steuermodul
22: Überwachungsmodul
a: Anfangsintervall
α: Drehwinkel
α(K): Kopfauflage-Drehwinkel
K: Kopfauflage
k_s: Schaltsignal
L: Trendlinie
M: Drehmomentverlauf
m: Drehmoment
m_i: Drehmomentwert
P: Schnittpunkt
S: Steuersignal
T: Toleranzlinie
t: Toleranzabstand

Claims

Schraubeinheit (6) zum Einschrauben von Schrauben (2) in ein Werkstück (4) umfassend eine Steuereinheit (10), die zur Erkennung einer Kopfauflage (K) eines Schraubenkopfes (14) auf dem Werkstück (4) ausgebildet ist und hierzu ein Überwachungsmodul (22) aufweist, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten (m_i) sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs (M) während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) – für den Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zur Kopfauflage (K) eine Trendlinie (L) sowie eine um einen Toleranzabstand (t) von dieser beabstandete Toleranzlinie (T) festlegt und – auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkennt, wenn der erfasste Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) an einem Schnittpunkt (P) schneidet.
Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Trendlinie (L) aus vorhergehenden Drehmomentwerten (m_i) abgeleitet und kontinuierlich angepasst wird.
Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Trendlinie (L) durch eine gleitende Mittelwertbildung aus dem Drehmomentverlauf (M) abgeleitet wird.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der Toleranzabstand (t) aus vorhergehenden Drehmomentwerten (m_i) abgeleitet wird.
Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der Toleranzabstand (t) mit Hilfe einer statistischen Funktion als Maß einer Abweichung des erfassten Drehmomentverlaufs (M) ermittelt wird.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass das Erkennen der Kopfauflage (K) ohne eine vorhergehende werkstückspezifische und/ oder schraubenspezifische Parametrierung für die Bestimmung der Kopfauflage (K) erfolgt.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass zu Beginn eines jeden Schraubvorgangs ein fester Initialwert für den Toleranzabstand (t) zur Bestimmung der Toleranzlinie (T) herangezogen wird.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass ein Anfangsintervall (a) des Drehmomentverlaufs (M) unberücksichtigt bleibt.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass ausgehend von dem erfassten Drehmomentverlauf (M) und ausgehend von dem Schnittpunkt (P) auf das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage (K) zurückgeschlossen wird.
Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass als Maß für das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage (K) die Änderung des Drehmomentverlaufs (M) vor dem Schnittpunkt (P) ausgewertet wird.
Schraubeinheit (6) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass ausgehend von der ermittelten tatsächlichen Kopfauflage (K) die Schraube (2) definiert festgezogen wird, insbesondere winkelgesteuert oder drehmomentgesteuert.
Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Antriebsmotor (8), insbesondere einen Elektromotor aufweist und das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass ein Motorkennwert zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs (M) ausgewertet wird, oder dass ein Messwertaufnehmer zur direkten Erfassung des aktuellen Drehmoments (m) vorgesehen ist.
Verfahren zum Einschrauben einer Schraube (2) in ein Werkstück (4) mit Hilfe einer Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des Einschraubvorgangs ein Drehmomentverlauf (M) erfasst und überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zu einer Kopfauflage (K) eine Trendlinie (L) sowie eine um einen Toleranzabstand (t) von dieser beabstandete Toleranzlinie (T) festlegt wird, und dass auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkannt wird, wenn der erfasste Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) schneidet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schraube (2) um eine selbstformende Schraube handelt.