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Es wird ein Verfahren zur Prozesskontrolle bei Schraubprozessen angegeben. Bei dem Schauprozess wird ein Verbindungselement, wie z.B. eine Schraube oder eine Mutter, mit einem weiteren Bauelement verbunden.
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Zur Befestigung von Bauteilen wird, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, die sogenannte EC-Schraubtechnik eingesetzt. Damit lässt sich der Schraubprozess überwachen und ein Rückschluss auf die Qualität der erstellten Schraubverbindung schließen.
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Üblicherweise wird der prozessüberwachte Schraubprozess mittels zweier unabhängiger Messgrößen, nämlich des Drehmoments und des Drehwinkels, dargestellt. Eine gewisse Restunsicherheit bleibt jedoch, da dabei normalerweise nicht die Kopfauflage der Schraube am Bauteil und/oder das Fehlen eines Anbauteiles detektiert werden kann.
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Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, ein Verfahren zur Prozesskontrolle bei Schraubprozessen anzugeben, mittels dessen die Sicherheit bei Schraubprozessen erhöht werden kann. Beispielsweise kann dadurch eine Schraubenkopfauflage und/oder das Fehlen von Anbauteilen detektiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Prozesskontrolle bei Schraubprozessen werden ein Verbindungselement, welches ein Gewinde aufweist, und eine Messeinheit zur Erfassung eines Drehmoments und/oder einer Kraft bereitgestellt. Vorzugsweise ist die Messeinheit zur Erfassung eines Drehmoments in Abhängigkeit eines Drehwinkels und/oder zur Erfassung einer Kraft in Abhängigkeit eines Weges ausgebildet.
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Das Verbindungselement wird mit einem Bauteil in einem Schraubprozess unter Messung des Drehmoments und/oder der Kraft in Abhängigkeit des Drehwinkels und/oder des Weges verbunden, wobei die Messung mittels der Messeinheit erfolgt.
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Das Verbindungselement weist zumindest eine Markierstelle auf. Vorzugsweise ist die Markierstelle als beim Schraubprozess überwindbares Hindernis ausgebildet. Weiterhin weist die Markierstelle vorzugsweise einen definierten Abstand zu einer Auflagestelle des Verbindungselements auf. Vorzugsweise kontaktiert das Verbindungselement nach dem Beenden des Schraubprozesses das Bauteil mit der Auflagestelle. Beispielsweise kann es sich bei der Auflagestelle um eine Unterkopfseite eines Schraubenkopfes einer Schraube handeln. Vorzugsweise ist die Markierstelle derart ausgebildet, dass beim Schraubprozess die erforderliche Schraubkraft bzw. das erforderliche Drehmoment ab dem Erreichen der Markierstelle zunimmt. Das Erreichen der Markierstelle kann beispielsweise erfolgen, wenn die Markierstelle des Verbindungselements während des Schraubprozesses das Bauteil erreicht.
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Ein Erreichen der Markierstelle während des Schraubprozesses wird von der Messeinheit detektiert. Insbesondere kann die Messeinheit das Erreichen des überwindbaren Hindernisses detektieren, z.B. durch einen Anstieg der aufzuwendenden Schraubkraft und/oder des aufzuwendenden Drehmoments.
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Vorzugsweise wird der von der Markierstelle zur Auflagestelle zurückzulegende Restschraubweg beim Schraubprozess berücksichtigt. Beispielsweise kann der zurückzulegende Restschraubweg während des Schraubprozesses oder im Anschluss an den Schrauprozess gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich zur Berücksichtigung des Restschraubwegs während des Schraubprozesses kann beispielsweise eine nachträgliche Bewertung des Schraubprozesses mittels von der Messeinheit aufgezeichneter Daten erfolgen, insbesondere da der Abstand zwischen der Markierstelle und der Auflagestelle bekannt ist.
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Mittels des hier beschriebenen Verfahrens kann durch zusätzliche Messgrößen eine erhöhte Sicherheit im Schraubprozess gewährleistet werden. Weiterhin kann beispielsweise das Fehlen von Anbauteilen detektiert werden. Das Feststellen einer vorhandenen Schraubenkopfauflage oder das Fehlen derselben kann durch Korrelation des anliegenden Drehmoments in Kombination mit dem zurückgelegten Restschraubweg von der Markierstelle zur Auflagestelle sichergestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, beim Schraubprozess ab dem Erreichen der Markierstelle einen rein drehwinkel- und/oder schraubweggesteuerten Anzug vorzusehen. Das Drehmoment und die Kraft sind als Steuergrößen nicht mehr erforderlich. Dadurch können Reibeinschlüsse ausgeschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt die beim Schraubprozess aufzuwendende Schraubkraft und/oder das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment beim Erreichen der Markierstelle um mindestens 10% zu. Bevorzugt nimmt die beim Schraubprozess aufzuwendende Schraubkraft und/oder das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment beim Erreichen der Markierstelle um mindestens 25 %, besonders bevorzugt um mindestens 50 %, zu.
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Bei der Markierstelle kann es sich beispielsweise um eine Kerbe im Verbindungselement handeln. Die Kerbe kann z.B. an einer Seite des Verbindungselements ausgebildet sein. Weiterhin kann es sich um eine umlaufende Kerbe handeln. Weiterhin kann die Markierstelle als Auswölbung ausgebildet sein. Im Bereich der Auswölbung weist das Verbindungselement beispielsweise einen vergrößerten Umfang auf. Die Auswölbung kann ebenfalls eine umlaufende Auswölbung sein. Des Weiteren kann die Markierstelle bzw. Auswölbung z.B. als Klebe- und/oder Sicherungspunkt ausgeführt sein. Allgemein formuliert kann es sich bei der Markierstelle um eine definierte geometrische Abweichung an einer bestimmten Stelle des Verbindungselements handeln, welche einen definierten Abstand zur Auflagestelle aufweist. Die Markierstelle kann entweder direkt beim Herstellen des Verbindungselements oder nachträglich nach dem eigentlichen Herstellprozess des Verbindungselements erzeugt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment beim Erreichen der Markierstelle um mindestens 0,5 Nm zu. Bevorzugt nimmt das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment beim Erreichen der Markierstelle um mindestens 3,0 Nm, besonders bevorzugt um mindestens 5,0 Nm, zu.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt die beim Schraubprozess aufzuwendende Schraubkraft und/oder das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment nach einem Passieren der Markierstelle wieder ab. Insbesondere kann die aufzuwendende Schraubkraft bzw. das aufzuwendende Drehmoment nach dem Überwinden des überwindbaren Hindernisses, welches durch die Markierstelle im Verbindungselement ausgebildet ist, und vor einem Erreichen eines Endanzugdrehmoments wieder abnehmen. Beispielsweise kann die beim Schraubprozess aufzuwendende Schraubkraft und/oder das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment nach dem Passieren der Markierstelle um mindestens 10% abnehmen. Bevorzugt nimmt die beim Schraubprozess aufzuwendende Schraubkraft und/oder das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment nach dem Passieren der Markierstelle um mindestens 25 %, besonders bevorzugt um mindestens 50 %, ab.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment nach dem Passieren der Markierstelle um mindestens 0,5 Nm ab. Bevorzugt nimmt das beim Schraubprozess aufzuwendende Drehmoment nach dem Passieren der Markierstelle der Markierstelle um mindestens 3,0 Nm, besonders bevorzugt um mindestens 5,0 Nm, ab.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden beim Schraubprozess, insbesondere ab dem Erreichen der Markierstelle, als Steuergröße für den Schraubprozess neben Drehwinkel und/oder Schraubweg keine weiteren Steuergrößen verwendet. Durch einen rein drehwinkelgesteuerten bzw. schraubweggesteuerten Anzug können vorteilhafterweise Reibeinflüsse ausgeschlossen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verbindungselement einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich auf. Vorzugsweise ist der erste Teilbereich vom Gewinde des Verbindungselements ausgebildet. Der zweite Teilbereich ist vorzugsweise gewindefrei ausgebildet. Die Markierstelle kann z.B. im ersten Teilbereich ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Markierstelle im zweiten, gewindefreien Teilbereich ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei der zweite Teilbereich zwischen dem ersten Teilbereich und der Auflagestelle angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verbindungselement als Schraube ausgebildet. Insbesondere kann das Verbindungselement einen Schraubenschaft und einen mit dem Schraubenschaft verbundenen Schraubenkopf aufweisen. Der Schraubenkopf weist eine Unterkopfseite auf, wobei die Auflagestelle durch die Unterkopfseite gebildet ist. Beim Beenden des Schraubprozesses liegt die Unterkopfseite des Schraubenkopfes vorzugsweise am Bauteil an.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verbindungselement als Schraubenmutter oder als Bauteil mit einem Mutterngewinde ausgebildet. Die Markierstelle kann beispielsweise im Gewinde der Schraubenmutter bzw. des Mutterngewindes ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Markierstelle von der Auflagestelle einen Abstand von mindestens 5,0 mm, bevorzugt von mindestens 10,0 mm, auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verbindungselement eine weitere Markierstelle auf. Die weitere Markierstelle kann ein oder mehrere Merkmale der vorangehen beschriebenen Markierstelle aufweisen. Insbesondere kann die weitere Markierstelle beim Schraubprozess ein überwindbares und durch die Messeinheit detektierbares Hindernis darstellen, wobei die weitere Markierstelle vorzugsweise ebenfalls einen definierten Abstand zur Auflagestelle des Verbindungselements aufweist. Vorzugsweise ist die weitere Markierstelle von der Markierstelle beabstandet. Beispielsweise kann die weitere Markierstelle einen Abstand von mindestens 5,0 mm zu Markierstelle aufweisen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens zur Prozesskontrolle bei Schraubprozessen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 2B beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:
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1A eine schematische Darstellung eines bei dem Verfahren eingesetzten Verbindungselements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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1B eine schematische Darstellung eines Verbindungselements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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2A ein Schraubprozess-Diagramm bei einem Schraubprozess gemäß dem Stand der Technik, und
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2B ein Schraubprozess-Diagramm bei einem hier beschriebenen Schraubprozess gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1A zeigt eine schematische Darstellung eines bei einem hier beschriebenen Schraubprozess eingesetzten Verbindungselements 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Das Verbindungselement 1 ist als Schraube ausgebildet und weist einen Schraubenschaft sowie einen Schraubenkopf auf. Der Schraubenkopf weist eine Unterkopfseite auf, welche als Auflagestelle 3 dient. Im Schraubenschaft weist das Verbindungselement 1 einen ersten Teilbereich 4 mit einem Gewinde und einen zweiten Teilbereich 5, der gewindefrei ausgebildet ist, auf. Im Ausführungsbeispiel gemäß der 1A ist eine Markierstelle 2 im ersten Teilbereich 4 des Verbindungselements 1 ausgebildet. Die Markierstelle 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Kerbe ausgeführt. Alternativ kann die Markierstelle 2 beispielsweise auch als umlaufende Kerbe oder als eine den Schaftumfang vergrößernde Auswölbung ausgebildet sein. Die Markierstelle 2 weist einen definierten Abstand zur Auflagestelle 3 auf.
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Beim hier beschriebenen Verfahren wird das Verbindungselement 1 mit einem Bauteil verbunden, wobei das Schraubdrehmoment und/oder die Schraubkraft in Abhängigkeit des Drehwinkels und oder/des Weges mittels einer Messeinheit erfasst wird. Wenn während des Schraubvorgangs die Markierstelle 2 erreicht wird, kann dies von der Messeinheit detektiert werden. Aufgrund der bekannten Entfernung zwischen der Markierstelle 2 und der Auflagestelle 3 kann der Schraubprozess überwacht werden und/oder bei einem Aufzeichnen der von der Messeinheit erfassten Daten im Nachhinein bewertet werden.
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Die 1B zeigt ein Verbindungselement 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1A ist die Markierstelle 2 im zweiten Teilbereich 5, d.h. im gewindefreien Bereich des Schraubenschafts, welcher zwischen dem Gewinde und der Auflagestelle 3 angeordnet ist, vorgesehen. Alternativ kann die Markierstelle 2 beispielsweise wiederum als umlaufende Kerbe oder als Auswölbung ausgebildet sein. Weiterhin kann das Verbindungselement 1 eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Markierstellen aufweisen.
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In der 2A ist ein Schraubprozess, wie er im Stand der Technik bekannt ist, dargestellt. Mittels einer Messeinheit wird das Drehmoment in Abhängigkeit des Drehwinkels aufgenommen. Im ersten Abschnitt A des Schraubprozesses ist ein annähernd konstantes Drehmoment zum Verschrauben des Verbindungselements erforderlich. Im Abschnitt C ist das Endanzugdrehmoment erreicht, beispielsweise bei einem Erreichen der Auflage der Unterkopfseite des Verbindungselements 1 am Bauteil.
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Die 2B zeigt einen hier beschriebenen Schraubprozess. Im Unterschied zu dem in der 2A gezeigten Schraubprozess wird hierbei das Erreichen der Markierstelle 2 im Abschnitt B detektiert, da die Markierstelle 2 ein überwindbares Hindernis darstellt, aufgrund dessen ein höheres Drehmoment für das Verschrauben des Verbindungselements 1 erforderlich ist. Der Zeitpunkt des Erreichens der Markierstelle 2 kann durch die Messeinheit eindeutig detektiert werden. Aufgrund des bekannten Abstandes zwischen der Markierstelle 2 und der Auflagestelle 3 kann der Schraubprozess optimiert und/oder im Nachhinein bewertet werden.
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Vorteilhafterweise bringt das hier beschriebene Verfahren eine erhöhte Sicherheit bei Schraubprozessen.
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Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungselement
- 2
- Markierstelle
- 3
- Auflagestelle
- 4
- erster Teilbereich
- 5
- zweiter Teilbereich
- A, B, C
- Schraubprozessabschnitte
