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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Analyseeinheit zur Charakterisierung bzw. Klassifizierung von fehlerhaften Schraubprozessen.
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Für das Anziehen einer Schraube in einer Fertigungsstraße existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen Anzugsverfahren. Beim Anziehen einer Schraube kann eine Schraubprozesskurve erfasst werden, die das Anzugsmoment der Schraube als Funktion des Drehwinkels anzeigt. Wie in
DE4118595A1 beschrieben, kann auf Basis des maximalen Anzugsmoments einer Schraubprozesskurve bestimmt werden, ob eine Schraubverbindung in Ordnung (iO) oder nicht in Ordnung (niO) ist, d.h. ob ein Schraubprozess fehlerfrei oder fehlerhaft verlaufen ist.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, in zuverlässiger und automatischer Weise die Ursache, den Fehler-Typ bzw. die Fehlerart eines Fehlers eines Schraubprozesses zu bestimmen.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehler-Typs eines Fehlers eines Schraubprozesses beschrieben. Das Verfahren kann z.B. durch einen Computer bzw. Server ausgeführt werden.
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Ein Schraubprozess umfasst typischerweise das Einschrauben einer Schraube in ein Gewinde mittels eines elektrischen Schraubendrehers. Dabei wird die Schraube typischerweise durch Löcher von mindestens zwei Bauteilen geführt, um die Bauteile miteinander zu verbinden. Während eines Schraubprozesses können das Anzugsmoment und der Drehwinkel der Schraube anhand von ein oder mehreren Sensoren des elektrischen Schraubendrehers erfasst werden.
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Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer Schraubprozesskurve für den Schraubprozess (insbesondere für einen fehlerhaften Schraubprozess). Dabei zeigt die Schraubprozesskurve das Anzugsmoment als Funktion des Drehwinkels während des Schraubprozesses an. Mit anderen Worten, die Schraubprozesskurve kann anzeigen, wie sich das Anzugsmoment während des Schraubprozesses mit steigendem Drehwinkel entwickelt hat. Dabei verläuft die Schraubprozesskurve von einem Anfangspunkt (am Anfang des Schraubprozesses) bis zu einem Endpunkt (am Ende des Schraubprozesses). Die Endpunkte von Schraubprozesskurven für fehlerfreie Schraubprozesse liegen dabei typischerweise innerhalb eines Zielfensters für den Drehwinkel und/oder für das Anzugsmoment. Andererseits liegt der Endpunkt einer Schraubprozesskurve für einen fehlerhaften Schraubprozess typischerweise außerhalb des Zielfensters. Durch die Festlegung eines Zielfensters können in zuverlässiger, automatischer und effektiver Weise fehlerhafte Schraubprozesses identifiziert werden.
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Das Verfahren umfasst weiter das Bestimmen des Fehler-Typs eines Fehlers des (fehlerhaften) Schraubprozesses mittels eines Algorithmus zur Mustererkennung. Dabei ist der Algorithmus zur Mustererkennung eingerichtet, auf Basis einer Schraubprozesskurve ein Muster für einen bestimmten Fehler-Typ aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen zu erkennen. Mit anderen Worten, der Algorithmus zur Mustererkennung kann eingerichtet sein, ein Muster innerhalb der Schraubprozesskurve eines Schraubprozesses zu erkennen, das anzeigt, dass der Schraubprozess einen Fehler eines bestimmten Fehler-Typs aufweist. Durch den Fehler-Typ kann die Ursache für den Fehler des Schraubprozesses angezeigt werden.
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Das Verfahren kann zur Ermittlung des Fehler-Typs umfassen, das Vergleichen der Schraubprozesskurve mit einer Mehrzahl von Referenzkurven für die entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen. Insbesondere kann für jeden Fehler-Typ zumindest eine Referenzkurve bereitgestellt werden. Dabei entspricht die Referenzkurve für einen bestimmten Fehler-Typ z.B. einer typischen Schraubprozesskurve für einen Schraubprozess mit dem bestimmten Fehler-Typ. Die Referenzkurven können im Vorfeld (insbesondere experimentell) ermittelt werden. Beispielshafte Fehler-Typen sind: ein Verkanten der Schraube während des Schraubprozesses; ein Abrutschen eines Schraubendrehers während des Schraubprozesses; eine Luftverschraubung (bei der kein Verschrauben einer Schraube erfolgt); eine unzureichende Überlappung von Löchern des Schraubprozesses; und/oder ein Materialfehler einer Schraube des Schraubprozesses. Für jeden dieser (und ggf. weiterer) Fehler-Typen können ein oder mehrere Referenzkurven bereitgestellt werden.
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Außerdem kann das Verfahren umfassen, das Bestimmen des Fehler-Typs des Schraubprozesses in Abhängigkeit von dem Vergleich.
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Im Rahmen des Algorithmus zur Mustererkennung können somit mehrere Referenzkurven (als Referenzmuster) für mehrere unterschiedliche Fehler-Typen bereitgestellt werden. Es kann dann ermittelt werden, welche Referenzkurve (d.h. welches Referenzmuster) der Schraubprozesskurve des Schraubprozesses entspricht. Der Fehler-Typ dieser Referenzkurve kann dann dem Fehler-Typ des Schraubprozesses entsprechen. So können der Fehler-Typ und damit die FehlerUrsache eines Schraubprozesses in zuverlässiger und automatischer Weise bestimmt werden.
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Das Vergleichen kann umfassen, das Ermitteln, für jede der Mehrzahl von Referenzkurven, eines Abstandsmaß-Wertes für ein Abstandsmaß zwischen der Schraubprozesskurve und jeweils einer Referenzkurve der Mehrzahl von Referenzkurven, so dass sich eine Mehrzahl von Abstandsmaß-Werten für die entsprechende Mehrzahl von Referenzkurven ergibt. Das Ermitteln eines Abstandsmaß-Wertes für das Abstandsmaß zwischen der Schraubprozesskurve und einer bestimmten Referenzkurve kann dabei umfassen, das Ermitteln einer euklidischen Distanz zwischen Punkten (insbesondere zwischen Punktepaaren) der Schraubprozesskurve und der bestimmten Referenzkurve.
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Der Fehler-Typ kann dann auf Basis der Mehrzahl von Abstandsmaß-Werten bestimmt werden. Insbesondere kann eine erste Referenzkurve aus der Mehrzahl von Referenzkurven bestimmt werden, für die das Abstandsmaß den geringsten Abstandsmaß-Wert aus der Mehrzahl von Abstandsmaß-Werten aufweist. Es kann dann bestimmt werden, dass der Fehler des Schraubprozesses dem Fehler-Typ der ersten Referenzkurve entspricht. So kann der Fehler-Typ eines Fehlers eines Schraubprozesses in effizienter und präziser Weise bestimmt werden.
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Das Ermitteln eines Abstandmaß-Wertes für ein Abstandsmaß zwischen der Schraubprozesskurve und einer bestimmten Referenzkurve kann umfassen, das Abbilden der Schraubprozesskurve auf die bestimmte Referenzkurve mittels eines Dynamic-Time-Warping Algorithmus. Durch die Verwendung eines Dynamic-Time-Warping Algorithmus können Verzerrungen zwischen einer Schraubprozesskurve und den Referenzkurven ausgeglichen werden, so dass die Erkennungsrate der Fehler-Typen erhöht werden kann.
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Das Verfahren kann umfassen, das Bestimmen des Fehler-Typs einer Vielzahl von Schraubprozessen, die im Rahmen einer Fertigungslinie aufgetreten sind. Die Fehler-Typen können dabei als Funktion der Zeit ermittelt werden. Insbesondere kann die Häufigkeit der Fehler-Typen als Funktion der Zeit ermittelt werden. Basierend auf zumindest einem Teil dieser Information können dann ein oder mehrere Maßnahmen zur Reduzierung von Fehlern zumindest eines Fehler-Typs bei Schraubprozessen veranlasst werden. Insbesondere kann durch die zeitliche Auswertung der Fehler-Typen z.B. das Ansteigen der Häufigkeit eines bestimmten Fehler-Typs detektiert werden. Es können dann zeitnah Maßnahmen zur Beseitigung der Fehlerursache veranlasst werden. So können Fehler bei der Montage in zuverlässiger Weise reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Auswerteeinheit (z.B. mit einem Prozessor) zur Auswertung eines Schraubprozesses beschrieben. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine Schraubprozesskurve für den Schraubprozess zu ermitteln, wobei die Schraubprozesskurve ein Anzugsmoment als Funktion eines Drehwinkels während des Schraubprozesses anzeigt. Die Auswerteeinheit kann weiter eingerichtet sein, den Fehler-Typ eines Fehlers des Schraubprozesses mittels eines Algorithmus zur Mustererkennung zu bestimmen, der eingerichtet ist, auf Basis einer Schraubprozesskurve ein Muster für einen bestimmten Fehler-Typ aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen zu erkennen.
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Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, die Schraubprozesskurve mit einer Mehrzahl von Referenzkurven für die entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen zu vergleichen. Außerdem kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Vergleich den Fehler-Typ des Fehlers des Schraubprozesses zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 eine beispielhafte Prozesskurve für eine Verschraubung;
- 2 beispielhafte Referenzkurven für unterschiedliche Typen von Verschraubungs-Defekten;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung des Typs eines Verschraubungs-Fehlers; und
- 4 eine beispielhafte zeitliche Verteilung der Häufigkeiten von unterschiedlichen Fehler-Typen.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der automatischen und zuverlässigen Ermittlung des Typs eines Verschraubungs-Fehlers und damit der Ursache für einen Verschraubungs-Fehler.
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Für das Anziehen einer Schraube in einer Fertigungsstraße existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen Anzugsverfahren, wobei für sicherheitsrelevante Teile häufig das sogenannte Drehwinkel-gesteuerte Anzugsverfahren verwendet wird. Dabei werden Drehmoment und Drehwinkel der Schraubverbindung als Steuergrößen herangezogen, wobei im Endanzug der Drehwinkel und nicht das Drehmoment als Steuergröße dient. Die Schraube wird zuerst bis zu einem Schwellmoment angezogen und von dort aus um einen vorgegebenen Nachspannwinkel weitergedreht. Das Drehmoment wird hierbei zusätzlich als Kontrollgröße überwacht und aufgezeichnet. Das Anzugsmoment kann anschließend über dem Drehwinkel in einem Diagramm, der sogenannten Schraubenkurve oder Schraubprozesskurve, dargestellt werden.
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1 zeigt eine beispielhafte Schraubprozesskurve 100, die das Anzugsmoment 110 während eines Schraubprozesses als Funktion des Drehwinkels 120 angibt. Die Schraube wird zunächst bis zu einem Schwellmoment 111 angezogen. Daraufhin erfolgt ein Nachspannen der Schraube um einen bestimmten Nachspannwinkel 121, so dass sich am Ende des Verschraubungs-Prozesses ein Endpunkt 102 auf der Schraubprozesskurve 100 mit einem End-Drehwinkel 122 und einem End-Anzugsmoment 112 ergibt. Wenn der Endpunkt 102 in dem Zielfenster 101 von zulässigen Endpunkten liegt, so kann die Verschraubung als iO betrachtet werden. Ansonsten kann die Verschraubung als niO betrachtet werden.
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In modernen Fertigungslinien werden sicherheitskritische Verschraubungsvorgänge typischerweise Prozess-überwacht. Hierbei können Drehmoment 110 und Drehwinkel 120, welche beim Anziehen einer Schraube mit einem elektrischen Schraubendreher (insbesondere EC (electronically commutated)-Schrauber) anliegen, aufgezeichnet werden. Anhand der Schraubprozesskurve 100, welche aus dem aufgezeichneten Drehmoment 110 und dem zugehörigen Drehwinkel 120 erstellt wird, kann das korrekte Anziehen einer Schraube überprüft werden. Hierbei wird der zur Schraube zugehörige Schraubprozess in die Kategorie „iO“ (in Ordnung) oder in die Kategorie „niO“ (nicht in Ordnung) eingeteilt, wobei Prozesse, welche in die zweite Kategorie fallen, anschließend nachgearbeitet werden müssen. Die Anzahl von Defekten bzw. Fehlern beim Anziehen einer Schraube (d.h. Schrauben, welche in die niO-Kategorie fallen), kann mit der Zeit aufgezeichnet werden.
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Die zugehörigen Schraubprozesskurven 100 von Verschraubungs-Fehlern können von einem Schraubenexperten gesichtet und nach Ursachen für das Fehlanziehen eingeteilt werden. Die daraus gewonnene Information kann für eine Fehlersichtung und/oder für eine Prozessoptimierung einer Montagestraße verwendet werden. Die manuelle Auswertung von Schraubprozesskurven 100 erfordert dabei Spezialwissen und ist typischerweise zeitaufwändig und ggf. fehlerbehaftet. Des Weiteren kann aufgrund der großen Datenmenge bei einer Massenproduktion typischerweise nur eine stichprobenartige Prüfung der Schraubprozesskurven 100 erfolgen, so dass statistische Aussagefähigkeiten bzw. Langzeitbetrachtungen eingeschränkt sind. Außerdem kann bei einer manuellen Auswertung typischerweise nicht der genaue Grund für jedes einzelne Fehlanziehen von Schrauben ermittelt werden, so dass nur bedingt Aussagen über die Häufigkeit von unterschiedlichen Defekt-Typen möglich sind.
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Durch Anwendung eines Algorithmus zur Mustererkennung können die Schraubprozesskurven 100 von Verschraubungen automatisch analysiert, charakterisiert und unterschiedlichen Fehler-Gruppen bzw. Fehler-Typen zugeordnet werden. Durch die Einteilung in Gruppen (wobei jede Gruppe eine unterschiedliche Fehlerart repräsentieren kann, wie z.B. ein Abrutschen bei der Verschraubung oder ein Verkanten während der Verschraubung) kann in präziser Weise die Häufigkeit der unterschiedlichen Fehler-Typen ermittelt werden. Diese Information kann z.B. für die Auswertung und Optimierung einer Montagestraße verwendet werden.
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Für die Zuweisung von Schraubprozesskurven 100 zu unterschiedlichen Fehler-Typen kann ein Klassifikator bzw. ein Algorithmus zur Mustererkennung bereitgestellt werden. Der Klassifikator kann eine Mehrzahl von Referenzkurven für eine entsprechende Mehrzahl von Fehler-Typen umfasst. 2 zeigt beispielhaft zwei Referenzkurven 201, 202 für zwei unterschiedliche Fehler-Typen. Die Referenzkurve 201, 202 für einen bestimmten Fehler-Typ kann dabei einer typischen (z.B. mittleren) Schraubprozesskurve 100 für Verschraubungen entsprechen, die den bestimmten Fehler-Typ aufweisen.
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Die Schraubprozesskurve 100 einer Verschraubung, die als ni0 kategorisiert wurde, kann dann mit den Referenzkurven 201, 202 für die Mehrzahl von Fehler-Typen verglichen werden. Insbesondere kann für jede der Mehrzahl von Referenzkurven 201, 202 der Wert eines Abstandsmaßes zwischen der Schraubprozesskurve 100 und einer der Referenzkurven 201, 202 berechnet werden, so dass sich eine Mehrzahl von Abstandsmaß-Werten für die entsprechende Mehrzahl von Referenzkurven 201, 202 ergibt. Die Schraubprozesskurve 100 kann dann in Abhängigkeit von der Mehrzahl von Abstandsmaß-Werten einem Fehler-Typ zugewiesen werden. Insbesondere kann die Schraubprozesskurve 100 dem Fehler-Typ zugewiesen werden, für den sich der geringste Abstandsmaß-Wert ergibt.
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4 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Häufigkeit 410 von Verschraubungs-Fehlern als Funktion der Zeit 401. Insbesondere zeigt 4 beispielhaft an, wie häufig Verschraubungs-Fehler in bestimmten Zeiträumen (z.B. von einer Stunde oder einem Tag) in einem Montageprozess aufgetreten sind. Die Schraubprozesskurven 100 der defekten Verschraubungen in einem bestimmten Zeitraum können mittels des in diesem Dokument beschriebenen Klassifikators unterschiedlichen Fehler-Typen zugewiesen werden. Basierend darauf können dann die Häufigkeiten 411, 412, 413, 414 für das Auftreten der unterschiedlichen Fehler-Typen ermittelt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Bestimmung des Fehler-Typs eines Fehlers eines ggf. als fehlerhaft erkannten Schraubprozesses. Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 einer Schraubprozesskurve 100 für den Schraubprozess, wobei die Schraubprozesskurve 100 ein Anzugsmoment 110 als Funktion eines Drehwinkels 120 während des Schraubprozesses anzeigt. Das Verfahren 300 kann weiter umfassen, das Bestimmen 302, 303 des Fehler-Typs des Fehlers des Schraubprozesses mittels eines Algorithmus zur Mustererkennung (d.h. mittels eines Klassifikators), der eingerichtet ist, auf Basis einer Schraubprozesskurve 100 ein Muster für einen bestimmten Fehler-Typ aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen zu erkennen.
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Insbesondere kann das Verfahren 300 umfassen, das Vergleichen 302 der Schraubprozesskurve 100 mit einer Mehrzahl von Referenzkurven 201, 202 für eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Fehler-Typen. Der Fehler-Typ des Fehlers des Schraubprozesses kann dann in Abhängigkeit von dem Vergleich bestimmt werden (Schritt 303).
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Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren 300 ermöglicht eine automatische und transparente Darstellung der Fehlerarten von Schraubprozessen, und damit eine effiziente und effektive Fehlerursachenbehebung in einem Montageprozess. Des Weiteren können durch eine Analyse der zeitlichen Entwicklung von Fehlerarten Trends und Muster bei den Fehlerarten erkannt werden, was z.B. für eine Fehlerprävention genutzt werden kann. Durch die Verwendung eines angelernten Klassifikators bzw. eines Algorithmus zur Mustererkennung wird die Analyse von Verschraubungskurven unabhängig von möglichen menschlichen Fehlern.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
