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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubverbindung mittels einer Schraube, die mit einem Schraubkopf eines Schraubwerkzeugs in Drehbewegung versetzt wird, wobei der Schraubkopf einen motorischen Antrieb zur Erzeugung der Drehbewegung einer Schraubenaufnahme des Schraubkopfes aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Die
DE 10 2019 114 421 B3 offenbart ein Schraubwerkzeug in Form eines Knickarmroboters, und an der letzten Achse des Knickarmes ist ein Schraubkopf angeordnet, und der Schraubkopf weist einen motorischen Antrieb auf, um eine Schraubenaufnahme zur Aufnahme einer Schraube drehend anzutreiben. Derartige Schraubwerkzeuge kommen bei einer wenigstens teilautomatisierten Montage zum Einsatz, wobei zumeist das Ziel verfolgt wird, möglichst kurze Taktzeiten der aufeinander folgenden Schraubzyklen zu erreichen.
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Ein wesentlicher Zeitbestandteil eines Schraubzyklus ist das Einschrauben der Schraube in wenigstens einen Fügepartner, der mit der Schraube beispielsweise mit einem zweiten Fügepartner verbunden werden soll. So ist es regelmäßig erforderlich, beispielsweise einzubauende Bauteile in einem Kunststoffgehäuse einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs an Schraubdomen zu befestigen, wofür nach der Positionierung der Fügepartner zueinander die Schraube in den Schraubdom eingeschraubt werden muss. Dabei ist ein erforderliches Drehmoment zum Festziehen der Schraube einzuhalten, das sich dann einstellen muss, wenn der Kopf der Schraube zur Anlage gelangt. Durch eine sensorische Erfassung des Kopfauflagezeitpunktes wird gewöhnlich die Drehbewegung der Schraubenaufnahme abrupt gestoppt, wobei aus hohen Drehzahlen das Verzögern der Drehbewegung häufig problematisch ist, sodass zu hohe Drehmomente zum Festziehen der Schraube auftreten können.
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Beispielsweise schlägt die
DE 42 31 429 C1 die Anwendung von Ultraschall vor, der in die Schraube eingebracht wird. Durch das Schallverhalten der Schraube kann festgestellt werden, ob die Schraube unter Spannung gezogen wurde, um insofern den elektrischen Antrieb möglichst kurzfristig zu stoppen. Schneller laufende motorische Antriebe, insbesondere in Verbindung mit einem Getriebe, beispielsweise einem Planetengetriebe, können jedoch nicht grundsätzlich hinreichend schnell gestoppt werden, um eine Überhöhung des Drehmomentes zum Festziehen der Schraube zu vermeiden. Reduziert man jedoch die Drehzahl zum Eindrehen der Schraube, so verlängern sich die Zykluszeiten wiederum in unerwünschter Weise.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung liegt in der weiteren Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung einer Schraubverbindung mit möglichst kurzen Zykluszeiten, wobei ein vorgegebenes Drehmoment zum Festziehen der Schraube trotz kurzer Zykluszeit eingehalten werden soll.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und ausgehend von einem Schraubwerkzeug gemäß Anspruch 10 mit den jeweils kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Lösung der Aufgabe wenigstens die folgenden Schritte vor: Einschrauben der Schraube in wenigstens einen Fügepartner der Schraubverbindung in einem Eilgang, Erfassen eines Drehmomentes, mit dem die Schraube in den Fügepartner eingeschraubt wird, Wechsel des Eilganges mit einer höheren Drehzahl in einen Schleichgang mit einer niedrigeren Drehzahl zu einem Wechselzeitpunkt, wobei der Wechselzeitpunkt in Abhängigkeit vom erfassten Drehmoment während des Einschraubens im Eilgang bestimmt wird und weiteres Einschrauben der Schraube im Schleichgang bis zu einem Kopfauflagezeitpunkt, zu dem ein Kopf der Schraube zur Auflage auf den Fügepartner gelangt.
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Kerngedanke der Erfindung ist die Ausnutzung des Drehmomentverlaufes beim Einschrauben der Schraube noch vor dem Kopfauflagezeitpunkt, um anhand des Drehmomentverlaufes den vorausliegenden Kopfauflagezeitpunkt zu bestimmen und den Wechselzeitpunkt zum Wechsel des Eilgangs in den Schleichgang noch vor dem Kopfauflagezeitpunkt vorzunehmen. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass mit zunehmender Einschraubtiefe der Schraube, insbesondere einer selbstschneidenden Schraube in ein Kunststoffbauteil, beispielsweise in einen Schraubdom, das Drehmoment zum Einschrauben der Schraube anwächst, und es kann ein Auslösedrehmoment definiert werden, von dem an der vorausliegende Kopfauflagezeitpunkt statistisch bestimmt werden kann.
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Die Erfindung löst die Aufgabe insofern, als dass der Eilgang möglichst lange andauern kann, und der Schleichgang kann für eine nur kurze Dauer bis zum Kopfauflagezeitpunkt angefahren werden. Die Verzögerung der Drehbewegung durch den motorischen Antrieb aus dem Schleichgang heraus ist zum Ansteigen des Drehmomentes und bis zum Anfahren eines Anzugsdrehmomentes zum Festziehen der Schraube kann mit einem gewöhnlichen Schraubkopf realisiert werden. Das Anfahren aus dem Eilgang kann jedoch nicht so weit realisiert werden, um das gewünschte Anzugsdrehmoment einzustellen, da hierfür die Dynamik des motorischen Antriebes eines Schraubkopfes regelmäßig nicht ausreicht. Die Erfindung umgeht diesen Umstand, indem der Wechselzeitpunkt vom Eilgang in den Schleichgang möglichst bis kurz vor dem Kopfauflagezeitpunkt gesetzt wird. Die höhere Drehzahl im Eilgang ist relativ zu sehen gegenüber der niedrigeren Drehzahl im Schleichgang und umgekehrt.
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Mit weiterem Vorteil weist das Schraubwerkzeug eine Einrichtung zur Drehmomenterfassung auf, mit der das Drehmoment, das beim Einschrauben der Schraube dem wenigstens einen Fügepartner an der Schraubenaufnahme anliegt, erfasst und mittels einer Steuerung des Schraubwerkzeugs verarbeitet wird. Die Einrichtung zur Drehmomenterfassung kann eine Drehmomentmesszelle bilden, die am motorischen Antrieb oder an einem nachfolgenden Getriebe zwischen dem motorischen Antrieb und der Schraubenaufnahme eingerichtet wird. Jedoch ist es auch denkbar, die Einrichtung zur Drehmomenterfassung in Wirkverbindung zu bringen mit dem Aufnahmestrom oder der Aufnahmeleistung des motorischen Antriebes, aus dem bzw. aus der heraus auch aktuell auf ein Drehmoment geschlossen werden kann.
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Mit weiterem Vorteil wird bei der Erfassung des Drehmomentes über der Prozesszeit des Eilganges bei einem Erreichen eines Auslösedrehmomentes eine vorgebbare Resteilgangzeit in Lauf gesetzt, nach der der Eilgang wieder beendet und der Schleichgang fortgesetzt wird. Die Resteilgangzeit kann für die Programmierung einer Steuerung zur Ausführung des Verfahrens zuvor statistisch ermittelt werden, beispielsweise in einer Serie von Testzyklen, bei denen der zeitliche Abstand zwischen dem Erreichen des Auslösedrehmomentes, gemessen mit der Einrichtung zur Drehmomenterfassung, und dem Kopfauflagezeitpunkt vergeht. Diese statistisch ermittelte Resteilgangzeit wird der Prozessführung für den Schraubzyklus zugrunde gelegt.
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Die Resteilgangzeit kann so vorgegeben werden, dass zwischen der Beendigung des Eilganges zum Wechselzeitpunkt und dem Kopfauflagezeitpunkt noch eine Mindestzeit für den Schleichgang liegt. Diese Mindestzeit sollte bei der Bestimmung der Resteilgangzeit möglichst kurz ausfallen, wobei bei der Vorgabe der Resteilgangzeit weiterhin auch eine Abbremszeit bis zu einer Verzögerungsendzeit berücksichtigt werden muss, wenn der Antrieb die Drehzahl vom Eilgang in den Schleichgang ändert. Der eigentliche Schleichgang dauert insofern nur von der Verzögerungsendzeit bis zum Kopfauflagezeitpunkt.
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Die Drehzahl des Eilganges kann 160 U/min bis 200 U/min und bevorzugt 180 U/min betragen und/oder die Drehzahl des Schleichganges kann bestimmt werden mit 40 U/min bis 60 U/min und bevorzugt 50 U/min.
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Mit weiterem Vorteil wird während der Mindestzeit des Schleichganges das Drehmoment weiter überwacht, wobei die Mindestzeit des Schleichganges mit dem Kopfauflagezeitpunkt beendet wird, und der Zeitpunkt der Kopfauflage wird bestimmt durch die Drehmomenterfassung, die einen starken Anstieg des Drehmomentes im Zeitpunkt der Kopfauflage erkennt. Die Steuerung ist hierzu entsprechend programmiert und steuert den motorischen Antrieb des Schraubkopfes an, wobei die Steuerung insbesondere mit der Einrichtung zur Drehmomenterfassung in Wirkverbindung gebracht ist, sodass die Steuerung über den gesamten Schraubzyklus von der Einrichtung zur Drehmomenterfassung kontinuierlich Drehmomentwerte erhält, und mit einer entsprechenden Regeleinrichtung den motorischen Antrieb schließlich ansteuert.
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Die Steuerung bestimmt dabei in Wirkverbindung mit dem motorischen Antrieb das Drehmoment nach dessen Anstieg im Kopfauflagezeitpunkt genau so, dass ein Festschrauben der Schraube mit einem vorgegebenen Anzugsdrehmoment bis zu einem Endzeitpunkt erfolgt. Nach dem Stoppen der Drehbewegung wird die Schraubenaufnahme von der Schraube gelöst.
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Die Winkelbeschleunigung der Schraubenaufnahme bis zum Erreichen der Drehzahl des Eilganges und die Winkelverzögerung der Schraubenaufnahme von der Drehzahl des Eilganges bis zum Erreichen der Drehzahl des Schleichganges können mit Vorteil zueinander gleich eingestellt werden, wobei insbesondere die Winkelbeschleunigung und/oder die Winkelverzögerung mit einem Wert von etwa 800 °/s2 bestimmt werden.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Schraubwerkzeug zur Herstellung einer Schraubenverbindung mittels einer Schraube, aufweisend einen Schraubkopf mit einer Schraubenaufnahme, die mit dem Schraubkopf in Drehbewegung versetzbar ist, wofür der Schraubkopf einen motorischen Antrieb aufweist, und wobei das Schraubwerkzeug zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Schraubverbindung ausgebildet ist. Insbesondere weist das Schraubwerkzeug hierzu eine Steuerung auf, die zur Ausführung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf ein Softwareprogrammprodukt zum Betrieb einer Steuerung eines Schraubwerkzeugs gemäß Anspruch 10 zur Ausführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1.
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Das Schraubwerkzeug ist insbesondere als ein Knickarmroboter mit einem mehrgliedrigen Knickarm ausgebildet, bei dem ein letztes Knickarmglied des Knickarmes in einer Schraubachse wenigstens zum Teil rotierbar ist und den Schraubkopf bildet. Der motorische Antrieb bildet mit besonderem Vorteil einen Teil des letzten Knickarmgliedes des Knickarmroboters, wobei Knickarmroboter bekannt sind, bei dem das letzte Knickarmglied um eine Achse rotierbar ist. Insofern kann der motorische Antrieb auch Teil des Knickarmroboters sein, und der Schraubkopf ist vorteilhafterweise jedenfalls zum Teil auch gebildet durch das letzte Knickarmglied des Knickarmroboters, um insbesondere die Drehbewegung direkt mit dem letzten Knickarmglied selbst zu erzeugen, sodass am Roboter nicht erst noch ein Antriebsmodul aufgenommen werden muss. Die Steuerung zur Ausführung des Verfahrens kann peripher eingerichtet sein oder die Steuerung ist mit besonderem Vorteil die Steuerung oder ein Teil der Steuerung des Roboters selbst.
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Der Schraubkopf kann mit noch weiterem Vorteil ein Planetengetriebe aufweisen, das im Schraubkopf zwischen dem rotatorischen Antrieb und der Schraubenaufnahme so eingerichtet ist, dass die Schraubenaufnahme eine höhere Drehzahl und/oder eine zweifache und/oder eine dreifache Drehzahl gegenüber der Drehzahl des motorischen Antriebes ausführt. Die Einrichtung zur Drehmomenterfassung ist insbesondere auch am Schraubkopf untergebracht und/oder im Getriebe oder im elektrischen Antrieb integriert ausgeführt.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Ansicht eines Schraubwerkezeugs zur Herstellung einer Schraubverbindung, wobei das Schraubwerkzeug als Knickarmroboter ausgeführt ist, und
- 2 ein Diagramm, in dem über der Prozesszeit die Drehzahl und das Drehmoment aufgetragen ist, die bzw. das an der Schraubenaufnahme anliegt, und in dem Diagramm ist ein Prozesszyklus zur Herstellung einer Schraubverbindung gezeigt.
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1 zeigt eine Ansicht eines Schraubwerkzeugs 12 in Form eines Knickarmroboters mit einem Knickarm, und ein letztes Knickarmglied des Knickarmes bildet einen Schraubkopf 11. Der Schraubkopf 11 weist einen motorischen Antrieb 13 auf, mit dem eine Schraubenaufnahme 14 zur Aufnahme einer Schraube 10 in Rotation versetzt werden kann. Wird die Schraube 10 in den gezeigten Fügepartner 15 eingeschraubt, kann somit die Schraubverbindung 1 hergestellt werden, wobei vereinfachend ein zweiter Fügepartner nicht dargestellt ist.
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Der Schraubkopf 11 ist weiterhin gezeigt mit einem Planetengetriebe 18, und am Ausgang des Planetengetriebes 18 ist die Schraubenaufnahme 14 angebracht. Hingegen ist der motorische Antrieb 13, der insbesondere Bestandteil des Schraubkopfes 11 und damit Bestandteil des Knickarmroboters ist, mit dem Getriebeeingang des Planetengetriebes 18 wirkverbunden, und das Planetengetriebe kann als Beispiel eine Übersetzung mit dem Faktor drei erzeugen, sodass die Drehzahl der Schraubenaufnahme 14 das dreifache von der Drehzahl des motorischen Antriebs 13 beträgt.
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Das Schraubwerkzeug 12 ist mit einer Steuerung 17 dargestellt, und mit der Steuerung 17 kann neben der Armbewegung des Knickarmes des Schraubwerkzeugs 12 auch die Drehzahl und damit den Schraubzyklus steuern, wie in der nachfolgenden 2 gezeigt.
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2 zeigt ein Diagramm, bei dem linksseitig die Drehzahl n und rechtsseitig das Drehmoment M an der Schraubenaufnahme 14 des Schraubkopfes 11 aufgetragen sind.
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Über der Prozesszeit t ist ein Schraubzyklus dargestellt, wobei der Kurvenverlauf der Drehzahl n und des Drehmomentes M aufgetragen sind, die eingangs jeweils den Wert 0 aufweisen. Der Prozesszyklus beginnt mit dem Anstieg der Drehzahl auf eine Drehzahl eines Eilganges n_1, wobei der Eilgang n_1 konstant gehalten wird. Greift die Schraube nunmehr in den Schraubdom ein, so ergibt sich ein Anstieg des Drehmomentes M, wie dem Kurvenverlauf zu entnehmen ist. Der Anstieg des Drehmomentes M ergibt sich durch die zunehmende Einschraubtiefe der Schraube in den Schraubdom, was insbesondere in einem etwa linearen Anstieg deutlich wird, wenn eine Schraube in ein Kunststoffbauteil eingeschraubt wird.
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Die Steuerung überwacht dabei den Verlauf des Drehmomentes M, und es ist die Erkennung eines Auslösedrehmomentes M_1 in der Steuerung programmiert, das mit der Einrichtung zur Drehmomenterfassung im Auslösezeitpunkt t_1 erkannt wird. Dieses Auslösedrehmoment M_1 wird durch vorhergehende statistische Untersuchungen festgelegt, und in den Untersuchungen wird erkannt, welche statistisch ermittelte Laufzeit t_Stat bis zu einem Kopfauflagezeitpunkt t_K verstreicht. Insofern wird das Auslösedrehmoment M_1 in der Steuerung als Auslösesignal hinterlegt, und erfasst die Einrichtung zur Drehmomenterfassung das Drehmoment M mit dem Wert des Auslösedrehmomentes M_1, so wird erfindungsgemäß die Resteilgangzeit t_EZ in Lauf gesetzt, die gemäß der statistischen Ermittlung noch vor dem Kopfauflagezeitpunkt endet.
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Endet die Resteilgangzeit t_EZ, so wird zum Wechselzeitpunkt t_E die Drehzahl n vom Eilgang n_1 in einen Schleichgang n_2 geändert. Die Drehzahl n des Eilganges n_1 beträgt beispielsweise 180 U/min, während die Drehzahl n des Schleichganges n_2 etwa 50 U/min beträgt. Beginnend von der Abbremsendzeit t_B verstreicht die Mindestzeit des Schleichgangs t_MZ bis zum Kopfauflagezeitpunkt t_K. Der starke Drehmomentanstieg erfolgt bis auf das Drehmoment M_F, das das Anzugsdrehmoment zum Anziehen der Schraube repräsentiert, und es verstreicht nur eine kurze Zeit bis zum Endzeitpunkt t_M. Sodann stoppt die Drehbewegung der Schraubenaufnahme bei Erreichen des Drehmomentes M_F, und das Drehmoment wird auf Null reduziert. Anschließend wird die Schraubenaufnahme aus der Schraube gelöst.
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Im Ergebnis ergibt sich ein kurzer Prozesszyklus, da der Eilgang n_1 möglichst lange aufrechterhalten wird, jedoch wird nicht zur Beendigung des Eilganges n_1 der Kopfauflagezeitpunkt t_K zugrunde gelegt, da aus dem Eilgang n_1 nicht das Anzugsdrehmoment M_F angefahren werden kann, da dafür die Dynamik des Schraubkopfes nicht ausreicht. Da jedoch kurz vor dem Kopfauflagezeitpunkt t_K noch die Mindestzeit des Schleichganges t_MZ eingerichtet ist, kann das geforderte Anzugsdrehmoment M_F aus der niedrigeren Drehzahl heraus angefahren werden, da die Dynamik des Schraubkopfes aus dem Schleichgang n_2 heraus ausreichend ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraubverbindung
- 10
- Schraube
- 11
- Schraubkopf
- 12
- Schraubwerkzeug
- 13
- motorischer Antrieb
- 14
- Schraubenaufnahme
- 15
- Fügepartner
- 16
- Einrichtung zur Drehmomenterfassung
- 17
- Steuerung
- 18
- Planetengetriebe
- M
- Drehmoment
- M_1
- Auslösedrehmoment
- M_F
- Anzugsdrehmoment
- n
- Drehzahl
- n_1
- Eilgang
- n_2
- Schleichgang
- n_K
- herkömmlicher Drehzahlverlauf
- t
- Prozesszeit
- t_E
- Wechselzeitpunkt
- t_K
- Kopfauflagezeitpunkt
- t_EZ
- Resteilgangzeit
- t_MZ
- Mindestzeit des Schleichganges
- t_M
- Endzeitpunkt
- t_1
- Auslösezeitpunkt
- t_B
- Abbremsendzeit
- t_BZ
- Abbremszeit
- t_Stat
- statistische ermittelte Laufzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019114421 B3 [0002]
- DE 4231429 C1 [0004]
