DE102021205129B4

DE102021205129B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Werkzeugeingriffs

Info

Publication number: DE102021205129B4
Application number: DE102021205129.4A
Authority: DE
Inventors: Mathias Vierhauser
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta AG
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2041-05-21
Also published as: DE102021205129A1

Abstract

Verfahren zur Detektion eines Werkzeugeingriffs eines Werkzeugansatzes (21) eines Werkzeugs (2) mit einem Kopf (41) eines Verbindungselements (4), gekennzeichnet dadurch, dass der magnetische Widerstand durch das Werkzeug (2) und das Verbindungselement (4) bestimmt wird, wobei ein Werkzeugeingriff dadurch erkannt wird, dass der Widerstandswert des bestimmten magnetischen Widerstands unterhalb eines vorgegebenen Referenzwerts liegt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Werkzeugeingriffs eines Werkzeugansatzes eines Werkzeugs mit einem Kopf eines Verbindungselements. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Lenksystems.
Als Verbindungs- oder Befestigungselemente sind beispielsweise Schrauben allgemein bekannt, die einen Gewindeabschnitt und einen axial daran angeschlossenen Kopf aufweisen. Dieser Kopf ist ausgestaltet zur Einleitung eines Drehmoments um eine Achse des Verbindungselements, beispielsweise die Schrauben- oder Gewindeachse, mittels eines Werkzeugs, welches um seine Werkzeugachse drehend antreibbar ist. Hierzu weist das Werkzeug einen Werkzeugansatz auf, der bezüglich Drehung um die Achse drehmomentschlüssig in einen lösbaren Werkzeugeingriff mit dem Kopf gebracht werden kann, so dass ein Antriebsmoment des Werkzeugs als Anzugsmoment auf das Befestigungselement übertragen werden kann. Dabei sind im Stand der Technik vielfältige, an die jeweilige Anwendung angepasste Formen der Formschlusselemente des Werkzeugansatzes und einer damit korrespondierenden Werkzeugaufnahme am Kopf bekannt, beispielsweise Innen- oder Außenmehrkante, Innen- oder Außenbogenzahnanordnungen, Schlitz- oder Kreuzschlitzanordnungen, oder andere Formen unrunder, zur Drehmomentübertragung geeigneter Formschlussanordnungen.
Die Verbindungselemente werden im Folgenden gleichbedeutend als Schrauben oder Befestigungselemente bezeichnet. Das Werkzeug wird entsprechend als Schrauberbit oder kurz als Bit bezeichnet, welches den Werkzeugansatz aufweist.
Bevorzugt kann der Werkzeugansatz in axialer Richtung bezüglich der Achse in die Werkzeugaufnahme des Kopfes eingesetzt oder eingesteckt werden, um den Werkzeugeingriff zu erzeugen.
Insbesondere in automatisierten Montageprozessen ist es bekannt, das Werkzeug um die Werkzeugachse motorisch drehend antreibbar auszubilden und an einem automatisiert im Raum bewegbaren Manipulator, beispielsweise einem mehrachsigen Roboterarm anzubringen. Zur Montage kann das Werkzeug zu einem in einer Aufnahmeposition bereitgestellten Verbindungselement, beispielsweise in einem Magazin einer Vereinzelungseinrichtung, bewegt werden. Dort wird der Werkzeugansatz in Werkzeugeingriff mit dem Kopf gebracht, bevorzugt durch axiales An- oder Einsetzen des Werkzeugansatzes an oder in die damit korrespondierende Werkzeugaufnahme des Kopfes, und das Verbindungselement wird lösbar gegriffen und gehalten, beispielsweise mittels einer mechanisch, magnetisch, pneumatisch oder anders funktionierenden Greif- oder Halteeinrichtung. Mittels des Roboterarms wird das Werkzeug samt dem daran im Werkzeugeingriff gehaltenen Verbindungselement in die Montageposition relativ zum Werkstück positioniert, und das Verbindungselement durch drehenden Antrieb des Werkzeugs mit dem Werkstück verbunden, wie beispielsweise beim Einschrauben einer Schraube mittels eines Schrauberbits. Nach dem Erreichen eines vorgegebenen Verbindungs- bzw. Anzugsmoments ist die Verbindung fixiert und das Werkzeug wird vom Kopf gelöst.
Zur Erzeugung der Verbindung muss ein sicherer und vollständiger Werkzeugeingriff gewährleistet sein. Hierzu ist es erforderlich, dass der Werkzeugansatz und die Werkzeugaufnahme des Kopfes eine hinreichende Überlappung in Umfangsrichtung der Drehung um die Achse haben, um die Drehmomentübertragung vom Werkzeug auf das Verbindungselement sicherzustellen.
Insbesondere bei einem automatisierten Montageprozess ist das Vorliegen eines vollständigen, akzeptablen Werkzeugeingriffs für die Qualität der erzeugten Verbindung von ausschlaggebender Bedeutung. Eine Störung des Werkzeugeingriffs kann beispielsweise durch Verkanten beim Ansetzen des Werkzeugs, Verunreinigungen und/oder einen beschädigten Kopf oder dergleichen verursacht werden, wodurch ein Luftspalt zwischen Werkzeug und Kopf verbleibt und der Drehschluss nicht oder nicht ausreichend zustande kommt oder nicht ausreichend belastbar ist. Es ist zwar denkbar, beispielsweise mittels optischer oder elektrischer Messverfahren den Montageprozess zu überwachen und einen zulässigen Werkzeugeingriff zu detektieren, derartige Verfahren mit der geforderten Messgenauigkeit für den Einsatz unter Fertigungsbedingungen erfordern jedoch einen hohen Aufwand und sind störanfällig, beispielsweise hinsichtlich unvermeidlicher Verunreinigungen.
Aus der DE 10 2011 112 705 A1 ist es bekannt, den Werkzeugeingriff eines Werkzeugansatzes eines Werkzeugs mit einem Kopf eines Verbindungselements zu detektieren. Dabei treten die vorgenannten Probleme auf.
Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akzeptablen Werkzeugeingriffs einfacher und zuverlässiger detektieren zu können.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und die Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einem Verfahren zur Detektion eines Werkzeugeingriffs eines Werkzeugansatzes eines Werkzeugs mit einem Kopf eines Verbindungselements ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der magnetische Widerstand durch das Werkzeug und das Verbindungselement bestimmt wird, wobei ein Werkzeugeingriff dadurch erkannt wird, dass der Widerstandswert des bestimmten magnetischen Widerstands unterhalb eines vorgegebenen Referenzwerts liegt. Zur Bestimmung des magnetischen Widerstandes wird bevorzugt die magnetische Flussdichte, beispielsweise mittels eines Hallsensors, bestimmt. Das Signal wird als Ersatzgröße für den magnetischen Widerstand verwendet und im Weiteren sind mit dem Begriff des magnetischen Widerstandes synonym auch derartige Ersatzgrößen umfasst.
Das Verbindungselement, und eventuell auch das Werkzeug, sind beim erfindungsgemäßen Verfahren aus magnetisch gut leitfähigen Materialien ausgebildet, beispielsweise bevorzugt aus ferromagnetischen Materialien wie Stahl oder dergleichen. In die das Werkzeug und das Verbindungselement aufweisende Anordnung wird zur Messung des magnetischen Widerstands ein externes Magnetfeld eingekoppelt, beispielsweise durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten.
Ein akzeptabler Werkzeugeingriff ist definitionsgemäß ein drehschlüssiger und/oder kraftschlüssiger Eingriff zwischen Werkzeug und Verbindungselement, wobei der axiale Abstand A, oder mit anderen Worten der Luftspalt, zwischen Werkzeugansatz und Kopf gemessen bezogen auf den maximal möglichen Endanschlag einen maximalen Abstandswert nicht überschreitet, innerhalb dessen der Drehschluss und/oder der Kraftschluss gewährleistet ist. Typischerweise liegt der maximal tolerierbare Abstandswert in der Größenordnung von 0,2 mm. Je nach Ausführung der Formschlusselemente kann dieser Wert auch in einem abweichenden Toleranzbereich liegen.
Auch wenn in allen Beispielen und weiteren Ausführungen auf die drehschlüssige Verbindung abgehoben wird, wie dies im Falle von Schrauben als Verbindungselement erforderlich ist, ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Lösung auch für Nieten als Verbindungselemente anwendbar ist. Hier ist mehr eine kraftschlüssige Verbindung erforderlich, bei der das Verbindungselement, in diesem Fall der Niet, sicher an die Einsatzstelle gebracht werden kann und dort die entsprechende Nietverbindung mit Hilfe des Werkzeugeinsatzes gewährleistet ist.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Detektierung dadurch, dass im akzeptablen bzw. ausreichenden Werkzeugeingriff das Werkzeug mit dem Verbindungselement in Serie in einem geschlossenen magnetischen Kreis angeordnet ist, bei dem die magnetischen Feldlinien im wesentlichen unterbrechungsfrei, oder anders ausgedrückt mit einer vordefinierten minimalen Flussdichte, durch das Werkzeug und das Verbindungselement hindurch verlaufen. Zwischen dem Werkzeug und dem Verbindungselement wird im Werkzeugeingriff ein magnetischer Schluss erzeugt. Dabei verlaufen die magnetischen Feldlinien im bestehenden akzeptablen Werkzeugeingriff in axialer Richtung durch das Werkzeug hindurch, treten über den Werkzeugansatz und die korrespondierende Werkzeugaufnahme des Kopfes in das Verbindungselement, durch welches sie weiter axial hindurch verlaufen. Der magnetische Kreis wird durch die außen um das Verbindungselement zum Werkzeug zurück verlaufenden Feldlinien geschlossen. Dieses nur im ausreichenden Werkzeugeingriff um das Werkzeug und das Verbindungselement gemeinsam herum verlaufende magnetische Feld kann erfindungsgemäß zur Detektierung des Werkzeugeingriffs genutzt werden.
Wenn kein ausreichender, d.h. kein akzeptabler Werkzeugeingriff vorliegt, beispielsweise wenn die Formschlusselemente von Werkzeugansatz und Kopf in Richtung des Werkzeugeingriffs, d.h. axial bezüglich der gemeinsamen Achse des Werkzeugs und des Verbindungselements, axialen Abstand voneinander haben, verhalten sich der Werkzeugansatz und der Kopf auch bei Anwesenheit eines externen Magnetfelds im Wesentlichen wie einzelne magnetische Pole, und es wird kein oder zumindest nur ein sehr geringer durchgehend geschlossener magnetischer Kreis, der durch das Verbindungselement hindurch geht, gebildet. Durch den axialen Abstand liegt ein Luftspalt zwischen dem Werkzeugansatz des Werkzeugs und der korrespondierenden Werkzeugaufnahme des Kopfes vor, und dadurch ist der magnetische Widerstand des Übergangs zwischen dem Werkzeug und dem Verbindungselement relativ groß, dass der magnetische Fluss so stark geschwächt ist, dass kein das Werkzeug und das Verbindungselement gemeinsam einschließender, geschlossener magnetischer Kreis zustande kommt.
Zur Unterscheidung, ob ein Werkzeugeingriff besteht oder nicht, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der magnetische Widerstand durch das Werkzeug und das Verbindungselement gemessen wird. Es erfolgt eine magnetische Widerstandsmessung des Übergangs zwischen Werkzeug und Verbindungselement. Dazu wird der magnetische Widerstand der durch das Werkzeug und das Verbindungselement gebildeten seriellen Anordnung gemessen, der bestimmt wird durch die Reihenschaltung der magnetischen Widerstände des Werkzeugs, des Verbindungselements und des eventuellen Luftspalts zwischen Werkzeugansatz und Kopf, dessen Breite dem Abstand von Werkzeugansatz und Kopf entspricht. Anhand dessen ist einfach und sicher erkennbar, ob der erforderliche magnetische Schluss im Werkzeugeingriff erfolgreich erzeugt worden ist. Mit Hilfe von vorgängigen Testversuchen kann definiert werden, ab wann der magnetische Schluss im Werkzeugeingriff als ausreichend für die Anwendung eingestuft wird.
Der magnetische Widerstand wird gleichbedeutend als Reluktanz bezeichnet und in der Einheit H^-1 (im SI-Einheitensystem: Henry^-1) angegeben.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt dadurch zustande, dass der magnetische Widerstand R des Luftspalts wegen der geringen Permeabilitität der Luft mit zunehmender Vergrößerung des dem Luftspalt entsprechenden Abstands A zwischen dem Werkzeugansatz und dem Kopf steil ansteigt, und zusätzlich dadurch, dass der zur Bestimmung des magnetischen Widerstands mittels eines Magnetfeldsensors gemessene magnetische Fluss seinerseits abhängig ist vom Kehrwert des magnetischen Widerstands. Dadurch fällt der magnetische Fluss überproportional stark ab, wenn der Abstand A zwischen Werkzeug und Verbindungselement vergrößert wird.
Entsprechend kann ein akzeptabler bzw. zulässiger Werkzeugeingriff durch das erfindungsgemäße Verfahren eindeutig und sicher dadurch erkannt werden, dass der Widerstandswert des bestimmten magnetischen Widerstands, beziehungsweise der gemessenen Ersatzgröße für den magnetischen Widerstands, beispielsweise in Form des magnetischen Flusses, auch kurz als Widerstandsmesswert bezeichnet, unterhalb eines vorgegebenen Referenzwerts, d.h. eines definierten Grenzwerts des magnetischen Widerstands liegt. Dabei sorgt die besagte überproportionale Abhängigkeit des magnetischen Flusses dafür, dass eine besonders hohe Trennschärfe der Detektion ermöglicht wird, die mit optischen oder elektrischen Messverfahren nicht oder nur mit hohem Aufwand realisierbar ist.
Ein weiterer Vorteil des magnetischen Messverfahrens ist, dass es im Vergleich zu anderen Messverfahren relativ robust ist im Hinblick auf die Oberflächenbeschaffenheit des Werkzeugs und des Verbindungselements, beispielsweise gegenüber Verunreinigungen wie beispielsweise in dünnen Schichten anhaftendem Staub, Fett oder dergleichen.
Es ist vorteilhaft, dass der magnetische Widerstand durch Messung eines durch das Werkzeug und das Verbindungselement durchgehenden magnetischen Flusses bestimmt wird. Wie oben bereits erwähnt, fällt der magnetische Fluss eines durch die Anordnung von Werkzeug und Verbindungselement durchgehenden Magnetfelds überproportional stark ab, wenn ein Luftspalt durch einen Abstand A zwischen dem Werkzeugansatz und der Werkzeugaufnahme des Verbindungselements vorliegt.
Der magnetische Fluss kann mittels eines geeigneten elektrischen Sensors, beispielsweise eines Hall-Sensors, als magnetische Flussdichte oder kurz Flussdichte gemessen werden. In einer daran angeschlossenen Auswerteeinrichtung kann aus diesem Flussdichtemesswert bestimmt werden, ob ein ausreichender Werkzeugeingriff vorliegt oder nicht. Dabei zeigt ein oberhalb eines vorgegebenen Referenzwerts liegender Magnetfeldmesswert einen ausreichenden Werkzeugeingriff an. Dabei ist ein besonderer Vorteil, dass aufgrund des steilen Abfalls des mit dem magnetischen Widerstand korrelierten magnetischen Flusses außerhalb des Werkzeugeingriffs mit geringem Aufwand eine besonders trennscharfe und sichere Detektierung des Werkzeugeingriffs möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Messung des magnetischen Flusses relativ unempfindlich gegenüber eventuellen Oberflächenverunreinigungen ist, im Gegensatz zu elektrischen Durchgangsmessungen oder dergleichen. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch ein axialer Luftspalt, der von außen nicht sichtbar und dadurch nicht einfach optisch detektierbar ist, beispielsweise zwischen axial ineinander eingreifenden konvexen und konkaven Formschlusselementen von Werkzeugansatz und Verbindungselement, durch die Messung des magnetischen Flusses eindeutig und sicher detektierbar ist. Zur Durchführung der Messung des magnetischen Flusses ist es vorteilhaft, dass über das Werkzeug ein Magnetfeld in das Verbindungselement eingekoppelt wird. Hierzu wird ein Magnetfeld mit definierter magnetischer Flussdichte bereitgestellt, dessen Feldlinien zumindest abschnittweise im Wesentlichen parallel zur Achse durch das Werkzeug verlaufen, und folglich im Bereich des Werkzeugansatzes axial austreten. Zur Erzeugung des Magnetfelds in dem Werkzeug kann dieses innerhalb des Magnetfelds eines externen Permanentmagneten oder Elektromagneten angeordnet sein, oder einen Permanentmagneten oder eine Magnetspulenanordnung aufweisen. Die Erzeugung und Bereitstellung des Magnetfelds kann mit geringem Aufwand und hoher Betriebssicherheit erfolgen.
Das Magnetfeld kann dadurch über den Werkzeugansatz des Werkzeugs in den Kopf des Verbindungselements eingeleitet werden, dass ein Werkzeugeingriff erzeugt wird. Dabei wird ein magnetischer Schluss erzeugt, der wie oben erläutert zu einem steilen Anstieg des durch das Werkzeug und das Verbindungselement durchfließenden magnetischen Flusses führt. Der magnetische Widerstand kann zur Detektierung des Werkzeugeingriffs aus dem eingekoppelten Magnetfeld und dem gemessenen Magnetfeld bestimmt werden.
Es kann vorteilhaft sein, dass das Magnetfeld in einem von dem Kopf des Verbindungselements beabstandeten Bereich gemessen wird. Bevorzugt kann die Messung in einem Detektionsbereich in der Nähe des Verbindungselements erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein Sensor im Detektionsbereich angeordnet werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass das Magnetfeld in einem axialen Bereich außerhalb des Verbindungselements mit radialem Abstand zur Achse gemessen wird. Mit anderen Worten sieht diese Messanordnung eine Magnetfeldmessung bezüglich der Achse neben dem Verbindungselement in einem Detektionsbereich vor, in dem die magnetischen Feldlinien außen bei einem ausreichenden Werkzeugeingriff im Wesentlichen parallel zum Verbindungselement verlaufen. Diese Messanordnung kann mittels eines oder mehrerer Sensoren erfolgen, die beispielsweise in einem Magazin einer Vereinzelungseinrichtung integriert sind, in dem jeweils ein Verbindungselement zur Erzeugung des Werkzeugeingriffs bereitgestellt wird. In vorteilhafter Weise ist die Messung neben dem Verbindungselement unempfindlich gegenüber geringfügigen axialen Positionsabweichungen, und die Detektion des Werkzeugeingriffs ist besonders robust.
Alternativ oder zusätzlich kann die Magnetfeldmessung im Bereich des vom Kopf abgewandten Endes des Verbindungselements erfolgen. Hierzu kann ein Sensor stirnseitig axial vor dem Verbindungselement angeordnet sein, bevorzugt in einem Magazin. Dadurch kann der im Werkzeugeingriff im Bereich der Achse aus dem Verbindungselement austretende magnetische Fluss erfasst werden. Dadurch, dass das axial aus dem Verbindungselement austretende Magnetfeld gemessen wird, ist es in vorteilhafter Weise möglich, zusätzlich zum bestehenden Werkzeugeingriff auch die axiale Lokalisierung des Verbindungselements bei der Bereitstellung im Magazin einer Vereinzelungseinrichtung bei der Erzeugung des Werkzeugeingriffs durch das Werkzeug zu überwachen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein akzeptabler Werkzeugeingriff erkannt werden, wenn das gemessene Magnetfeld größer ist als ein vorgegebener Mindestwert. Das gemessene Magnetfeld entspricht einem Magnetfeldmesswert, der die gemessene magnetische Flussdichte angibt, und gleichbedeutend auch als Flussdichtemesswert bezeichnet wird. Wie oben erläutert ist, kann durch den nichtlinearen, überproportionalen Anstieg des magnetischen Flusses das Erreichen des Werkzeugeingriffs besonders zuverlässig erkannt werden, wenn ein vorgegebener Flussdichte-Referenzwert erreicht bzw. überschritten wird. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders funktions- und betriebssicher.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Messung des Magnetfelds mittels eines elektrischen Magnetfeldsensors erfolgt, der an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist. Als Magnetfeldsensor kann ein zur Messung der Flussdichte geeigneter Sensor wie beispielsweise ein Hall-Sensor eingesetzt werden. Die Auswerteeinrichtung ist ausgestaltet, um die elektrischen Signale des Sensors zu erfassen und als Magnetfeld- bzw. Flussdichtemesswerte auszugeben. Vorzugsweise kann in der Auswerteeinrichtung auch der Vergleich eines erfassten Ist-Messwerts mit einem Referenzwert oder Grenzwert erfolgen, der bevorzugt eine Referenz-Flussdichte angibt. Falls der Messwert der Flussdichte diesen unteren Referenzwert zumindest erreicht oder überschreitet, ist dies gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein eindeutiges und sicheres Unterscheidungsmerkmal dafür, dass ein vollständiger, akzeptabler Werkzeugeingriff vorliegt. Es kann auch ein Vergleich mit einem vorgegebenen Referenzbereich der Flussdichte erfolgen, bei dem neben einem unteren Referenzwert zusätzlich ein oberer Referenzwert vorgegeben wird. Ein Überschreiten dieses oberen Referenzwerts kann beispielsweise als Kriterium für die Kalibrierung des Sensors genutzt werden, um beispielsweise eine erforderliche Kalibrierung der Flussdichte relativ zum Abstand zwischen Werkzeug und Verbindungselements anzuzeigen, oder eine automatisierte Kalibrierung durchzuführen.
Der oben genannte vorgegebene Referenzwert kann bevorzugt durch entsprechende Vorabversuche ermittelt werden. Dabei werden in der jeweiligen Anordnung für ein jeweiliges Werkzeug und ein jeweiliges Verbindungselement das Antasten des Werkzeuges an das Verbindungselement simuliert, und bei erfolgreicher drehschlüssiger und/oder kraftschlüssiger Verbindung die zugehörigen Messwerte gespeichert und das Ergebnis, bei Bedarf mit entsprechenden Grenzwerten, als Referenzwert, beispielsweise als Mindestwert, gespeichert. Das bedeutet, dass eine Kalibrierung dadurch erfolgen kann, dass ein erster Widerstandswert außerhalb des Werkzeugeingriffs bestimmt wird bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Werkzeug und Verbindungselement, dass ein zweiter Widerstandswert im Werkzeugeingriff bestimmt wird, und aus dem Verhältnis der beiden Widerstandswerte einem akzeptablen Werkzeugeingriff entsprechende Widerstandswerte bestimmt werden. Die Bestimmung der magnetischen Widerstandswerte innerhalb und außerhalb des Werkzeugeingriffs kann vorzugsweise wie vorangehend erläutert durch Messung der magnetischen Flussdichte erfolgen. Der zweite Messwert zur Identifizierung des Werkzeugeingriffs kann bestimmt werden, indem ein optimaler formschlüssiger Eingriff zwischen Werkzeug und Verbindungselement, der einem vollständigen, akzeptablen Werkzeugeingriff entspricht, zwangsweise erzeugt wird, der durch eine andere Überwachungsmethode bestätigt wird, beispielsweise optisch, durch eine Kontrolle des übertragbaren Anzugsmoments oder dergleichen. Dadurch kann eine betriebssichere Detektion sichergestellt werden.
Es kann zusätzlich oder alternativ eine automatisierte Kalibrierung vorgesehen sein, um schwankende Betriebsbedingungen zu berücksichtigen und auszugleichen. Beispielsweise kann eine automatisierte Temperaturkompensation des Sensors, beispielsweise eines Hall-Sensors vorgesehen sein. Dadurch kann die Funktionssicherheit weiter erhöht werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Verbindungselement mittels einer Halteeinrichtung lösbar an dem Werkzeug gehalten wird, wenn ein akzeptabler, gültiger Werkzeugeingriff detektiert wurde. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Detektionsverfahren in einen automatisierten Montageprozess integriert werden. Dabei wird das Werkzeug bevorzugt axial zu einem Verbindungselement bewegt, welches beispielsweise in einem Magazin einer Vereinzelungseinrichtung bereitgehalten wird. Dabei wird der Werkzeugansatz an den Kopf des Verbindungselements angenähert, bis er zur Erzeugung des Werkzeugeingriffs formschlüssig mit der korrespondierenden Werkzeugaufnahme des Kopfes gekuppelt ist. Sobald ein akzeptabler Werkzeugeingriff detektiert worden ist, kann die Halteeinrichtung aktiviert werden, beispielsweise eine magnetische, mechanische, pneumatische oder anders arbeitende Halte- oder Greifeinrichtung, um das Verbindungselement lösbar am Werkzeug zu halten. Dann kann das Werkzeug mittels eines räumlichen Manipulators, beispielsweise eines mehrachsigen Roboterarms, im Raum bewegt und so positioniert werden, dass das Verbindungselement eingesetzt wird. Anschließend wird von dem Werkzeug das Verbindungselement über den bestehenden drehschlüssigen Werkzeugeingriff drehend angetrieben und dabei ein definiertes Anzugsmoment auf das Verbindungselement übertragen, bis dieses mit einem vorgegebenen Anzugsmoment montiert ist. Nach erfolgter Montage kann die Halteeinrichtung deaktiviert werden, wodurch das Werkzeug von dem Kopf abgezogen werden kann. Es ist denkbar und möglich, auch dieses Lösen des Werkzeugs von dem Verbindungselement durch das erfindungsgemäße Verfahren zu detektieren und zu überwachen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Magnetfeld einer magnetischen Halteeinrichtung gleichzeitig zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt wird. Der Magnet dient dann nicht nur als magnetischer Greifer, sondern auch zur Einkopplung eines erfindungsgemäß zur Detektion genutzten Magnetfelds in den Kopf des Verbindungselements.
Bei einer Vorrichtung zur Montage eines Verbindungselements umfassend ein Werkzeug mit einem Werkzeugansatz, eine Aufnahmeeinrichtung, in der mindestens ein Verbindungselement mit einem Kopf aufnehmbar ist, und einen Manipulator zur Bewegung des Werkzeugansatzes relativ zur Aufnahmeeinrichtung, um den Werkzeugansatz in Werkzeugeingriff mit dem Kopf einer darin aufgenommenen Verbindungselements bringen zu können, und mit einer Detektionseinrichtung, die ausgebildet ist, einen Werkzeugeingriff zu detektieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Detektionseinrichtung eine magnetische Widerstandsmesseinrichtung aufweist.
Die magnetische Widerstandsmesseinrichtung kann ausgestaltet sein zur Durchführung des vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei können sämtliche in diesem Zusammenhang beschriebenen Merkmale einzeln oder in Kombinationen realisiert sein. Entsprechend können die genannten Vorteile erreicht werden.
Bevorzugt kann das zu montierende Verbindungselement eine Schraube sein, die in eine dafür vorgesehene Bohrung eingeschraubt wird, oder als selbstschneidende Schraube an einer vorgegebenen Position eingefügt wird. Entsprechend ist das Werkzeug als Schrauberbit, oder kurz Bit, ausgebildet mit einem unrunden Werkzeugansatz, der an den Kopf der Schraube angepasst ist, wie dies im Stand der Technik in vielfältigen Ausführungen bekannt ist. Der Werkzeugansatz ist entsprechend auf die Werkzeugaufnahme des Verbindungselements abgestimmt.
Das Verbindungselement, beispielsweise die Schraube, erstreckt sich in Richtung seiner Achse, die im Werkzeugeingriff identisch ist mit der Werkzeugachse. Zum Anziehen des Verbindungselements wird das Werkzeug in axialer Richtung in einen drehschlüssigen Formschlusseingriff mit dem Kopf gebracht, wodurch der Werkzeugeingriff realisiert wird. Mittels einer motorischen Antriebseinheit wird das Werkzeug um die Achse gedreht, wobei das Anzugsmoment über den Werkzeugansatz in das Verbindungselement eingekoppelt wird, welches dadurch eingeschraubt und fixiert wird.
Vorzugsweise ist eine Halteeinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um ein Verbindungselement lösbar am Werkzeug zu halten. Diese kann beispielsweise eine magnetische, mechanische, pneumatische oder anders arbeitende Halte- oder Greifeinrichtung umfassen, mit der ein im Werkzeugeingriff aufgenommenes Verbindungselement lösbar am Werkzeug gehalten werden kann. Dadurch kann ein Verbindungselement, welches in einer Aufnahmeeinrichtung, beispielsweise einem Magazin einer Vereinzelungseinrichtung, bereitgestellt werden kann, automatisiert von dem Werkzeug aufgenommen und in die Montageposition gebracht werden, in der es anschließend mittels der motorischen Antriebseinheit eingeschraubt wird. Anschließend kann das Werkzeug vom Kopf gelöst und abgezogen werden.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung einen Magneten zur Einkopplung eines Magnetfelds in das Werkzeug aufweist, und einen Magnetfeldsensor zur Messung des Magnetfelds außerhalb des Werkzeugs. Der Magnet kann einen Permanentmagneten und alternativ oder zusätzlich einen Elektromagneten aufweisen. Bevorzugt kann der Magnet so an dem Werkzeug angebracht sein, das ein Magnetfeld mit parallel zur Achse verlaufenden Feldlinien in das Werkzeug eingekoppelt wird. Dies kann einfach und effektiv durch einen Ringmagneten realisiert werden, der das Werkzeug, beispielsweise ein Schrauberbit, abschnittweise koaxial umschließt. Entsprechend treten die Feldlinien axial stirnseitig aus einem dort angeordneten Werkzeugansatz aus, beispielsweise einem Innen- oder Außenmehrkant oder dergleichen.
Der von dem Magnet eingekoppelte magnetische Fluss wird zur Messung des magnetischen Widerstands der Anordnung von Werkzeug und Verbindungselement nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt. Hierzu ist, wie oben zum Verfahren erläutert, mindestens ein Magnetfeldsensor zur Erfassung der magnetischen Flussdichte vorgesehen, beispielsweise ein Hall-Sensor. Dieser Sensor ist bevorzugt derart außerhalb des Werkzeugs angeordnet, dass er in der Nähe eines darin im Werkzeugeingriffs aufgenommenen Verbindungselements an einer definierten Messposition positionierbar ist. Diese Messposition wird so gewählt, dass der beim Vorliegen eines akzeptablen, ordnungsgemäßen Werkzeugeingriffs durch das Verbindungselement hindurchgeleitete magnetische Fluss außerhalb des Verbindungselements erfasst werden kann. Falls das Magnetfeld, wie oben zum Verfahren erläutert, mit einem magnetischen Fluss oberhalb des vorgegebenen Referenzwerts gemessen wird, ist dies wie beschrieben ein sicheres Indiz für einen ordnungsgemäßen Werkzeugeingriff. Eine derartige Anordnung kann mit geringem Aufwand realisiert werden.
Der Magnetfeldsensor ist bevorzugt an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist. Wie oben beschrieben kann diese ausgebildet sein zur Erkennung des Werkzeugeingriffs anhand der Messwerte des Sensors. Die Auswerteeinrichtung kann Anzeigemittel aufweisen, oder Daten an eine automatisierte Überwachungseinrichtung übermitteln.
Es kann weiterhin eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung kann in Abhängigkeit von den gemessenen Magnetfeldwerten beispielsweise die Halteeinrichtung ansteuern. Dadurch ist es möglich, die Halteeinrichtung nicht zu aktivieren, wenn kein Werkzeugeingriff detektiert wurde, beispielsweise durch einen beschädigten oder verkanteten Kopf. Dann kann ein erneuter Versuch erfolgen, einen Werkzeugeingriff zu erzeugen, oder das betreffende Verbindungselement aussortiert werden. Dadurch können in vorteilhafter Weise Produktionsstörungen wirksam vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Magnetfeldsensor an der Aufnahmeeinrichtung angebracht ist. Die Aufnahmeeinrichtung kann beispielsweise eine nach oben offene Aufnahmeöffnung, etwa einen Schacht oder Schlitz, aufweisen, in dem jeweils mindestens ein Verbindungselement in einer definierten Aufnahmeposition derart bereitgehalten wird, so dass das Werkzeug in axialer Richtung von oben mit dem nach oben vorstehendem Kopf in Werkzeugeingriff gebracht werden kann. Dadurch, dass mindestens ein Sensor im Bereich unterhalb des Kopfes an oder in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet sind, kann dort das bei erfolgtem Werkzeugeingriff aus dem Verbindungselement austretende Magnetfeld in der oben beschriebenen Weise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst werden.
Es kann bevorzugt mindestens ein Magnetfeldsensor radial bezüglich einer Achse des Verbindungselements angeordnet sein. Beispielsweise kann hierzu mindestens ein Sensor innerhalb der Aufnahmeöffnung der Aufnahmeeinrichtung integriert sein, so dass er sich bezüglich der Achse radial neben einem darin aufgenommenen Verbindungselement befindet. Ein derartiger Sensor kann auch als radialer Sensor bezeichnet werden. Bei einem ausreichenden Werkzeugeingriff verlaufen die magnetischen Feldlinien an dieser Messposition au-ßen längs, im Wesentlichen parallel zum Verbindungselement. Dadurch wird, wie oben erläutert, eine gewisse Toleranz bezüglich der axialen Anordnung des Verbindungselements innerhalb der Aufnahme gegeben, ohne die Zuverlässigkeit der Detektion zu beeinträchtigen.
Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit kann vorsehen, dass mindestens ein Magnetfeldsensor axial zum Werkzeug bezüglich einer Achse des Verbindungselements angeordnet ist. Ein derartiger axialer Sensor kann ebenfalls bevorzugt in der Aufnahmeeinrichtung integriert sein. Dieser kann unterhalb eines aufgenommenen Verbindungselements in der Aufnahmeöffnung angeordnet sein, axial der dem Kopf abgewandten Stirnseite gegenüberliegend. Dadurch kann der in axialer Richtung stirnseitig aus dem Verbindungselement austretende magnetische Fluss erfasst werden, wodurch eine Überwachung der axialen Position des Verbindungselements ermöglicht wird.
Es ist auch denkbar und möglich, radiale und axiale Sensoren in Kombination an eine Auswerteeinrichtung anzuschließen, und dadurch eine redundante Detektierung zu ermöglichen, beispielsweise durch eine Plausibiltätsprüfung der Magnetfeldmesswerte.
Bei Bedarf können die genannten Merkmale, dazu gehören auch sämtliche im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Merkmale, einzeln oder in Kombinationen realisiert werden.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Lenksystems, bei dem bei der Montage von Verbindungselementen, wie beispielsweise einer Lenksäule, eines Lenkgetriebes, eines Hilfskraftantriebs oderdergleichen, ein Werkzeugeingriff eines Werkzeugansatzes eines Werkzeugs mit einem Kopf eines Verbindungselements gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wie vorangehend beschrieben detektiert wird. Das Lenksystem eines Fahrzeugs ist hoch sicherheitsrelevant, und fehlende oder fehlerhafte Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten müssen sicher ausgeschlossen werden. Dies betrifft insbesondere Schraubverbindungen oder dergleichen, bei dem im Werkzeugeingriff befindliche Verbindungselemente bevorzugt automatisiert montiert werden, beispielsweise zur Erzeugung von Schraubverbindungen. Der dazu erforderliche einwandfreie Werkzeugeingriff kann bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht werden, bevorzugt mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dadurch kann der Montage- und Kontrollaufwand in vorteilhafter Weise gesenkt werden, und es wird ein hohes Sicherheitsniveau realisiert.
Figurenliste
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 eine Vorrichtung zur Montage eines Verbindungselements gemäß der Erfindung in einem ersten Stadium vor der Erzeugung eines Werkzeugseingriffs,
2 die Vorrichtung gemäß 1 in einem Stadium während einem bestehenden Werkzeugeingriff,
3 die Vorrichtung gemäß 1 und 2 in einem Bewegungszustand der Montage, mit einem erfolgten Werkzeugeingriff,
4 eine vergrößerte Detaildarstellung von 3,
5 eine schematisch auseinander gezogene Detaildarstellung der Vorrichtung gemäß 1 bis 3, des Schrauberbits, eines Verbindungselements und der Aufnahmeeinrichtung,
6 eine Detaildarstellung der Vorrichtung gemäß 5 im Werkzeugeingriff gemäß 2,
7 eine schematische perspektivische Darstellung der Montage einer Lenksäule mittels einer Vorrichtung gemäß 1 in einem ersten Montagezustand,
8 eine weitere Darstellung wie in 7 in einem weiteren Montagezustand,
9 eine schematische perspektivische Darstellung der Montage eines Hilfskraftantriebs am Lenkgetriebe einer Hilfskraftlenkung mittels einer Vorrichtung gemäß 1 in einem ersten Montagezustand,
10 den Hilfskraftantrieb gemäß 8 in montiertem Zustand,
11 eine Aufnahmeeinrichtung einer Vorrichtung gemäß 1 in einer schematischen Schnittdarstellung im Zustand von 1 vor der Erzeugung eines Werkzeugeingriffs,
12 die Aufnahmeeinrichtung in einer Ansicht wie in 11 während der Detektierung eines Werkzeugeingriffs gemäß einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
13 die Aufnahmeeinrichtung in einer Ansicht wie in 12 während der Detektierung eines Werkzeugeingriffs gemäß einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
14 ein Diagramm des gemessenen magnetischen Flusses aufgetragen über den Abstand zwischen Werkzeug und Verbindungselement,
15 ein weiteres Diagramm wie in 14,
16 eine Ableitung eines gemessenen magnetischen Flusses aufgetragen über den Abstand zwischen Werkzeug und Verbindungselement.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In den 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer schematischen perspektivischen Gesamtansicht in unterschiedlichen Bewegungszuständen während eines automatisierten Montageprozesses gezeigt.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen mehrachsigen Roboterarm 10, an dem eine im Raum bewegbare Schraubvorrichtung 11 angebracht ist. Diese weist eine motorische Antriebseinheit 12 auf, von der ein als Schrauberbit 2 ausgebildetes Werkzeug (gleichbedeutend auch als Werkzeug 2 bezeichnet) um eine Achse W drehend antreibbar ist. An seinem freien Ende weist das Schrauberbit 2 einen Werkzeugansatz 21 auf, im gezeigten Beispiel ein Innensechskant-Schraubwerkzeug, das im Folgenden auch kurz als Schraubwerkzeug 21 bezeichnet wird.
In einer Aufnahmeeinrichtung 3, beispielsweise einem Magazin einer Vereinzelungseinrichtung, ist ein als Schraube 4 ausgebildetes Verbindungselement im Bewegungsbereich des Schrauberbits 2 in 1 derart bereitgestellt, dass die Schraubenachse mit der Achse W ausgerichtet ist. Die Schraube 4 weist einen Kopf 41 auf, welcher axial an einem Gewindeabschnitt 42 angeordnet ist (siehe 4 und 5), und eine mit der Schraubwerkzeug 21 korrespondierende unrunde Form hat, im gezeigten Beispiel einen Sechskant, auf den in bekannter Weise das Schraubwerkzeug 21 drehschlüssig axial aufgesteckt werden kann. Dieser Sechskant fungiert als Werkzeugaufnahme des Kopfes 41. In 1 ist der Gewindeabschnitt 42 nach unten, in Richtung der Achse W in der Aufnahmeeinrichtung 3 aufgenommen und wird in dieser Ansicht von dieser verdeckt. Der Kopf 41 steht axial nach oben vor.
Das Schrauberbit 2 und die Schraube 4 bestehen aus einem magnetisch gut leitfähigen Material, beispielsweise einem ferromagnetischen Material wie Stahl oderdergleichen, und haben einen entsprechend geringen magnetischen Widerstand.
An dem Schrauberbit 2 und der Aufnahmeeinrichtung 3 ist eine erfindungsgemäße Detektionseinrichtung 5 angeordnet, die unter anderem eine Auswerteeinrichtung 50 umfasst. Die Auswerteeinrichtung 50 wird weiter unten noch im Detail erläutert.
In dem in 1 gezeigten Zustand wird das Schrauberbit 2 axial bezüglich der Achse W entlang eines Verfahrweges X in Richtung auf den Kopf 41 zu bewegt, wie mit dem Pfeil angedeutet ist. Dabei hat das Schraubwerkzeug 21 des Schrauberbits 2 einen axialen Abstand A von dem Kopf 41.
Die Auswerteeinrichtung 50 zeigt in 1 an, dass kein Werkzeugeingriff besteht.
In 2 ist das Schraubwerkzeug 21 auf den Kopf 41 axial aufgesteckt, so dass eine drehschlüssige Verbindung und damit ein ausreichender Werkzeugeingriff erzeugt ist. Im Werkzeugeingriff ist der Abstand A unterhalb eines vorgegebenen maximal zulässigen Abstandswert, der etwa in der Größenordnung von 0,1 mm liegen kann, und der zumindest so klein ist, dass der Drehmomentschluss zwischen Schrauberbit 2 und Kopf 41 sicher gewährleistet ist. Dieses wird von der Detektionseinrichtung 5 detektiert und kann von der Auswerteeinrichtung 50 angezeigt werden.
Mit dem Schrauberbit 2 ist eine Halteeinrichtung 13 verbunden, die dafür sorgt, dass die im Werkzeugeingriff befindliche Schraube 4 an dem Schrauberbit 2 lösbar gehalten wird, beispielsweise magnetisch oder kraftschlüssig.
Wie in 2 mit dem Pfeil angedeutet wird die Schraubvorrichtung 11 entlang eines Verfahrweges X axial nach oben bewegt, wobei die Schraube 4 an dem Schrauberbit 2 gehalten wird und dabei der Abstand A nicht mehr verändert wird. In der Folge wird die Schraubvorrichtung 11 zur eigentlichen Montagestelle, wo sie mit einem Werkstück verbunden werden soll, mitgenommen wird. Dies ist in 3 mit dem seitlich weg gerichteten Pfeil angedeutet.
In 4 ist ein Ausschnitt während des Zustands von 3 vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, wie der Kopf 41 drehschlüssig im Werkzeugeingriff aufgenommen und gehalten ist.
5 und 6 zeigen Details der erfindungsgemäßen Detektionseinrichtung 5. In den 11, 12 und 13 ist die Aufnahmeeinrichtung 3 schematisch im Schnitt entlang der Achse W dargestellt, und es sind unterschiedliche Messzustände schematisch dargestellt, die mit der Lage der in der jeweiligen Figur veranschaulichten Elemente zueinander korrespondieren. So ist in 6 der drehschlüssige Werkzeugeingriff veranschaulicht.
Die Detektionseinrichtung 5 weist einen Magneten 51 auf, der im Beispiel als hohlzylindrischer Permanentmagnet ausgebildet ist, der das Schraubwerkzeug 21 koaxial zur Achse W umgibt.
Wenn die Schraube 4 wie in 1 bereitgehalten wird, und wenn der Werkzeugeingriff wie in 2 erzeugt und detektiert wird, ist ihr Gewindeabschnitt 42 in eine Aufnahmeöffnung 31 eingesetzt, wie in den 11 bis 13 erkennbar ist. Dabei steht der Kopf 41 axial nach oben vor.
Die Detektionseinrichtung 5 weist elektrische Sensoren 52, 53, 54 auf, die als Magnetfeldsensoren zur Messung des magnetischen Flusses ausgebildet sind, beispielsweise als Hall-Sensoren oder dergleichen. Diese Sensoren 52, 53, 54 können einzeln oder in Kombinationen vorgesehen sein, wobei auf unterschiedliche Möglichkeiten zur Anordnung noch eingegangen wird. Zur Auswertung der Messsignale sind die Sensoren an die Auswerteeinrichtung 50 angeschlossen. Dabei ist in den 5 und 6 nur der Sensor 54 veranschaulicht, während in den 11, 12, 13 die möglichen Sensoren 52, 53, und 54 veranschaulicht sind.
Wenn die Schraubwerkzeug 21 einen axialen Abstand A zum Kopf 41 hat, liegt dadurch ein Luftspalt zwischen Werkzeug 2 und Schraube 4 vor, der einen hohen magnetischen Widerstand hat, der deutlich höher ist als der magnetische Widerstand des Schrauberbits 2 und der Schraube 4. Solange der Abstand A größer ist als der für das Zustandekommen eines akzeptablen, sicheren Werkzeugeingriffs erforderliche, maximale Abstandswert, der beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 mm liegen kann, wird von keinem der Sensoren 52, 53, 54 ein magnetischer Fluss im Bereich der Schraube 4 gemessen. Es liegt die in 11 gezeigte Situation vor, in der die Feldlinien M des von dem Magneten 51 erzeugten Magnetfelds im Wesentlichen nur den Magneten 51 selbst umschließen, und nicht die Schraube 4. Die Auswerteeinrichtung 50 zeigt an, dass kein Werkzeugeingriff vorliegt.
Wird das Schraubwerkzeug 21 zur Erzeugung eines Werkzeugeingriffs axial von oben formschlüssig auf den Kopf 41 aufgesteckt, wie in 2 und 5 gezeigt, wird der Abstand A und damit der Luftspalt verringert, so dass der magnetische Widerstand stark abfällt. Wenn der Abstand A einen vorgegebenen Referenzwert unterhalb des vorgenannten maximalen akzeptablen Abstandswerts hat, wird zwischen dem Schraubwerkzeug 21 und dem Kopf 41 ein magnetischer Schluss erzeugt. Folglich wird das Magnetfeld des Magneten 51 über die Schraubwerkzeug 21 und den Kopf 41 in die Schraube 4 eingekoppelt.
Wie in 12 und 13 dargestellt, wird das Magnetfeld axial durch die Schraube 4 hindurch geleitet, und außen laufen die geschlossenen magnetischen Feldlinien M in Richtung der Achse W zurück zum Magneten 51.
Die Sensoren 52 und 53 sind bezüglich des in die Aufnahmeöffnung 31 eintauchenden Gewindeabschnitts 42 radial neben der Schraube 4 angeordnet. Dadurch liegen sie beim Vorliegen eines magnetischen Schlusses im akzeptablen Werkzeugeingriff im Bereich der Feldlinien M des längs zur Achse W zurücklaufenden magnetischen Flusses. Dadurch ist diese Anordnung tolerant hinsichtlich geringfügiger axialer Fehlpositionen der Schraube 4 innerhalb der Aufnahmeöffnung 31.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Sensor 54 axial unterhalb der Aufnahmeöffnung 31 angeordnet sein. Dieser kann den stirnseitig in axialer Richtung aus dem unteren, dem Kopf 41 abgewandten Ende der Schraube 4 austretenden magnetischen Fluss messen. Dadurch kann zusätzlich die axiale Annäherung des Schrauberbits 2 an die Schraube 4, und die Positionierung der Schraube 4 in der Aufnahmeeinrichtung 3 überwacht werden.
In den 11 und 12 ist beispielhaft dargestellt, wie der Sensor 54 zur Bestimmung des Werkzeugeingriffs genutzt wird. In der 13 ist beispielhaft dargestellt, wie der Sensor 52 zur Bestimmung des Werkzeugeingriffs genutzt wird. Analog kann alternativ natürlich der Sensor 53 und/oder jede Kombination der drei Sensoren genutzt werden, zur Bestimmung des Werkzeugeingriffs.
In den 14 und 15 ist der Verlauf des elektrischen Messsignals U eines Sensors 52, 53, 54 über den Betrag des Verfahrweges X und dem daraus resultierenden Abstand A dargestellt. Bei einer Annäherung des Schrauberbits 2 an den Kopf 41 erfolgt beim Unterschreiten eines Abstands Amin ein überproportional starker Anstieg der gemessenen magnetischen Flussdichte, beginnend bei Umin, der sich bis zur maximal möglichen Annäherung im vollständigen Werkzeugeingriff bis zum Wert Umax fortsetzt, was dem maximal möglichen magnetischen Fluss durch die Schraube 4 entspricht, also dem geringsten magnetischen Widerstand. Zwischen Umin und Umax wird ein Referenzwert Uref festgelegt. Beim Erreichen bzw. Überschreiten dieses Referenzwerts Uref ist ein sicherer Werkzeugeingriff AOK gewährleistet. Nach einer weiteren Bewegung entlang dem Verfahrweg X bleibt der Abstand Amin erhalten, so dass der Drehschluss und/oder der Kraftschluss im Werkzeugeingriff erhalten bleibt.
Wie in 15 angedeutet, kann es auch ausreichend sein, einen unteren Grenzwert Umin und einen oberen Grenzwert Umax zur Detektion eines akzeptablen, einwandfreien Werkzeugeingriffs AOK zugrunde zu legen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Auswertung der mit dem magnetischen Fluss korrelierten Messwerte U wie in 14 oder 15 gezeigt, kann mit Vorteil auch ein Gradient der Magnetfeldmessung ausgenutzt werden, wie in 16 gezeigt. Dabei kann eine Mindesthöhe des Gradientenpulses dOK als Unterscheidungskriterium ausgewertet werden.
Der Magnet 51 dient im gezeigten Beispiel gleichzeitig zur Realisierung einer magnetischen Halteeinrichtung 13. Er sorgt dafür, dass die Schraube 4 im Werkzeugeingriff durch die Magnetkraft an dem Schrauberbit 2 gehalten wird, um die Montage zu ermöglichen.
In den 7 und 8 ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren bei der Montage einer Lenksäule 6 gezeigt, die beispielsweise eine Trageinheit 61 und einen Führungskasten 62 umfasst. Dabei wird jeweils eine magnetisch im Werkzeugeingriff an dem Schrauberbit 2 gehaltene Schraube 4 von dem hier nicht gezeigten Roboterarm 10 in Richtung der Achse W axiale in eine vorgegebene Bohrung 63 eingeführt - wie mit dem geraden Pfeil angedeutet - und dabei durch Rotation um die Achse W in diese Bohrung 63 eingeschraubt und mit einem vorgegebenen Anzugsmoment angezogen - wie mit dem gebogenen Pfeil angedeutet. Anschließend wird das Schrauberbit 2 unter Überwindung der magnetischen Haltekraft von dem Kopf 42 der eingeschraubten Schraube axial abgezogen. Im Beispiel wird eine Biegelasche 64 als Crashelement mit Elementen der Trageinheit 61 verschraubt. 8 zeigt die abgeschlossenen Schrauboperationen und das Einschrauben der letzten Schraube 4.
In den 9 und 10 ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Montage eines Hilfskraftantriebs 7 gezeigt, der beispielsweise einen elektrischen Motor 71 und ein Lenkgetriebe 72 umfasst. Eine in dem Schrauberbit 2 im Werkzeugeingriff gehaltene Schraube 4 wird durch eine Durchgangsöffnung 73 hindurchgeführt und in eine korrespondierende Gewindebohrung des Motors 71 eingeschraubt und mit einem vorgegebenen Anzugsmoment festgezogen, wie mit den Pfeilen angedeutet. In 10 ist die fertig verschraubte Baugruppe dargestellt.
Bei der hoch sicherheitsrelevanten Montage von Komponenten eines Kraftfahrzeug-Lenksystems, wie beispielsweise einer Lenksäule 6 oder eines Hilfskraftantriebs 7 kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellungsaufwand verringert und gleichzeitig das Sicherheitsniveau erhöht werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
10: Roboterarm
11: Schraubvorrichtung
12: Antriebseinheit
13: Halteeinrichtung
2: Schrauberbit (Werkzeug)
21: Schraubwerkzeug (Werkzeugansatz)
3: Aufnahmeeinrichtung
31: Aufnahmeöffnung
4: Schraube (Verbindungselement)
41: Kopf
42: Gewindeabschnitt
5: Detektionseinrichtung
50: Auswerteeinrichtung
51: Magnet
52, 53: Sensor
54: Sensor
6: Lenksäule
61: Trageinheit
62: Führungskasten
63: Bohrung
64: Biegelasche
7: Hilfskraftantrieb
71: Motor
72: Lenkgetriebe
73: Durchgangsöffnung
X: Verfahrweg
W: Achse
A: Abstand
M: Feldlinien

Claims

Verfahren zur Detektion eines Werkzeugeingriffs eines Werkzeugansatzes (21) eines Werkzeugs (2) mit einem Kopf (41) eines Verbindungselements (4), gekennzeichnet dadurch, dass der magnetische Widerstand durch das Werkzeug (2) und das Verbindungselement (4) bestimmt wird, wobei ein Werkzeugeingriff dadurch erkannt wird, dass der Widerstandswert des bestimmten magnetischen Widerstands unterhalb eines vorgegebenen Referenzwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Widerstand durch Messung eines durch das Werkzeug (2) und das Verbindungselement (4) durchgehenden magnetischen Flusses bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über das Werkzeug (2) ein Magnetfeld in das Verbindungselement (4) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld in einem von dem Kopf (41) des Verbindungselements (4) beabstandeten Bereich gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das axial aus dem Verbindungselement (4) austretende Magnetfeld gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein akzeptabler Werkzeugeingriff erkannt wird, wenn das gemessene Magnetfeld größer ist als ein vorgegebener Mindestwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Magnetfelds mittels eines elektrischen Magnetfeldsensors (52, 53, 54) erfolgt, der an eine Auswerteeinrichtung (50) angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung dadurch erfolgt, dass ein erster Widerstandswert außerhalb des Werkzeugeingriffs bestimmt wird bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Werkzeug (2) und Verbindungselement (4), dass ein zweiter Widerstandswert im Werkzeugeingriff bestimmt wird, und aus dem Verhältnis der beiden Widerstandswerte einem akzeptablen Werkzeugeingriff entsprechende Widerstandswerte bestimmt werden.
Vorrichtung zur Montage eines Verbindungselements (4) umfassend ein Werkzeug (2) mit einem Werkzeugansatz (21), eine Aufnahmeeinrichtung (3), in der mindestens ein Verbindungselement (4) mit einem Kopf (41) aufnehmbar ist, und einen Manipulator (10) zur Bewegung des Werkzeugansatzes (21) relativ zur Aufnahmeeinrichtung (3), um den Werkzeugansatz (21) in Werkzeugeingriff mit dem Kopf (41) einer darin aufgenommenen Verbindungselements (4) bringen zu können, und mit einer Detektionseinrichtung (5), die ausgebildet ist, einen Werkzeugeingriff zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (5) eine magnetische Widerstandsbestimmungseinrichtung (50, 51, 52, 53, 54) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) von einer motorischen Antriebseinheit (12) um eine Achse (W) drehend antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung (13, 51) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um ein Verbindungselement (4) lösbar am Werkzeug (2) zu halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (5) einen Magneten (51) zur Einkopplung eines Magnetfelds in das Werkzeug (2) aufweist, und einen Magnetfeldsensor (52, 53, 54) zur Messung des Magnetfelds außerhalb des Werkzeugs (2).
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (52, 53, 54) an eine Auswerteeinrichtung (50) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (52, 53, 54) an der Aufnahmeeinrichtung (3) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnetfeldsensor (52, 53, 54) radial bezüglich einer Achse des Verbindungselements (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnetfeldsensor (52, 53, 54) axial zum Werkzeug (2) bezüglich einer Achse des Verbindungselements (4) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Lenksystems, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Montage von Verbindungselementen (4) ein Werkzeugeingriff eines Werkzeugansatzes (21) eines Werkzeugs (2) mit einem Kopf (41) eines Verbindungselements (4) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 detektiert wird.