DE19531832C2 - Verfahren zur Ermittlung und geregelten Kompensation von Positions- und Orientierungsfehlern beim Fügen von Bauteilen durch Längspressen und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Positions- und Orientierungsfehlern beim Fügen von Bauteilen durch Längspressen, bei dem ein Bauteil in das andere mit Hilfe eines Pressenstößels unter Einwirkung einer Fügekraft durch einen Fügehub eingeschoben wird.

Die räumliche Lage eines Bauteils ist durch seine Position und seine Orientierung im dreidimensionalen Raum festgelegt.

Die Position ist der Ort, den ein definierter körpereigener Punkt im Bezugskoordinatensystem einnimmt. Sie beschreibt die Anordnung des Bauteils bzgl. seiner drei translatorischen Freiheitsgrade. Eine Änderung der Position bedingt eine translatorische Bewegung.

Die Orientierung ist die Winkelbeziehung zwischen den Achsen des körpereigenen Koordinatensystems und denen des Bezugskoordinatensystems. Sie beschreibt die Anordnung des Bauteils bzgl. seiner drei rotatorischen Freiheitsgrade. Die Änderung der Orientierung bedingt eine rotatorische Bewegung.

Für die Lage von Fügepartnern im Fügeprozeß ist der Bezug der Fügeflächen, mit genügender Genauigkeit beschrieben durch die Mittenachsen der Zylinderflächen, sowie weiterer geometrisch definierter Funktionsflächen von Bedeutung.

Als Positionsfehler im Rahmen dieser Erfindung gilt der in Fig. 1 dargestellte orthogonale Versatz der durch die Fügeflächen beschriebenen Mittenachsen des inneren Bauteils (1) und des äußeren Bauteils (2) zueinander bzgl. der zugewiesenen, achsidentischen Lage (3).

Als Orientierungsfehler im Rahmen dieser Erfindung gilt die in Fig. 2 dargestellte Neigung der durch die Fügeflächen beschriebenen Mittenachsen des inneren Bauteils (1) und des äußeren Bauteils (2) zueinander bzgl. der achsidentischen Lage (3).

Bei bekannten Verfahren werden während des Fügens Positionsfehler des inneren Bauteils einer Preßverbindung gegenüber den äußeren Bauteilen durch Messung der orthogonal zur Fügerichtung wirkenden und durch den Positionsfehler verursachten Querkräfte erfaßt. Die Erfassung der Querkräfte erfolgt parallel zur Erfassung der in Fügerichtung wirkenden Fügekraft und ggf. des Einpreßweges mit Hilfe eines 3- dimensionalen Kraftsensors, der im Kraftfluß der Fügeeinrichtung, im allgemeinen in unmittelbarer Umgebung der Einrichtung zur Lagefixierung eines der Bauteile angeordnet ist. Neben der Erfassung des Positionsfehlers dienen die meßbaren Querkräfte als Regelgröße zur Nachpositionierung der Bauteile und somit zum Ausgleich des Positionsfehlers. Voraussetzung für die geregelte Nachpositionierung ist eine Fügeeinrichtung mit mehrdimensionalen Bewegungsachsen, im allgemeinen ein Industrieroboter.

So ist beispielsweise in DE 25 40 494 A1 eine derartige Einrichtung für den geregelten Ausgleich von Positionsfehlern beim Fügen von Schrauben oder Bolzen in achsparallele Muttern oder Bohrungen vorgestellt. Der Fehlerausgleich der zueinander axial und radial verfahrbaren Bauteile erfolgt, indem während einer zusätzlichen Verrichtung vor Fügebeginn ein spezieller Konus in die jeweilige Bohrung eingefahren und unter entsprechender Rückkopplung der durch die Querkraftwirkung erfaßten tatsächlichen Lage der Bohrung die Position aktiv durch axiales Verfahren korrigiert wird. Ein Beispiel des passiven Positionsfehlerausgleiches ist in Hesse, Stefan: Montagemaschinen, Vogel Buchverlag Würzburg, 1. Auflage, S. 194 und 195 dargestellt. Grundbestandteil der Einrichtung ist eine pneumatisch geführte Bewegungseinheit, die nach der Vorpositionierung der Bauteile in der Phase des Anfädelns ein schwimmendes System bildet. Unter Wirkung der beim Fasenkontakt von Bolzen und Nabe auftretenden Querkräfte verändert das Basisteil dabei derart seine Lage, daß der sich im Inneren der Bewegungseinrichtung ändernde Staudruck zum Verfahren der gesamten Bewegungseinheit führt, bis der Positionsfehler aufgehoben ist.

Weitere aktive und passive Fehlerkompensationsmechanismen, deren Wirkprinzipien den Bedingungen anderer Fügeverfahren (z. B. Ein- und Aufstecken mit Spielpassung) angepaßt sind, jedoch wegen der Spezifik des Längspressens bzgl. der Erfassung und des Ausgleich von Positions- und Orientierungsfehlern während des Fügeprozesses hier nicht anwendbar sind, werden in CM 6 44 291 und DE 25 56 098 A1 beschrieben.

Eine eindeutige Erfassung bzw. Differenzierung eines überlagert oder unabhängig vom Positionsfehler vorhandenen Orientierungsfehlers ist mit Hilfe der Querkraftmessung nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der qualitativen und quantitativen Erfassung und Differenzierung von verfahrensbeeinflussenden Positions- und Orientierungsfehlern während des Einpreßvorganges zur Gewährleistung (bzw. Nachweisführung) der Qualität der Preßpassung. Eine weitere Aufgabe besteht in der geregelten Kompensation der Positions- und Orientierungsfehler während des Einpreßvorganges unter Nutzung der ermittelten Meßdaten bzw. Fehlergrößen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen genannten und im Ausführungsbeispiel näher erläuterten Mitteln gelöst.

Die Erfassung von Positions- und Orientierungsfehlern erfolgt durch Messung der während der Anfädel-, Anschnäbel- und Einpreßphase übertragenen, auf der Steifewirkung der Fügeeinrichtung während der selbständigen Zentrier- und Ausrichtbewegung der Bauteile beruhenden Momentenwirkung durch eine Momentenmeßeinrichtung, die im Kraftfluß der Fügeeinrichtung angeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung werden die aufgeführten Phasen des Einpreßvorganges folgendermaßen definiert:
Als Anfädelphase (Fig. 6) gilt die Phase des Aufsetzens und Gleitens unter zentrierender Bewegung eines der Bauteile auf der Fase des anderen bis zum ersten Kontakt der Kanten der Bauteilfügeflächen. Die Einpreßphase (Fig. 8) ist die Phase des kraftintensiven Ineinanderschiebens der zylindrischen Bauteilfügeflächen unter gegenseitiger Überdeckung. Im Ablauf des Einpreßvorganges zwischen Anfädel- und Einpreßphase ist die Anschnäbelphase (Fig. 7) angeordnet, welche die Phase vom ersten Kontakt der Kanten der Bauteilfügeflächen bis zum Beginn des kraftintensiven Ineinanderschiebens beschreibt.

Die quantitative Zuordnung der Größe und Richtung der Positions- und Orientierungsfehler beruht auf dem Zusammenhang zwischen Weg- bzw. Winkelveränderung der Bauteile und der Momentenwirkung unter den Bedingungen von Lagerung und Steife fester Elemente bei elastischer Verformung.

Die separate Kompensation der Positions- und Orientierungsfehler erfolgt durch geregeltes Nachführen von mindestens einem Bauteil in die gegenüber dem zweiten Bauteil ausgerichtete Lage bezüglich jedes einzelnen Fehlers zum oder unmittelbar nach dem Zeitpunkt seines Auftretens unter Weg- und/oder Winkelverstellung mit Hilfe einer Momentenregelung.

Die ausgerichtete Lage der Bauteile ist dabei durch den momentenfreien Zustand oder durch Unterschreitung eines maximal zulässigen Momentenwertes (Regelabweichung) definiert.

Die kombinierte Kompensation der Positions- und Orientierungsfehler erfolgt unter selbständiger Transformation des Positionsfehlers zu einem Orientierungsfehler während der Anfädelphase aufgrund der Zentrierwirkung im Fasenbereich der Fügepartner und anschließender Kompensation des resultierenden Orientierungsfehlers durch geregeltes Nachführen von mindestens einem Bauteil in die gegenüber dem zweiten Bauteil ausgerichtete Lage unter Weg- und/oder Winkelverstellung mit Hilfe einer Momentenregelung.

Die ausgerichtete Lage der Bauteile ist dabei durch den momentenfreien Zustand oder durch Unterschreitung eines maximal zulässigen Momentenwertes definiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß eine sichere Erfassung von Positions- und Orientierungsfehlern unmittelbar vor und während dem Einpressen möglich ist. Durch Messung des übertragenen Biegemomentes in unterschiedlichen Phasen des Fügevorganges lassen sich die Fehler separat erfassen und einer Auswertung bzw. Dokumentation zuführen.

Der Vorteil der Momentenmessung gegenüber der Querkraftmessung besteht in der eindeutigen Zuordnung der gemessenen Momentengrößen und -richtungen zu den Fehlergrößen und -richtungen in den Phasen des Anfädelns und Einpressens, lediglich unter Berücksichtigung der Steife der Bauteilfixierung und des Einpreßweges.

Darüber hinaus ist es möglich, sowohl Positionsfehler in der Phase des Anfädelns im Bereich der Fügefase der Bauteile als auch Orientierungsfehler in der Phase des Einpressens des inneren Bauteils in die Bohrung des äußeren Bauteils separat oder überlagert nach selbständiger Transformation des Positionsfehlers durch Eigenzentrierung im Fasenbereich in Form des resultierenden Orientierungsfehlers in der Phase des Einpressens auszugleichen.

Der Vorteil liegt somit in der Gewährleistung des sicheren Fügens von Preßverbindungen trotz vorhandener Positions- und Orientierungsfehler über den zulässigen Toleranzbereich der Fehler hinaus. Da Einzelmeßwerte der Einpreßkraft oder der Preßkraftverlauf über dem Einpreßweg bzw. der Zeit in Verfahren der Qualitätssicherung als Maß der statischen Festigkeit von Preßverbindungen dienen oder zu deren Beeinflussung genutzt werden, besteht ein weiterer Vorteil in der sicheren Anwendung des bekannten Verfahrens der Qualitätssicherung durch Preßkraftüberwachung, auch unter Einfluß der vorgenannten Fehlergrößen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung von innerem und äußerem Bauteil zur Veranschaulichung des Positionsfehlers

Fig. 2 eine Darstellung von innerem und äußerem Bauteil zur Veranschaulichung des Orientierungsfehlers

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Positioniertisch und angeschlossener Auswerteeinrichtung, mit einem Positionsfehler

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Positioniertisch und angeschlossener Auswerteeinrichtung, mit einem Orientierungsfehler

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem translatorisch geregelt verfahrbaren Positioniertisch und einem nachgiebig angeordneten Stößel

Fig. 6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anfädelphase

Fig. 7 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Anschnäbelphase

Fig. 8 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Einpreßphase.

Die in Fig. 3 und 4 zu sehenden Bauteile bestehen aus einem zylindrischen Bolzen 4, versehen mit einer Fügefase (inneres Bauteil 4) sowie einem mit einer Bohrung und ebenfalls einer Fügefase versehenen Nabe 5 (äußeres Bauteil 5).

Das Vorhandensein einer Fügefase an der Fügefläche mindestens eines Bauteils ist Bedingung für das Anfädeln der Bauteile unter Positions- und Orientierungsfehlereinfluß.

Beide Bauteile gelten als lagefixiert. Die Lagefixierung der Bauteile durch Greifwerkzeuge 6 oder andere Einrichtungen bewirkt die Übertragung der durch Horizontal- und Biegesteife gekennzeichneten Eigenschaften der Fügeeinrichtung auf die Bauteile.

Nach Kontakt der Bauteile im Fasenbereich gemäß der Fig. 3 erfolgt unter Preßkraftwirkung und Fortführung der Fügebewegung eine zentrierende Gleitbewegung entlang der Fase bis zum Anschnäbeln der Bauteile. Die Bauteile erfahren dabei eine Neigung entgegen der durch die Lagefixierung übertragenen Steifewirkung der Fügeeinrichtung. Aus den Komponenten der gleichzeitig wirkenden Preßkraft und der, der Zentrierwirkung entgegenwirkenden Querkraft im Kontaktbereich der Bauteile resultiert ein Biegemoment, welches über die Einrichtungen der Lagefixierung auf die Fügeeinrichtung übertragen wird. Die Momentenwirkung beruht auf der elastischen Steife des geschlossenen Gesamtsystems aus den zu fügenden Bauteilen und der Fügeeinrichtung unter Einwirkung der entgegen dem Positionsfehler auftretenden zentrierenden Kräfte an den Bauteilfasen beim Anfädeln.

Dieses Biegemoment ist meßbar und gilt unter Beachtung der Wegposition in Einpreßrichtung als Maß für die Größe des Positionsfehlers. Gleichzeitig läßt sich aus dem Richtungsvektor der Momentenwirkung direkt auf die Richtung des Positionsversatzes schließen.

In Fig. 4 sind die Bauteile unter Einfluß eines Orientierungsfehlers dargestellt. Während des Ineinanderschiebens der Bauteile nach dem Anschnäbeln unter Preßkraftwirkung und Fortführung der Fügebewegung sind die Bauteile bestrebt, sich mit dem Ziel der Konturanpassung der Fügeflächen entgegen der fixierten Lage auszurichten. Dabei entsteht ein Biegemoment, welches über die Einrichtungen der Lagefixierung auf die Fügeeinrichtung übertragen wird.

Die Momentenwirkung beruht auf der elastischen Steife des geschlossenen Gesamtsystems aus den zu fügenden Bauteilen und der Fügeeinrichtung unter Einwirkung der entgegen dem Orientierungsfehler auftretenden Kräfte zwischen den Fügeflächen innerhalb der Fuge beim Einpressen.

Dieses Biegemoment ist meßbar und gilt unter Beachtung der Wegposition in Einpreßrichtung als Maß für die Größe des Orientierungsfehlers. Gleichzeitig läßt sich aus dem Richtungsvektor der Momentenwirkung direkt auf die Neigungsrichtung der Bauteile zueinander schließen.

Zur Messung der Biegemomente ist im Kraftfluß der Fügeeinrichtung eine Momentenmeßeinrichtung 7 integriert, die die Meßwerte über eine entsprechende Übertragungseinheit 8 an eine Auswerteeinrichtung 9 zur Dokumentation der Fehlergrößen überträgt. Ihre beispielhafte Anordnung in Fig. 3, 4, und 5 erfolgt unterhalb der Einrichtung zur Lagefixierung der Nabe. Die Momentenmeßeinrichtung gewährleistet die unabhängige Momentenmessung um zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Richtungsvektoren, welche wiederum orthogonal zur Fügerichtung gemäß eines karthesischen Koordinatensystems angeordnet sind. Größe und Richtung des resultierenden Momentes und somit der resultierenden Fehlergrößen ergeben sich durch trigonometrische Verknüpfung der beiden unabhängigen Meßwerte. Die Differenzierung der Positions- und Orientierungsfehler im Einpreßprozeß erfolgt durch Zuordnung der Momentenmeßwerte zum Fügeweg bzw. zur Zeit. Sofern notwendig kann dabei zur eindeutigen Differenzierung ohne Einfluß der Längentoleranz der Bauteile bzw. der Positionierabweichung der Fügeeinrichtung in Fügerichtung die signifikante Gradientenänderung im Preßkraft- oder Momentenverlauf während der Anschnäbelphase als Entscheidungskriterium genutzt werden.

Zur Nachpositionierung der Bauteile zueinander wird der Momentenmeßwert einer jeden der beiden unabhängig erfaßbaren, orthogonal gerichteten Momentenkomponenten als Regelgröße genutzt und in je einem separaten Regler 13 mit einem Sollwert verarbeitet. Sofern keine anderen Effekte erzielt werden sollen, empfiehlt sich als Sollwertvorgabe "0" bzw. ein als zulässig anzusehender Momentenbereich. Als Resultat erfolgt über die jeweils gekoppelte Regelstrecke 10 ein Verfahren der Positioniereinheit. In Fig. 5 ist eine solche Positioniereinheit 11 in Form eines Positioniertisches dargestellt. Die regelbaren Positionierachsen des Tisches sind jeweils orthogonal zum Richtungsvektor des als Regelgröße fungierenden Momentes angeordnet.

Ein Ausgleich des Positionsfehlers erfolgt durch ebenes Verfahren der Positioniereinrichtung in Richtung der Fehlerwirkung bis zur Reduzierung der zugrundeliegenden Momentengröße auf den Sollwert. Zum Ausgleich des Orientierungsfehlers dient weiterhin die, in einem Drehpunkt am Gestell rotatorisch frei gelagerte Preßachse 12, welche durch Federvorspannung oder zeitweilig fixierende Elemente außerhalb des Einpreßprozesses lagestabilisiert wird. Geführt durch den in die Bohrung der Nabe 14 ein suchenden Bolzen 15 folgt sie der Bewegung des Positioniertisches und bewirkt dabei eine Neigungsänderung der Bauteile zueinander bis zur Reduzierung der dem Orientierungsfehler zugrundeliegenden Momentengröße auf den Sollwert.

Das beispielhaft dargestellte Prinzip der Momentenerfassung schließt nicht die Anordnung der Momentenmeßeinrichtung n in den lagefixierenden Einrichtungen, im Stößel, Maschinentisch oder an anderen Orten im Kraftfluß der Fügeeinrichtung aus. Gleichfalls schließt der beispielhaft dargestellte geregelte Positionierablauf nicht weitere geregelte translatorische und rotatorische Positionierbewegungen aus, die auf der Momentenwirkung als Regelgröße beruhen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Ermittlung und geregelten Kompensation von Positions- und/oder Orientierungsfehlern beim Fügen von Bauteilen durch Längspressen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Fügevorganges in einem ersten Schritt ein auf die Fügeeinrichtung übertragenes, ursprünglich durch die Fehlerwirkung hervorgerufenes Biegemoment gemessen, das Meßergebnis einer Auswerteeinrichtung zugeführt und in Größe und Richtung als Positions- und/oder Orientierungsfehler zugeordnet wird, in einem zweiten Schritt der Positions- und/oder Orientierungsfehler bzw. deren Meßwerte als Regelgrößen für eine wenigstens teilweise momentengeregelte Nachpositionierung der zu paarenden Bauteile bis zur Reduzierung der Regelabweichung auf einen definierten Sollwert genutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Anfädelphase auftretende Moment zur Ermittlung des Positionsfehlers genutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Einpreßphase auftretende Moment zur Ermittlung des Orientierungsfehlers genutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierung von Positions- und Orientierungsfehler durch die Auswertung der im Preßkraft und/oder Momentenverlauf auftretenden signifikanten Gradientenänderung erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Momentenmeßeinrichtung im Kraftfluß der Fügeeinrichtung angeordnet ist, die mit einer Auswerteeinrichtung zur Zuordnung von Positions- und Orientierungsfehler verbunden ist.