DE19736547A1

DE19736547A1 - Verfahren zur Erzeugung eines definierten Verspannmoments für Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE19736547A1
Application number: DE1997136547
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Blumrich; Edgar Dipl Ing Maehringer-Kunz; Volker Dipl Ing Popp
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-08-23
Also published as: DE19736547C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Schraubverbindungen. Speziell betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines definierten Verspannmoments bei Schraubverbindungen mit Hilfe des während des Schraubvorgangs zur Drehung aufzuwendenden Drehmoments.

Zum Eindrehen von Schrauben, Aufdrehen von Muttern und anderen Schraubvorgängen sind Elektroschrauber seit langem bekannt. Diese Elektroschrauber nach dem Stand der Technik führen den Schraubvorgang mit einem vorgegebenen, zumeist zuvor einstellbaren Drehmoment oder einer vorgegebenen Drehrate aus, bis ein maximal zugelassenes Drehmoment, das sogenannte Abschaltmoment, erreicht ist. Solche Schraubvorrichtungen sind als Drehmomentschlüssel zumeist mit einer Rutschkupplung versehen, die kein größeres Drehmoment als das Abschaltmoment zuläßt.

Elektroschrauber sind auch in der Ausführung bekannt, daß an Stelle oder zusätzlich zum Abschaltmoment ein Abschaltwinkel vorgegeben ist, bei dessen Erreichen der Schraubvorgang beendet wird. Eine solche Ausführung ist dann sinnvoll, wenn eine Schraube nicht bis zum Anschlag in ein Gewinde hineingedreht werden soll.

Die DE-OS-32 22 156 offenbart eine Schraubvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zum definierten Anziehen von Schrauben mittels eines hilfskraftbetriebenen Werkzeugs. Dabei werden Toleranzfenster für Drehmoment und Drehwinkel vorgegeben und es wird mit Hilfe eines Rechners kontrolliert, ob die Kennlinie durch alle Fenster verläuft oder nicht.

DE-C-43 16 332 beschreibt ein Verfahren zum Einschrauben von Schrauben unter Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel, Vergleich dieser erfaßten Werte mit gespeicherten Sollwerten und der Erzeugung eines Signals bei Abweichung von diesen Sollwerten, wobei die Lage mindestens eines Toleranzbandes (Toleranzfenster) an die Historie des aktuell durchgeführten Schraubvorgangs adaptiert wird.

Die Schraubverfahren nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, daß sie die ausschließliche Vorgabe eines Abschaltmoments gestatten, bei dessen Erreichen der Schraubvorgang beendet wird. Eine Voreinstellung der Verspannkraft, d. h., der Kraft, die zu einer Längenänderung der Schraube führt, ist hiermit nicht möglich. Da jedoch gewisse Materialien, wie bspw. Kunststoff nur eine bestimmte Flächenpressung (die proportional zur Verspannkraft ist) erlauben, ist es wichtig, eine bestimmte Verspannkraft (Verspannmoment) vorwählen zu können. Des weiteren resultiert bei fest vorgegebenem Abschaltmoment eine auf den Toleranzen der Bauteile beruhende sehr starke Variation der Verspannkraft bzw. des Verspannmoments, was zu hohen Ausschußraten führen kann.

Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, daß die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und es gestattet, ein definiertes Verspannmoment weitgehend unabhängig von Störgrößen zu erzeugen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Schraubverfahrens, daß eine geringe Ausschußrate bei gleichbleibend hoher Qualität bietet.

Diese Aufgaben werden bei einem Schraubverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst:

a) Festlegung eines bestimmten Verspannmoments, bei dessen Erreichen der Schraubvorgang beendet werden soll,
b) kontinuierliche Aufnahme von Drehmoment- und Drehwinkelwerten und kontinuierliche Bestimmung und Überwachung der Steigung der daraus resultierenden Kennlinie des Schraubvorgangs,
c) Bestimmung des Übergangs zwischen einem Bereich geringerer Steigung und einem Bereich höherer Steigung,
d) kontinuierliche Bestimmung eines Abschaltdrehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel; und
e) Anpassen des Abschaltmoments für jede Drehwinkelposition bis zum Erreichen des bestimmten Verspannmoments.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß ein definiertes Verspannmoment weitgehend unabhängig von Störgrößen, wie z. B. Material, mehrfaches Benutzen der selben Bohrung, etc., erreicht werden kann, was dazu führt, daß eine geringere Ausschußrate bei gleichbleibend hoher Qualität erzielt werden kann. Dies gilt insbesondere bei selbstfurchenden Schrauben.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß in allen Fällen ein definierter Sitz der Schraube trotz evtl. mehrfachen Schraubens erhalten wird.

Außerdem liegt ein Vorteil der Erfindung darin, daß trotz evtl. mehrfacher Benutzung der gleichen Bohrung immer das gleiche, definierte Verspannmoment erreicht wird und Spannungen durch ungleichmäßige Momente vermieden werden.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen weiter erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Drehmoment-/Drehwinkel-überwachte Kennlinie eines Schraubvorgangs mit den zugehörigen Toleranzfenstern nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine grafische Darstellung des allgemeinen Ablaufs beim Herstellen einer Schraubverbindung,

Fig. 3A-3C die Variation des Moments im Bereich I (Gewindefurchmoment) und die daraus resultierende hohe Varianz des Verspannmoments, und

Fig. 4A, B das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anpassung innerhalb eines Regelkreises bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und die entstehende Regressionsgerade.

Bei Elektroschraubern nach dem Stand der Technik werden normalerweise, wie in Fig. 1 gezeigt, das angewandte Drehmoment M und der Drehwinkel α überwacht, wobei diese Werte mit in einem Speicher vorhandenen Sollwerten verglichen werden. Sobald die gemessenen Werte von den vorgegebenen Werten im Speicher soweit abweichen, daß sie außerhalb eines gewissen Toleranzbereichs (I-IV in Fig. 1) liegen, wird ein Signal erzeugt, das bspw. das Abschalten des Schraubers auslöst. Die Position mindestens eines Toleranzbereichs wird bei diesen Schraubern an die Historie des aktuell durchgeführten Schraubvorgangs angepaßt. Durch diese Überwachung ist es möglich, offensichtliche wie auch versteckte Fehler innerhalb eines Schraubprozesses zu erkennen, um damit fehlerhafte Schraubverbindungen auszuschließen. Die gleichzeitige Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel ist nötig, um die Reibverhältnisse während des Schraubvorgangs erfassen und beurteilen zu können.

Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung der Gegebenheiten beim Herstellen einer Schraubverbindung. Aufgetragen sind der Drehwinkel α gegen das Drehmoment M. Zu Beginn des Schraubvorgangs (α=0, M=M₀) wird die Schraube auf das Werkstück aufgesetzt. Die Harmonisierung des Verschraubungsbeginns wird durch Erfassung des Momentensprunges beim Einrasten der Schraube in das Bohrgewinde bei einem gegenüber dem Einschraubvorgang gegensinnigen Drehsinn erreicht. Nun wird die Schraube in das Werkstück eingedreht, wobei zunächst das Gewinde erzeugt wird, falls es sich um eine selbstfurchende Schraube handelt. Das hierfür aufzuwendende Moment wird auch Gewindefurchmoment genannt. Das Gewindefurchen erzeugt bei fortschreitendem Eindrehen der Schraube ein stetig linear ansteigendes Drehmoment M, das in Fig. 2 durch die Geradensteigung s₁ dargestellt ist. An der Stelle, an der der Kopf der Schraube auf dem Werkstück aufliegt (P in Fig. 2, M = M₁) geht der Verlauf in die Gerade mit der Steigung s₂ über. Die Steigung der Geraden s₂ setzt sich zusammen aus einem Anteil der Gerade s₁ (da immer noch ein Gewindefurchen stattfindet), der sogenannten Kopfreibung und der elastischen Dehnung der Schraube sowie der elastischen Pressung des verspannten Materials. Der Grenzbereich zwischen dem Eindrehen und dem Anziehen der Schraubenverbindung bei Kopfauflage wird als Fügemoment bezeichnet. Wird nun bei fortgesetztem Anziehen das vorbestimmte Drehmoment M₂ (geschwindigkeitsgeregelt) bzw. der vorbestimmte Drehwinkel α_end erreicht, wird der Schraubvorgang beendet. M₃ in Fig. 2 stellt die Belastungsgrenze des Materials dar. Eine Erhöhung des Drehmoments bzw. Drehwinkels über diese Grenze hinaus würde zur Zerstörung des Materials führen.

Sobald der Kopf der Schraube auf dem Werkstück aufliegt und die Schraube weiter angezogen wird, beginnt die Verspannung der Verbindung. Bei Abschalten des Verschraubungsvorganges aufgrund des Erreichens eines vorgegebenen Drehmoments unterliegt die Schraubverbindung einer bestimmten Verspannkraft. Diese Verspannkraft kann direkt gemessen werden, bspw. mittels im Material vorhandener Dehnungsmeßstreifen. Allerdings ist diese Meßmethode für eine Massenfertigung sehr aufwendig und teuer. Die Erfindung macht sich daher die Tatsache zunutze, daß in erster Näherung das Verspannmoment, d. h., der Teil des Schraubmoments, der in der Verspannkraft wirksam wird, proportional zur Verspannkraft ist.

Die am Ende eines Schraubvorgangs anliegende Verspannkraft ist nun aber nicht immer gleich, sondern unterliegt bei fest vorgegebenem Enddrehmoment einer breiten Variation aufgrund der Toleranzen der Bauteile, der Reibung sowie der Vorgänge bspw. beim mehrfachen Verschrauben innerhalb derselben Gewindebohrung. Dies führt insbesondere bei selbstfurchenden/selbstschneidenden bzw. selbsthemmenden Schrauben zu sehr großen Schwankungen des Verspannmoments, das Moment im Bereich I sehr stark variieren kann. Bei fest vorgegebenem Endmoment (Abschaltmoment) resultiert daher die bereits angesprochene hohe Varianz des Verspannmoments, da nur die Bereiche III und IV in die Verspannung eingehen (vgl. Fig. 1). Diese Variation ist in den Fig. 3A-3C dargestellt, wobei VM = Verspannmoment und RF = Reibungs- und Furchmoment.

Gewisse Materialien, wie bspw. Kunststoff, dürfen jedoch nur einer bestimmten, maximalen Flächenpressung (die proportional ist zur Verspannkraft) ausgesetzt werden, anderenfalls würden diese Materialien beim Verschraubungsvorgang zerstört. Es ist also für solche Materialien notwendig, eine maximale Verspannkraft bzw. ein maximales Verspannmoment vor dem Verschraubungsvorgang festzulegen. Um ein solches konstantes Verspannmoment zu erhalten, muß jedoch das Enddrehmoment (Abschaltmoment) variabel sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst diese Aufgabe nun durch folgende Schritte:
Zunächst wird, abhängig vom jeweiligen Material, das Verspannmoment festgelegt, bei dessen Erreichen der Verschraubungsvorgang beendet werden soll. Während des dann beginnenden Verschraubungsvorganges werden die Drehmoment- und Drehwinkelwerte kontinuierlich aufgenommen, bspw. mit Hilfe von Sensoren, die entsprechende Signale an die Schraubersteuerung liefern. Die entstehende Steigung der so aufgenommenen Kennlinie wird dabei mit Hilfe einer Auswerteelektronik bestimmt und überwacht. Wie bereits weiter oben erwähnt, geht am Punkt P der Kopfauflage die Gerade s₁ in die Gerade s₂ über. Dieser Übergang zwischen einem Bereich geringer Steigung und einem Bereich höherer Steigung wird dann ermittelt, indem man die durch "Teaching" oder Rechnung ermittelte Funktion des Steigungsverlaufs anpaßt und somit den Punkt ermittelt, an dem die Kennlinie in den Tolerantbereich der angepaßten Funktion eintritt. Dieser Punkt ist gleichzeitig der Nullpunkt für das Verspannmoment.

Da die Verspannkraft als Zielgröße einer Schraubverbindung mit den heutigen Mitteln nur sehr ungenau mittels End- oder Abschaltmoment erreicht werden kann (hier gehen als Fehler das Furchmoment, die Gewindereibung sowie die Kopfreibung ein), ist es erforderlich, das Fügemoment, d. h., den Grenzbereich zwischen dem Eindrehen und dem Anziehen der Schraubenverbindung bei Kopfauflage zu bestimmen. Aus dem Steigungsmaß des Fügemoments muß nun die Verspannungskennlinie bereinigt werden, d. h., als sogenanntes "Offset" zum Abschaltmoment berücksichtigt werden.

Fig. 4B zeigt als eine Möglichkeit einen Regelkreis zur Anpassung an die jeweilige Regelstrecke. Durch die Ermittlung der Steigungsgrößen und eine entsprechend neue Definition der Zielgröße (Abschaltmoment) wird eine adaptive Regelung geschaffen, die es erlaubt, den Verschraubungsvorgang bei einem bestimmten Abschaltmoment so abzuschalten, daß ein konstantes Verspannmoment resultiert.

Anhand der Fig. 4A, B sei beispielhaft der Ablauf des Schraubvorgangs erläutert:
Der Benutzer des Schraubsystems ermittelt die erforderliche Verspannkraft (bspw. wie in H. Roloff et al., "Maschinenelemente", 7. Auflage 1976, Friedr. Vieweg und Sohn Verlagsgesellschaft mgH, Braunschweig, beschrieben) und errechnet das erforderliche Verspannmoment M_anz. Dieses Verspannmoment wird als Zielgröße in den Regelkreis eingestellt. Anschließend wird der Schraubvorgang gestartet. Das Drehmoment und der Drehwinkel werden kontinuierlich erfaßt. Nachdem eine Mindestanzahl an Meßwerten vorliegt, wird von einer Auswerteeinheit, bspw. einem Rechner, ständig eine Regressionsgerade R² (vgl. Fig. 4A) errechnet. Die Mindestanzahl von Meßwerten wird nach statistischen Methoden festgelegt. Als Gütewert wird hierfür der Parameter r² (Bestimmtheitsmaß) genutzt. Das Verspannmoment wird dann als Offset zur Regressionsgeraden nachgeführt, was bedeutet, daß die Funktion des Fügemoments verlängert wird, bis M_anz erreicht wird (vgl. Fig. 4A).

Ab der Stelle, an der die Verspannung einsetzt (Kopfauflage, P in Fig. 4), verbessert sich r² nicht mehr, d. h., es bleibt bei der "alten Geraden". Der Schraubvorgang wird daraufhin fortgesetzt bis M = M_max ist, danach erfolgt die Abschaltung des Systems.

Es ist zu erwähnen, daß das Verfahren selbstverständlich nicht auf Geraden beschränkt ist, sondern für jede beliebige Funktion angewendet werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines definierten Verspannmoments bei Schraubverbindungen mit Hilfe des während des Schraubvorgangs zur Drehung aufzuwendenden Drehmoments, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erforderliche Verspannmoment aus der spezifizierten Klemmkraft der Schraubverbindung berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassen des Abschaltmoments über einen Regelkreis erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Regelkreis bei Vorliegen einer Mindestanzahl von Meßwerten kontinuierlich eine Regressionsgerade berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestanzahl nach statistischen Methoden festgelegt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verspannmoment als Offset zu der Regressionsgeraden nachgeführt wird.