DE19934068A1

DE19934068A1 - Arrangement for contactless monitoring of bolt tightening has sensor with electromagnetic radiation transmitter and receiver for measuring mechanical vibrations, e.g. laser vibrometer

Info

Publication number: DE19934068A1
Application number: DE1999134068
Authority: DE
Inventors: Siegfried Hillenbrand
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2001-01-25

Abstract

The arrangement has a sensor (4) with a transmitter and a receiver for electromagnetic radiation for measuring mechanical vibrations. The sensor is a laser vibrometer or a radar sensor and the transmission signal frequency or intensity is defined. A Doppler radar sensor can be used. An Independent claim is also included for a method of contactless monitoring of a thread.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Qualitätskontrolle einer Verschraubung.The invention relates to a device for contactless Quality control of a screw connection.

Zur Qualitätskontrolle einer Verschraubung sind bislang Ultraschallverfahren bekannt geworden, bei denen ein Schwingungsgenerator, beispielsweise, ein Piezo-Kristall, als Schwingungsgenerator und somit als Sender eines Ultraschallsignals verwendet wird, das über einen Ultraschallempfänger aufgenommen und ausgewertet werden kann. Häufig wird derselbe Kristall zum impulsförmigen Erzeugen des Ultraschallsignals und zur Aufnahme des Antwortsignals verwendet. Ein derartiger Ultraschallsensor muß fest mit der Verschraubung oder dem zu verschraubenden Teil verbunden werden. Die Güte der Kontrolle hängt dementsprechend auch von der Art der Kontaktierung des Sensors ab. Zudem ist die Überwachung naturgemäß lokal auf die nähere Umgebung des Sensors oder, bei separatem Empfänger, auf den Raum zwischen Sender und Empfänger beschränkt.To date, quality control of a screw connection has been Ultrasound procedures have become known in which a Vibration generator, for example, a piezo crystal, as Vibration generator and thus as a transmitter one Ultrasonic signal is used that over a Ultrasound receiver can be recorded and evaluated. Often the same crystal is used to generate the pulse Ultrasound signal and for recording the response signal used. Such an ultrasonic sensor must be firmly attached to the Screw connection or the part to be screwed connected become. Accordingly, the quality of control depends on the type of contacting of the sensor. In addition, the Monitoring naturally local to the immediate vicinity of the Sensor or, with a separate receiver, on the space between Sender and receiver limited.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine berührungslose Vorrichtung zur Qualitätskontrolle für eine Verschraubung vorzuschlagen, die dementsprechend zuverlässiger und flexibler einsetzbar ist.In contrast, it is an object of the invention to Non-contact quality control device for a Propose fitting accordingly is more reliable and flexible to use.

Erfindungsgemäß wird daher ein Sensor zum Senden und Empfängen von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen. Elektromagnetische Strahlung hat den Vorteil, daß sie unempfindlich gegenüber Schmutz, Öldämpfen oder dergleichen ist und unter Nutzung von Sekundäreffekten, wie Vibration oder dergleichen, berührungslos eine Aussage über die Qualität einer Verschraubung zu treffen ist.According to the invention, a sensor for transmitting and Receiving electromagnetic radiation is provided. Electromagnetic radiation has the advantage that it insensitive to dirt, oil vapors or the like and using secondary effects such as vibration or the like, a contactless statement about the The quality of a screw connection must be met.

In Frage kommt für eine erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise die Verwendung eines Laservibrometers. Hierbei wird der Umstand genutzt, daß insbesondere beim Anziehen einer Verschraubung durch den Einsatz des Werkzeugs naturgemäß Vibrationen im entsprechenden Werkstück erzeugt werden, die ein entsprechendes Schwingungsbild abhängig von Art und Güte der Verschraubung ausprägen. Durch Erfassung dieses Schwingungsbildes ist es dementsprechend möglich, die Güte einer Verschraubung zu kontrollieren.For a device according to the invention for example the use of a laser vibrometer. Here the fact is used that especially when putting on a screw connection by using the tool naturally creates vibrations in the corresponding workpiece that have a corresponding vibration pattern depending on Express the type and quality of the screw connection. By capturing of this vibration pattern, it is accordingly possible to Check the quality of a screw connection.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Radarsensor verwendet, der im Mikrowellenbereich arbeitet, der gut geeignet ist, Vibrationen in einer Verschraubung zu erfassen.In an advantageous embodiment of the invention, a Uses a radar sensor that works in the microwave range, which is well suited to vibrations in a screw connection to capture.

Ein solcher Radarsensor wird bevorzugt als Doppler-Radar ausgebildet. Die Auswertung der Dopplerfrequenz, d. h. der Frequenzverschiebung zwischen der emittierten Strahlung und der reflektierten Strahlung, ist besonders gut geeignet, um Vibrationen der Reflexionsfläche aufzunehmen. Bei einer periodischen Schwingung der Reflexionsfläche für die Radarstrahlung bildet sich dementsprechend in der Dopplerfrequenz ebenfalls eine Schwingung aus, deren Frequenz der Schwingungsfrequenz der Reflexionsfläche entspricht.Such a radar sensor is preferred as a Doppler radar educated. The evaluation of the Doppler frequency, i. H. the Frequency shift between the emitted radiation and the reflected radiation, is particularly well suited to Absorb vibrations of the reflection surface. At a periodic vibration of the reflection surface for the Accordingly, radar radiation forms in the Doppler frequency also an oscillation whose frequency corresponds to the oscillation frequency of the reflection surface.

Dieser Zusammenhang beruht darauf, daß die Dopplerfrequenz- Verschiebung dadurch hervorgerufen wird, daß sich die Reflexionsfläche relativ zum Sensor und somit zur einfallenden Strahlung bewegt. Bei einer Bewegung zum Sensor hin wird entsprechend dem Doppler-Effekt die reflektierte Strahlung in der Frequenz erhöht, bei einer Bewegung vom Sensor weg wird die Frequenz erniedrigt. Dementsprechend kommt es bei einer periodischen Schwingung der Reflexionsfläche zu dem oben angeführten Schwingungsbild in der Dopplerfrequenz.This relationship is based on the fact that the Doppler frequency Shift is caused by the fact that the Reflection area relative to the sensor and thus to incident radiation moves. When moving to the sensor towards the Doppler effect is the reflected Radiation increases in frequency when moving from The sensor is lowered the frequency. Accordingly there is a periodic oscillation of the Reflecting surface to the vibration picture in the Doppler frequency.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, das Sendesignal hinsichtlich der Frequenz und/oder der Intensität definiert abzustrahlen. Dies ist die Grundlage für eine anschließende Frequenzanalyse des Empfangssignals, wobei je nach Anwendungszweck eine schmalbandige Abstrahlfrequenz oder auch ein Spektrum mit verschiedenen Abstrahlfrequenzen sinnvoll einzusetzen ist. Je nach Art der zu kontrollierenden Verschraubung kann das verwendete Frequenzspektrum bzw. die verwendete Frequenz, beispielsweise experimentell, optimiert werden.Basically, it is advantageous to use the transmission signal defined in terms of frequency and / or intensity to emit. This is the basis for a subsequent one Frequency analysis of the received signal, depending on Application purpose a narrow-band radiation frequency or also a spectrum with different radiation frequencies makes sense is to be used. Depending on the type of controlled Screw connection can the frequency spectrum used or frequency used, for example experimentally optimized become.

Im Falle der o. a. Auswertung der Dopplerfrequenz, die ein unmittelbares Abbild der mechanischen Schwingung liefert, kann beispielsweise auch gezielt das Auftreten oder Verschwinden von Resonanzfrequenzen im mechanischen Schwingungsverhalten des zu kontrollierenden Werkstücks beziehungsweise der zu kontrollierenden Verschraubung als Informationsquelle genutzt werden.In the case of the above Evaluation of the Doppler frequency, the one provides an immediate image of the mechanical vibration, can, for example, also target the occurrence or Disappearance of resonance frequencies in mechanical Vibration behavior of the workpiece to be checked or the screw connection to be checked as Information source can be used.

Vorteilhafterweise werden erfindungsgemäß Vibrationen zur Überwachung der Verschraubung genutzt, die ohnehin am Werkstück erzeugt werden. Derartige Vibrationen werden beispielsweise beim Eindrehen einer Schraube zwischen der Schraube und dem Außengewinde erzeugt oder aber auch über ein entsprechend vibrierendes Werkzeug in die Verschraubung eingeleitet. Werkzeugvibrationen können beispielsweise durch den Antriebsmotor eines Werkzeugs erzeugt werden.According to the invention, vibrations are advantageously used Monitoring the screw connection used, which anyway on Workpiece are generated. Such vibrations will be for example when screwing in a screw between the Screw and the external thread generated or via one accordingly vibrating tool in the screw initiated. Tool vibrations can be caused, for example, by the drive motor of a tool are generated.

Sofern in bestimmten Anwendungsfällen keine derartigen Vibrationen vorliegen, so kann auch ein Schwingungsgenerator, beispielsweise in Form eines Piezo-Kristalls oder aber auch eines hochdrehenden Motors mit einer Unwucht usw., verwendet werden. Die Verwendung eines solchen externen Schwingungsgenerators ist vor allem dann sinnvoll, wenn eine Dauerüberwachung vibrationsarmer Teile vorgenommen werden soll.Unless in certain applications Vibrations are present, a vibration generator, for example in the form of a piezo crystal or else of a high-speed motor with an unbalance, etc., used become. The use of such an external Vibration generator is particularly useful if one Continuous monitoring of low-vibration parts can be carried out should.

Die berührungslose Erfassung des Schwingungsverhaltens ist in jedem Fall von Vorteil, da durch den Sensor das Schwingungsverhalten während der Messung nicht beeinflußt wird. Insbesondere ist das Meßergebnis nicht von einer mechanischen Kontaktierung des Sensors mit dem Werkstück bzw. der entsprechenden Schraube abhängig.The non-contact detection of the vibration behavior is in in any case an advantage, because the sensor Vibration behavior not affected during the measurement becomes. In particular, the measurement result is not of one mechanical contacting of the sensor with the workpiece or depends on the corresponding screw.

Insbesondere zur Kontrolle schwer zugänglicher Schraubpositionen empfiehlt sich die Verwendung von angepaßten Hohlleiter-Antennen als Wellenleiter, so daß der Sensor von der Kontrollposition beabstandet angebracht werden kann.Particularly difficult to access for control purposes Screw positions is recommended to use adapted waveguide antennas as waveguides, so that the Sensor must be attached at a distance from the control position can.

In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, nicht das zu verschraubende Teil, sondern das Schraubwerkzeug zu überwachen. In diesem Fall kann der Sensor auch unmittelbar in das Schraubwerkzeug integriert werden. Hierdurch ist eine Qualitätskontrolle unabhängig vom Arbeitsort möglich, was insbesondere bei flexibel einsetzbaren Schraubautomaten in der automatisierten Fertigung von Vorteil ist.In some cases, it may make sense not to do that screwing part, but the screwing tool too monitor. In this case the sensor can also be used immediately can be integrated into the screwing tool. This is one Quality control possible regardless of where it works especially with flexible screwing machines in automated manufacturing is an advantage.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet, bei der Überprüfung von automatischen Verschraubungen von Muttern, Schrauben, selbstschneidenden Schrauben und Muttern, auch bei Baugruppen mit mehreren Verschraubungen, wie z. B. Vakuumpumpen, mit einem Sensor, der auf das zu verschraubende Teil gerichtet ist, gleichzeitig die Qualität von mehreren Schrauben zu erfassen.Overall, the device according to the invention or Method according to the invention suitable for checking of automatic screwing of nuts, screws, self-tapping screws and nuts, also for assemblies with several screw connections, such as. B. vacuum pumps with a sensor that is directed towards the part to be screwed is the quality of several screws at the same time to capture.

Sofern einzelne Schrauben zu überwachen sind, können entweder separate Sensoren eingesetzt werden oder aber ein Sensor zeitlich aufeinanderfolgend für die Kontrolle der verschiedenen Schrauben eingesetzt werden. Insbesondere ist auch hier die Verwendung verschiedener Hohlleiter-Antennen für unterschiedliche Schrauben denkbar, die anschließend zeitlich versetzt an den eigentlichen Sensor angekoppelt werden.If individual screws are to be monitored, either separate sensors are used or a sensor sequentially for the control of the different screws can be used. In particular is here, too, the use of various waveguide antennas conceivable for different screws that subsequently coupled to the actual sensor at different times become.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing is shown and is explained in more detail below with reference to the figure explained.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.The only figure shows a schematic Side view of a device according to the invention.

An einem Werkstück (1) soll eine Deckplatte (2) mit Hilfe einer Schraube (3) befestigt werden. Ein Radarsensor (4) ist hierbei in zweimöglichen Positionen (4, 4') zur Überwachung der Verschraubung skizziert.A cover plate ( 2 ) is to be attached to a workpiece ( 1 ) using a screw ( 3 ). A radar sensor ( 4 ) is sketched in two possible positions ( 4 , 4 ') for monitoring the screw connection.

In einer Position blickt der Radarsensor (4) auf ein Schraubwerkzeug (5), das in einen Schraubenkopf (6) eingefügt ist. In der anderen Position ist der Radarsensor (4') so angeordnet, daß er auf das Werkstück (1) während der Verschraubung hingerichtet ist.In one position, the radar sensor ( 4 ) looks at a screwing tool ( 5 ) that is inserted into a screw head ( 6 ). In the other position, the radar sensor ( 4 ') is arranged so that it is directed towards the workpiece ( 1 ) during the screwing.

Als weitere Ausführungsvariante ist ein Hohlwellenleiter (7) dargestellt, der alternativ zu dem Radarsensor (4), beispielsweise an schwer zugänglichen Schrauben, eingesetzt werden kann. Der Hohlwellenleiter (7) führt die von einem nicht näher dargestellten Sensor an seinem freien Ende abgestrahlte Radarstrahlung in Richtung zum Schraubenkopf (6) und leitet zugleich die reflektierte Strahlung zurück zu dem entsprechenden Sensor.As a further embodiment variant, a hollow waveguide ( 7 ) is shown, which can be used as an alternative to the radar sensor ( 4 ), for example on screws that are difficult to access. The hollow waveguide ( 7 ) guides the radar radiation emitted by a sensor (not shown in detail) at its free end towards the screw head ( 6 ) and at the same time guides the reflected radiation back to the corresponding sensor.

Wie in der Zeichnung erkennbar, kann ein solcher Hohlwellenleiter (7) auch um ein Schraubwerkzeug (5) herum angeordnet bzw. in dieses integriert werden.As can be seen in the drawing, such a hollow waveguide ( 7 ) can also be arranged around a screwing tool ( 5 ) or integrated into it.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel benötigt keinen externen Schwingungsgenerator, sondern nutzt die durch das Verschrauben entstehenden Vibrationen, die abhängig von der Güte der Verschraubung unterschiedlich ausgeprägt sind. The described embodiment does not require an external one Vibration generator, but uses the through that Bolting vibrations that occur depending on the The quality of the screw connection is different.

Reference list

11

Werkstück
workpiece

22nd

Deckplatte
Cover plate

33rd

Schraube
screw

44th

Radarsensor
Radar sensor

55

Schraubwerkzeug
Screwdriver

66

Schraubenkopf
Screw head

77

Hohlwellenleiter
Hollow waveguide

Claims

1. Device for quality control of a screw connection, characterized in that a sensor ( 4 ) with a transmitter and a receiver for electromagnetic radiation for measuring mechanical vibrations is present.

2. Device according to claim 1, characterized in that the sensor is a laser vibrometer.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is a radar sensor ( 4 ).

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission signal with respect to the Frequency is radiated defined.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission signal with respect to the Intensity is emitted in a defined manner.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the radar sensor as a Doppler Radar sensor is formed.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 4 ) is integrated in a screwing tool.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a hollow waveguide ( 7 ) is provided.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a vibration generator is provided.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration generator a Piezo crystal includes.

11. Procedure for non-contact control of the quality of one Screw connection, characterized in that a device according to one of the preceding claims for detection mechanical vibrations is used.