DE29623664U1 - Fertigungseinrichtung zum Herstellen eines Gegenstandes - Google Patents

Description

Fertigungseinrichtung zum Herstellen eines Gegenstandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer Verschraubung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Handmontage in der Großserienfertigung z. B. an Verbrennungsmotoren oder Getrieben muß sichergestellt sein, daß die Funktionssicherheit des Aggregates mitbestimmende Verschraubungen vollständig und mit der geforderten Festigkeit ausgeführt sind, bevor der mit der oder den Verschraubungen versehene Gegenstand zur nächsten Bearbeitungsstation weitergegeben wird. Zweckmäßigerweise wird dies erreicht, indem der verwendete Schrauber mit einer Drehmomenterfassung ausgerüstet wird, die den üblichen Drehmomentverlauf einer Verschraubung erfaßt und an eine elektronische Steuerung übermittelt. Bei der Verwendung druckgasbetriebener Schrauber wird hierzu auf die Schrauberspindel eine Drehmomenterfassungszelle gesetzt und neben der Druckgasversorgung eine Elektronikversorgungsleitung zu dem Schrauber geführt, die neben der Stromversorgung für die Meßzelle auch der Datenübermittlung dient. Nachteilig ist hierbei, daß so ausgerüstete druckgasbetriebene Schrauber verhältnismäßig schwer sind, entsprechend ausbalanciert an der Bearbeitungsstation aufzuhängen sind und außerdem eine aufwendige zweite Versorungsleitung mit aufwendiger Auswerteeinrichtung benötigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Herstellen von Verschraubungen derart auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln das Einschrauben und Festziehen von Verschraubungen mittels eines druckgasbetriebenen Schraubers qualitativ und quantitativ überprüfbar ist und eventuelle n. i. O.-Verschraubungen nachbearbeitet werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

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Das Verschrauben findet vorteilhaft Anwendung an Montagelinien, insbesondere Endmontagelinien, an denen beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, Getriebe oder ähnliche Gegenstände montiert werden. Hierbei geht es insbesondere auch um solche Bearbertungsstationen, an denen eine Fehlerhäufigkeit durch lose, vergessene oder fehlerhaft montierte Verschraubungen nicht ohne weiteres auszuschließen sind, das heißt Bearbeitungsstationen, an denen die Verschraubungen von Personen beeinflußt (von Hand) durchgeführt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verschrauben zum Herstellen eines Gegenstandes wird während des Zeitabschnittes, innerhalb dessen die Verschraubung oder Verschraubungen an dem Gegenstand zur Herstellung desselben erfolgen, der Druckgasstrora, der zu dem druckgasbetriebenen Schrauber führt und diesen-anireibt, ermittelt. Der druckgasbetriebene Schrauber hat dabei einen relativ hohen Luftbedarf, wenn der Schrauber mit hoher Drehzahl arbeitet. Bei Tätigkeit der Drehmomentkupplung kommt es zu einem geringeren Luftstrom, da der Schrauber praktisch stillsteht und quasi nur noch für die Kupplungstätigkeit Luftbedarf vorliegt. Somit gestalten sich die Signale unabhängig von dem letztlich geforderten Drehmoment, da es sich insbesondere bei dem Erreichen des Drehmomentes lediglich um das prinzipielle Auswerten des Luftstromes handelt, welcher sich bei Kupplungstätigkeit ergibt. Erfindungsgemäß wird aus den Veränderungen, Absolut- und/oder Relativwerten des Druckgasstromes ermittelt, ob das Einschrauben und das Festziehen erfolgt sind. Das Ermitteln erfolgt hierbei insbesondere auch über die Zeit. Vorteilhaft werden solche Druckgasschrauber eingesetzt, die ihr vorgegebenes Anziehdrehmoment in relativ engen Toleranzen halten, so daß eine Prozeßunsicherheit durch die Druckluftwerkzeuge weitestgehend vermieden wird.

Die Erfindung macht sich ein charakteristisches Verhalten des Druckgases, insbesondere Druckluft, bei den Schraubvorgängen zu Nutze, wobei man prinzipiell drei Schraubercharakteristiken unterscheiden kann:

1. Eine "Luftschraubung", das heißt der Schrauber dreht sich entweder frei in der Luft (führt keine Verschraubung aus) oder dreht eine Verschraubung ein ohne diese festzuziehen (kein wesentliches Lastmoment an Schrauber).

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2. Das Schrauben auf einer bereits schon angezogenen Schraube, hierbei geht der Schrauber nach verhältnismäßig kurzer Zeit auf ein verhältnismäßig hohes Lastmoment über.

3. Eine korrekte Verschraubung, bei der über eine gewisse Zeit (Dauer des Einschraubens der Schraube) eine Verschraubung mit sehr geringem Lastmoment und unmittelbar anschließend (Festziehen der Schraube) ein Verschrauben mit relativ hohem Lastmoment erfolgt.

Die Unterscheidung erfolgt vorteilhaft durch zwei charakteristische Merkmale des Luftstroms bei der Verschraubung, wobei bei einem Verschraubungsvorgang mit geringem Lastmoment ein hoher Luftdurchfluß und bei Verscnraubungen mit hohem Lastmoment ein geringer Luftdurchfluß detektiert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verschrauben kann die Verschraubung insbesondere auch mit vorbestimmter Festigkeit, insbesondere vorgegebenem Drehmoment erfolgen, wobei diese an dem Druckluftschrauber in bekannter Art und Weise vorgegeben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Wahl der Grenzwerte, die die Auswerteelektronik als Luftverschraubung bzw. als Festziehen interpretiert, weitgehend unabhängig vom vorgewählten Drehmoment eine Verschraubung prozeßsicher durchgeführt werden. Nur bei sehr niedrigen Drehmomenten kann gegebenenfalls eine Feineinstellung des Schwellwertes notwendig sein. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich selbst bei Winkelverschraubungen, beispielsweise 90°-Winkelverschraubungen und auch bei Impulsschraubern einsetzen.

Vorteilhaft erfolgt die Auswertung des ermittelten Druckgasstromes durch einen Vergleich mit abgelegten Werten, wie es beispielsweise in der Figurenbeschreibung beschrieben wird. Das Verfahren eignet sich außerdem insbesondere auch für eine prozeßsichere Montage mehrerer Schrauben an einem Gegenstand, wobei beispielsweise dieser Gegenstand für eine weitere Bearbeitung erst dann freigegeben wird, wenn an diesem die vorgegebene Zahl von korrekten Verschraubungen durchgeführt wurde.

Zum Ermitteln des Druckgasstromes eignet sich insbesondere ein Differenzdruckmesser, der besonders vorteilhaft außerhalb des Schraubers, beispielsweise in der Druckluftleitung liegt. Durch die Bestimmung des Druckgasstromes außerhalb des Schraubers kommt dieser ohne einen zusätzlichen Anschluß für eine Stromzuführung bzw. Meß-

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wertübermittlung aus. Bei der Verwendung eines Differenzdruckermittlers, der bei einem Gasfluß den Differenzdruck vor und hinter einer Drosselung bestimmt, kann als Drosselung beispielsweise auch ein Abschnitt der Druckluftzuleitung oder eine Steckverbindung der Druckluftleitung dienen. Der Druckgasstrom bzw. das Ermitteln der zu erwartenden Signale kann auch durch Messungen des Massen- bzw. Volumenstroms sowie der Gasgeschwindigkeit oder durch eine Absolutdruckmessung erfolgen.

Gemäß der Erfindung ist eine Zentralsteuerung vorgesehen, die die weitere Bearbeitung der Gegenstände steuert und dabei berücksichtigt ob der Gegenstand eine i. O.- oder n. i. O.-Verschraubung erhalten hat. Bei einer n. i. O.-Verschraubung wird der Gegenstand einer Nachbearbeitungsstation zugeführt und/oder der Gegenstand aus der Reihe der Gegenstände ausschleußt bzw. es werden weitere Bearbeitungen, die bei i. O.-Verschraubungen an den Gegenständen durchgeführt werden, unterbunden.

Das erfindungsgemäße Verschrauben kommt insbesondere an Kraftfahrzeugen oder Teilen von diesen zum Einsatz.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer Verschraubung ist eine Fertigungseinrichtung und enthält einen Schrauber mit Druckgasversorgung, mittels dem ein die Verschraubung bewirkendes Schraubelement innerhalb eines Zeitabschnittes einschraubbar und festziehbar ist. Erfindungsgemäß sind hierbei Durchflußerfassungsmittel zum zumindest relativen und/oder quantitativen Erfassen eines Druckgasstromes in der Druckgasversorgung und Mittel vorgesehen, die innerhalb des Zeitabschnittes Veränderungen des erfaßten Druckgasstromes in eine Information umsetzen, die quantitativ und gegebenenfalls auch qualitativ das Einschrauben und Festziehen der Schraubelemente, beispielsweise von Schrauben oder Muttern, beinhaltet. Die Veränderungen werden vorteilhaft absolut oder relativ erfaßt, können aber auch über die Zeit (z. B. Ableitung und/oder Integration) ermittelt werden. In der Fertigungseinrichtung ist eine Zentralsteuerung vorgesehen, die die Schraubinformation hinsichtlich der Zuordnung des Gegenstandes, der eine Verschraubung erhalten hat, zu weiteren Bearbeitungsstationen auswertet. Im Übrigen bedient sich die Vorrichtung vorteilhaft der Mittel die auch schon beim Verfahren beschrieben sind.

Die Erfindungii|wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher beschrieben.

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Es zeigen:

Figur 1 ein prinzipielles Oszilloskopbild einer Luftverschraubung;

Figur 2 eine korrekte Verschraubung;

Figur 3 das nochmalige Anziehen einer angezogenen Schraube; und

Figur 4 ein Blockschaltbild einer Handschrauberkontrolle über Druckluftauswertung.

Der in Figur 1 dargestellte Schrauber 1 ist mit einer Druckluftleitung 32 verbunden, in der ein Druckdifferenzsensor 2 sitzt. Dieser ist wiederum über eine elektronische Verbindungsleitung 33 mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden, die im Falle der dargestellten Luftschraubung, das heißt einer Schraubung des Schraubers 1 ohne nennenswertes Lastmoment, ein prinzipielles Oszilloskopbild 29 empfängt. Dieses enthält einen Peak der Fläche A1, der bei einer Zeit t-| (Einschalten des Schraubers 1) beginnt und bei einer Zeit t_2 (Ausschalten des Schraubers 1) endet. Die Peakhöhe wächst sehr schnell von Vq (kein oder Grundvolumenstrom in der Druckluftleitung 32) auf Vi (Leerlaufvolumenstrom) und fällt beim Ausschalten des Schraubers 1 nahezu ebenso schnell wieder ab.

In Figur 2 dreht der Schrauber 1 eine Schraube in einem Werkstück 3 korrekt ein, das heißt es erfolgt ein Einschrauben und Festziehen. Die Meßwertaufnahme erfolgt analog Figur 1, wobei ein prinzipielles Oszilloskopbild 30 erhalten wird. Dessen Peak setzt sich zusammen aus einem Peak A1 und einem Peak A2, wobei der Peak A1 in seinem Volumenstrom V2 in etwa dem Volumenstrom V-j entspricht und die Zeit t.3 wie auch t-| für das Einschalten des Schraubers 1 steht. Die abfallende Flanke des Peaks A1 an t4 ist hier jedoch nicht ein Ausschalten des Schraubers 1 sondern der Übergang von Einziehen der Schraube 3 zu Festziehen der Schraube 3. Während des Festziehvorganges reduziert sich der Volumenstrom auf V3 und bleibt in etwa auf diesem Wert bis zum Abschalten des Schraubers 1 an t^. Das prinzipielle Oszilloskopbild 30 enthält somit in seinem Peak einen breiten und hohen Peak A1, der dem Einschraubvorgang entspricht, und unmittelbar anschließend einen breiten, aber viel niedrigeren Peak A2, der dem Festziehen der Verschraubung 3 entspricht. i«

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Beim Festziehen einer angezogenen Schraube 4, wie es in Figur 3 dargestellt ist, wird wie in Figur 1 und 2 ein prinzipielles Oszilloskopbild 31 erhalten, das bei der Zeit tß beginnt, die wiederum für das Einschalten des Schraubers 1 steht. Da hier der Schrauber 1 auf die festsitzende Verschraubung 4 wirkt, fehlt der Einschraubvorgang, das heißt nach einem kurzen hohen Volumenstrom V4, der in etwa dem Beginn des Volumenstroms V'2 aus Figur 2 entspricht, fällt bei Xj der Peak (A1) nach kurzer Zeit ab auf einen Volumenstrom V5, der wie der Volumenstrom V3 für den geringen Luftdurchsatz im Schrauber 1 bei hohem Lastmoment steht. Dieser Volumenstrom V5 bleibt bestehen bis zum Ausschalten des Schraubers bei tß.

Anhand der drei prinzipiellen Oszilloskopbilder 29 bis 31 erkennt man, daß aufgrund der unterschiedlichen Volumenströme über die Zeit die drei dargestellten Verschraubungen leicht voneinander unterscheidbar sind. Ein Ausführungsbeispiel zum Ermitteln der unterschiedlichen Verschraubungen ist in Figur 4 dargestellt.

Das von dem Druckdifferenzsensor 2 aufgenommene Signal wird über einen Tiefpaßfilter 5 (340 Hz) zu einem Verstärker 6 geführt. Von dort gelangt das Signal zu einem Komparator 7, der bei einer bestimmten Peakhöhe der ansteigenden Flanke A1 einen Nuller 8 ausschaltet, der bis dahin einen Integrator 9 zurückgesetzt hält. Mit Ausschalten des Nullers 8 beginnt der Integrator 9 den Peak A1 zu integrieren. Nach Erreichen eines vorgegebenen Integralwertes schaltet ein Komparator 10 (A1-Integral) durch und gibt einen in einem Speicher 11 abgelegten Wert. Sobald der Peak A1 eine bestimmte Höhe unterschreitet, schaltet ein Komparator 13 ein Nachlauf relais 14 an, das über einen Inverter 15 einen Nuller 16 stillsetzt, der bis dahin einen Integrator 18 zurückgesetzt hält. Der Integrator 18 integriert nun das von dem Verstärker 6 über eine Bandsperre 17 geführte Signal und gibt das Integral an einen A2-Komparator 19 weiter, der ab einem bestimmten Wert für A2 ein Signal an einen Speicher 20 weitergibt. Sobald die beiden Speicher 11 und 20 high-Level haben, wird über funktionsanzeigende Leuchtmittel 12 und 21 ein AND-Gatter 25 durchgeschaltet.

Zur Vermeidung einer Täuschung der Auswerteeinrichtung durch kurzes Ein/Ausschalten des Schraubers während das Nachlaufrelais 14 läuft (dies würde dem Integrator 18 einen A2-Peak vortäuschen, da ein kurzer aber intensiver A1-Peak entsteht) ist von dem Komparator 7 und dem Nachlauf relais 14 je ein Ausgang zu einem AND-Gatter 22 geführt, das bei dem Vorliegen eines hohen Peak-Levels der Nachlaufzeit durchschaltet und einen Wert in einen Speicher 23 ablegt, der wiederum ein rotes Leuchtmittel 24

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ansteuert und ein NAND-Gatter 26 durchschaltet, das ein AND-Gatter 27 sperrt. Bei korrekter Verschraubung ist der Ausgang des NAND-Gatters 26 auf high, so daß beim Durchschalten des AND-Gatters 25 auch das AND-Gatter 27 durchschaltet und ein Leuchtmittel 28 für korrekte Verschraubung ansteuert.

Wie das Beispiel zeigt, kann mit der vorliegenden Erfindung zwischen einem lastfreien Lauf, einer korrekten Verschraubung und der Betätigung auf einer angezogenen Schraube unterschieden werden, indem der Durchfluß der Druckgasversorgung des Schraubers ausgewertet wird. Die Erfindung ermöglicht ein sehr kostengünstiges System unter Weiternutzung schon vorhandener druckgasbetriebener Schrauber, ohne daß eine Beeinträchtigung des Schraubers hinsichtlich seiner Handhabung erfolgt, da lediglich Signale, die irgendwo im Bereich der Druckluftzuführung zu dem Schrauber abgenommen werden können, verarbeitet werden.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Integration der Signale A1 und A2 ist auch eine Differentiation der abfallenden Flanken der Signale A1 und A2 sinnvoll, da sich auch hieraus das Vorhandensein einer korrekten Verschraubung ableiten läßt.

Hierdurch lassen sich weiterhin folgende Fehlermöglichkeiten ausschließen:

- Der Mitarbeiter heftet die festzuziehenden Schrauben zunächst, wobei eigentlich nur die Signale A1 registriert werden dürfen. Die Ventile der Handschrauber schließen jedoch nicht schlagartig und verhalten sich eher kontinuierlich zwischen den Zuständen vollkommen geöffnet und vollkommen geschlossen. Hierdurch kann es dazu kommen, daß der Mitarbeiter durch leichte Handanlage am Betätigungshebel einen Kriechstrom auslöst, welcher, wenn er dem Signal A1 folgt, das Vorhandensein des Signals A2 simulieren könnte.

- Der Mitarbeiter drückt den Betätigungshebel komplett durch und läßt danach langsam los. Somit kann es dazu kommen, daß das Nachlaufrelais gestartet wird und der immer kleiner werdende Luftstrom das Signal A2 simuliert.

- Dem bekannten Problem des schnellen, wiederholten Ein- und Ausschaltens des Schraubers kann auf diesem Wege wirkungsvoll begegnet werden. 2"

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Vorteilhaft ist auch eine Variante der Elektronik, die so aufgebaut ist, daß die Einheiten, die jeweils das A1- und A2-Signal detektieren, nicht mehr voneinander abhängig sind. Es werden also beide Einheiten permanent das Eingangssignal verarbeiten und nicht wie bisher nacheinander (der A2-Teil arbeitet nur dann, wenn der A1-Teil ein korrektes Signal A1 bereits erkannt hat). Durch einen solchen prinzipiell anderen Aufbau der Elektronik wird eine differenziertere Auswertung des Eingangssignals ermöglicht. Weiterhin ist auf diesem Wege dem Problem des schnellen, wiederholten Ein- und Ausschaltens des Schraubers einfacher zu begegnen.

Bisher stellt das Vorarbeiten das Problem dar, daß dem Mitarbeiter die Verantwortung übertragen wird, welche Gegenstände schon bearbeitet worden sind. Das Gerät kann in der Form ausgeführt sein, daß ein Vorarbeiten seitens des Mitarbeiters entfällt oder verhindert wird. Das Gerät fordert somit die Freigabe des Gegenstandes oder gibt selber den Gegenstand frei, nachdem die Arbeiten an der entsprechenden Schraubstation durchgeführt worden sind. Ggf. führt die Zentralsteuerung den bearbeiteten Gegenstand einer Nachbearbeitungsstation zu.

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K 5932-hvb-gl -9- SCHUTZANSPRÜCHE

1. Fertigungseinrichtung zum Herstellen eines Gegenstandes mit mindestens einer Verschraubung, mit einer Zuführvorrichtung für eine Reihe der Gegenstände und einer Abfuhrvorrichtung für mit einer oder mehreren der Verschraubungen versehenen Gegenstände, einem druckgasbetriebenen Schrauber, der vorgesehen ist ein Schraubelement innerhalb eines Zeitabschnittes zum Herstellen der Verschraubung einzuschrauben und festzuziehen, einer Einrichtung zum Erfassen von Schraubdaten des Schraubers, aus denen eine i. O.- oder n. i. O.-Verschraubung bestimmbar ist, einer Zentralsteuerung, die die Schraubdaten hinsichtlich einer erfolgten Verschraubung und hinsichtlich des jeweiligen Gegenstandes, der mit der Verschraubung versehen ist, erhält, und die aufgrund der Schraubdaten bestimmt, welcher weiteren Bearbeitungsstation der betreffende Gegenstand für einen weiteren Bearbeitungsvorgang zuzuführen ist, wobei die Zentralsteuerung den späteren Bearbeitungsvorgang entsprechend einer i. O.- oder n. i. O.-Verschraubung zuordnet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Schraubdaten einen Druckgasstrom zu dem Schrauber erfaßt und hinsichtlich unterschiedlicher Druckgasstromwerte unterscheidet, und daß aus diesen unterschiedlichen Druckgasstromwerten die Zentralsteuerung eine Information erhält, ob das Einschrauben und das Festziehen des Schraubelementes entsprechend einer i. O.-Verschraubung erfolgt sind, oder ob das Einschrauben und/oder das Festziehen des Schraubelementes entsprechend einer n. i. O.-Verschraubung nicht erfolgt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralsteuerung einen Gegenstand mit einer n. i. O.-Verschraubung einer Nachbearbeitungsstation zuführt, wobei die Nachbearbeitungsstation eine unmittelbar anschließende Station oder eine Station nach einer oder mehreren anderen Bearbeitungsstationen ist.