DE3128557A1

DE3128557A1 - Verfahren zum ueberwachen von schraubvorgaengen

Info

Publication number: DE3128557A1
Application number: DE19813128557
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Ing.Dr. 7312 Kirchheim Mayer
Original assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Current assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Priority date: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1983-03-03

Description

Verfahren zum überwachen von Schraubvorgängen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum überwachen von Schraubvorgängen, wobei das Anzugsdrehmoment der Verschraubung in Abhängigkeit von der Änderung des Drehwinkels gemessen, der Differenzenquotient des Drehmoments nach dem Winkel gebildet und dieser Quotient als Bestimmungsgröße für das Messen eines Drehwinkels benutzt wird.
Bei einem bekannten solchen Verfahren wird der Maximalwert des Differenzenquotienten gespeichert und das Abschaltslgnal dann gegeben, wenn der Differenzenquotient im Abknickbereich der Drehmoment-Drehwinkelkurve auf einen vorbestimmten Bruchteil des Maximalwerts abgefallen ist.
Bei diesem streckgrenzgesteuerten Anziehen einer Verschraubung wird, wie auch bei den sonstigen bekannten Verfahren zur Moment überwachung des Anzugs einer Verschraubung, davon ausgegangen, daß das Drehmoment über die Gewindesteigung proportional zum Längszug in der Schraube ist. Diese Proportionalität ist zwar in weiten Bereichen vorhanden, jedoch hängt der ifroportionalitätsfaktor sehr stark vom jeweiligen eibungskoeffizienten und vom Reibradius der Kopfauflage der Schraube ab und streut daher in der Praxis sehr stark.
Da die Gewindesteigung und die Federkonstante einer Schraubverbindung, das heizt, deren Geometrie, meist recht genau eingehalten werden können, gibt der Drehwinkel an sich ein recht genaues Maß für die Vorspannkräfte. Da jedoch der Anfangspunkt des Drehwinkels bisher über ein vorgegebenes Moment, das sogenannte Schwellmoment, bestimmt wird, ist dieser den gleichen Streuungen unterworfen wie das Drehmoment. Dies deshalb, weil das das Anliegen der Schraube definierende Schwellmoment abhängig von den jeweiligen Reibungsverhältnissen früher oder später erreicht wird, so daß sich der Beginn der Drehwinkelmessung dementsprechend ändert.
Da sich der Reibungstoeffizient während einer Verschraubung infolge Verdrängung der Schmierflüssigkeit häufig ändert, Iiegen am Ende der Verschraubung wenig definierte Verhältnisse vor. Daher sind insbesondere beim streckgrenzgesteuerten Abschalten des betreffenden Schraubvorgangs verhältnismäßig große Fehlermöglichkeiten vcrhanden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu finden, der es ermöglichst, die durch Reibung und/oder sonstige Einflüsse bedingte Verschiebung des Anfangspunttes der Drehwinkelmessung weitestgehend auszuschalten, um am Ende der Verschraubung definierte Verhältnisse zu gewährleisten.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß der im angenähert linearen Bereich der Drehmoment-Drehwinkelkurve durch den Gradienten G =jM/a definierte Kurvenanstieg zur Bestimmung oder zur Korrektur des Anfangspunkt es der Drehwinkelmessung herangezogen wird, in der Weise, daß dieser Anfangspunkt durch ein als Vielfaches des Gradienten G definiertes Schwellmoment a15 = E x G oder durch Sückwärtsextrapolation der durch den Gradienten G ermittelten Anstiegsgeraden bis zum theoretischen iVIoment liull festgelegt wird.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand eines Prinzipschaubilds und einer beispielsweisen Schaltanordnung in Form eines Blockschaltbilds erläutert.
Im Prinzipschaubild gemäß Fig.1 ist der Drehmomentverlauf beim Herstellen einer Schraubverbindung in Abhängigkeit vom Drehwinkel dargestellt M - f(#) , und zwar für einen Schraubvorgang bei kleiner Reibung M1 = f(t ) und für einen Schraubvorgang bei großer Reibung M2 = f(#).
Unter Zugrundelegung eines festen Schwellmoments MS, bei welchem die Schraube sicher anliegt und ab dem der Drehwinkel gemessen wird, ergibt sich bei kleiner Reibung, also im Fall der Kennlinie M1 = f( 56), der Schnittpunkt mit der Geraden MS im Punkt S1. Dies bedeutet einen Drehwinkel 1 bis zum Erreichen des Sollpunkts (g,M) der Schraubverbindung.
Bei festem Schwellmoment MS und großer Reibung entsprechend dem Kennlinienverlauf M2 = f(#) schneidet diese Kennlinie die Gerade MS im Punkt S2. Das bedeutet bezogen auf den Sollpunkt (,M) einen Drehwinkel # 2. Wie sich aus der Differenz (#2 - #1) ergibt, ist der auf die unterschiedliche Reibung zurückzuführende Fehlerwinkel ##2,1 = (#2 - #1) verhältnismäßig groß.
Wird nun nach der Lehre der Erfindung das Schwellmoment MS dem jeweiligen Reibungsverhältnis angepaßt, indem der durch den Gradienten G1 = #M/## im Schnittpunkt S1 definierte Kurvenanstieg durch ein als Vielfaches dieses Gradienten definiertes Schwellmoment MS1 = K . G1 festgelegt wird, so erhält man den Schnittpunkt S1'.
Entsprechend wird das Schwellmoment MS2 = K . G2 festgelegt, wodurch sich der Schnittpunkt S2' ergibt.
Bezogen auf den Sollpunkt der Schraubverbindung (,M) ist der Drehwinkel im Falle kleiner Reibung111 bei großer Reibung hingegen22. Die Winkeldifferenz d 21' (= # 22 - # 11) ist somit nur noch sehr gering.
Wie sich hieraus ergibt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine genaue und praktisch fehlerfreie Bestimmung des jeweils gewünschten Abschaltpunktes. Der Anfangspunkt der Drehwinkelmessung kann alternativ auch durch Rückwärtsextrapolation der durch den jeweiligen Gradienten G ermittelten Anstiegsgeraden bis zum theoretischen, dem Winkel entsprechenden Moment Null festgelegt werden.
Gemäß der beispielsweisen, als Blockschaltbild dargestellten Schaltanordnung nach Fig.2 wird die Drehung der Schraube mittels eines Impulsaufnehmers 1 in Form von Winkelimpulsen t 2 gemessen. Gleichzeitig wird das Drehmoment über einen Drehmomentaufnehmer 4 mit Verstärker 17 erfaßt. Von Winkelimpuls zu Winkelimpuls wird der Anstieg des Moments G = 4 M/zf über einen Analogschalter 7 in einen Speicherkondensator 8 übernommen. Anschließend wird der Zwischenspeicherkondensator 5 über einen weiteren Analogschalter 6 wieder genullt.
Am Ausgang des Verstärkers 9 steht der K-fache Wert der Steigung dauernd zur Verfügung und wird vom Analogkomparator 18 mit dem Wert des Drehmoments verglichen. übersteigt das Moment den Schwellwert MS1 bzw. MS2 = K xZ M/Jr, so wird über das Gatter 11 die Winkelzählung im Zähler 12 freigegeben.
Im einfachsten Fall zeigt der Zähler 12 den Drehwinkel der Schraube an, den sie seit Erreichen des Schwellmoments zurückgelegt hat und löst über einen Digitalkomparator 13 den Abschaltbefehl aus, sobald ein vorgegebener Sollwert im Sollwertvorgeber 14 überschritten wird.
Wird der Zähler 12 durch die Startvorgabe 16 vor Beginn der Verschraubung auf die Zahl K gesetzt, die dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 9 entspricht und zählt der Zähler 12 von dieser Vorgabe an die Impulse weiter, so entspricht der Zählerstand genau dem Drehwinkel der Schraube vom theoretischen Anliegepunkt (Nullpunkt) an gerechnet. Für die Sollwertvorgabe kann nun der theoretisch berechnete Wert zugrundegelegt werden.
Um Fehlfunktionen bis zum Anliegen der Schraube zu vermeiden, sperrt ein zusätzlicher Analogkomparator 10 den Zählvorgnng bis ein im Sollwertgeber 19 empirisch festgelegtes Mindestdrehmoment Mmin überschritten ist.
Der im vorstehenden beschriebene Funktions ab lauf kann ohne weiteres durch andere überwachungs- oder Abschaltkriterien ergänzt werden, wie sie entsprechend dem Stand der Technik angewandt werden. Zur Erzielung einer noch größeren Sicherheit in der Beurteilung der Qualität einer Verschraubung können beispielsweise Drehmoment und Winkel über-vorgegebene Grenzen in ihrem Minimal- und Maximalwert überwacht werden,.wenn die Abschaltung über ein Grenzmoment oder auch über eine Streckgrenzsteuerung erfolgt.
Die Ermittlung des Gradienten eN/ay geschieht dadurch, daß zu Beginn des Impulses t1 ein kurzer Nullungsimpuls durch das Zeitglied 2 gebildet wird, der den Zwischenspeicherkondensator 5 über den Analogschalter 6 entlädt. Am Ende der Impulsdauer t1+t2 wird durch das Zeitglied 3 ein kurzer übernahmeimpuls. gebildet, der über den Analogschalter 7 den inzwischen erfolgten Anstieg des Drehmoments vom Zwischenspeicherkondensator 5 auf den Speicherkondensator 8 überträgt.

Claims

Patentansprüche C erfahren zum überwachen von Schraubvorgängen, wobei das Anzugsdrehmoment der Verschraubung in Abhängigkeit von der Änderung des Drehwinkels gemessen, der Differenzenquotient des Drehmoments nach dem Winkel gebildet und dieser Quotient als Bestimmungsgröße für das Messen eines Drehwinkels benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der im angenähert linearen Bereich der Drehmoment-Drehwinkelkurve durch den Gradienten G = ßM/ f definierte Kurvenanstieg zur Bestimmung oder zur Korrektur des Anfangspunktes der Drehwinkel- -messung herangezogen wird, in der Weise, daß dieser Anfangspunkt durch ein als Vielfaches des Gradienten G definiertes Schwellmoment N5 = K x G oder durch Rückwärtsextrapolation der durch den Gradienten G ermittelten Änstiegsgeraden bis zum theoretischen Moment Null festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Schraube mittels eines Impulsaufnehmers in worm von Winkelimpulsen gemessen und gleichzeitig über einen Drehmomentaufnehmer das Drehmoment erfaßt wird, der winkelimpulsabhängige Anstieg des Drehmoments G = #M/## von Winkelimpuls zu Winkelimpuls über einen Analogschalter in einen am Eingang eines Verstärkers liegenden Speicherkondensator eingegeben und der am Ausgang des Verstärkers dauernd zur Verfügung stehende K-fache Wert der Steigung von einem Analogkomparator mit dem Wert des Drehmoments verglichen wird, und daß bei einem den betreffenden Wert des Schwellmoments N5 (1,2) = K x 4 M/AY übersteigenden Drehmoment die Winkelzählung in einem Zähler freigegeben wird, der über einen Digitalkomparator den Abschaltbefehl auslöst, sobald ein vorgegebener Sollwert erreicht bzw. überschritten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch.gekennzeichnet, daß der Zähler durch eine Startvorgabe- vor Beginn der Verschraubung auf die dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers entsprechende Zahl K gesetzt wird, der Zähler von dieser Vorgabe an die Impulse weiterzählt und beim Erreichen bzw. Uberschreiten eines vorgegebenen Sollwerts den Abschaltbefehl auslöst.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Rechenoperationen ein Mikroprozessor verwendet wird.