DE3511400A1

DE3511400A1 - Verfahren zum ueberwachen des eindrehvorgangs einer schraube

Info

Publication number: DE3511400A1
Application number: DE19853511400
Authority: DE
Inventors: Milivoj Dipl.-Ing. 7068 Urbach Majic
Original assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Current assignee: Dr Staiger Mohilo and Co GmbH
Priority date: 1985-03-29
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1986-10-02

Description

Anmelderin: — - ·-' q.'-¹ "-^: ~ ~'...^; -«,^: 3511400 Firma Dr. Staiger, Mohilo + Co GmbH, 7060 Schorndorf

Verfahren zum Überwachen des Eindrehvorgangs einer Schraube

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen des Eindrehvorgangs einer Schraube beim motorischen Anziehen von Schrauben in mechanischen Fertigungsanlagen, wobei das Schraubwerkzeug mit einem Meßwertgeber für das Anziehdrehmoment und mit einem Meßwertgeber für den Eindrehweg der Schraube ausgerüstet ist, denen eine Auswerteelektronik für das gesteuerte Anziehen der Schraube zugeordnet ist, die bei Erreichen der für die betreffende Schraube charakteristischen Anziehwerte bzw. Anziehbereiche wenigstens einen Schaltvorgang auslöst und das Schraubwerkzeug stillsetzt.

Bei den bekannten Verfahren dieser Art wird der eigentliche Überwachungsvorgang des Schraubfalles hinsichtlich Drehmoment und Eindrehweg (Drehwinkel) erst ausgelöst bzw. gestartet, wenn die Schraube zur Anlage an das Werkstück kommt, in welches sie eingedreht wird. Das in dieser Phase der Verschraubung auftretende Drehmoment wird als Anlegemoment bezeichnet.

Es hat sich gezeigt, daß auf dem Weg der Schraube oder gegebenenfalls auch der Mutter vom Zeitpunkt deren Erfassens durch das Schraubwerkzeug bis zum Zeitpunkt des Anliegens dieser Teile am Werkstück infolge einer Schieflage der Schraube oder Mutter, durch Gewindeschäden, Späne im Sackloch oder dergleichen mechanische Einflüsse trotz der im Endzustand der Verschraubung erreichten Sollwerte fehlerhafte Schraubverbindungen Zustandekommen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf derartige Einflüsse zurückzuführende mangelhafte Schraubverbindungen zu vermeiden bzw. solche Einflüsse so frühzeitig erkennbar zu machen, daß der Schraubvorgang gegebenenfalls schon vor Erreichen der Endanzugsphase abgebrochen wird.

Zus Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Eindrehvorgang nach Anziehdrehmoment und Eindrehweg der Schraube M, = f(s) bereits auch in der Verschraubungsphase vor dem Erreichen des Anlegemoments M_ und des Anlegeeindrehwegs sy mittels der Meßwertgeber erfaßt und die in dieser Phase erhaltenen Signale in einem Mikroprozessor ausgewertet werden.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen: Fig.1 eine Schraubeinrichtung in schematischer

Darstellung,

Fig.2 den prinzipiellen Verlauf des Anziehdrehmoments Μ, über dem Eindrehweg s it) (Drehwinkel) in der Verschraubungsphase vor Erreichen des Anlegedrehmoments beim Auftreten einer negativen Einflußgröße,

Fig.3 eine Auswerteeinheit in Blockdarstellung.

In Fig. 1 sind mit 1 der Antriebsmotor einer Schraub einrichtung, mit 2 das Schraubwerkzeug, mit 3 der Meßwertgeber für die Drehmomentmessung und mit 4- ein Meßwertgeber für den Eindrehweg der Schraube 5 bezeichnet, der in die Schraubeinrichtung integriert ist und dessen Ausgangssignal s (t) dem aktuellen Vorschub des Vielzahnrads 6 der Schraubeinrichtung entspricht. Der Eindrehweg s(t) ist im Anlegezeitpunkt der Schraube 5 mit sy?definiert. Die Schraube 5 befindet sich in der Erfaßlage durch den Schlüssel 7 (Nuß) des Schraubwerkzeugs. Vom Beginn des Eindrehvorgangs an bis zum Erreichen des Anlegezeitpunkts der Schraube am Werkstück 8 legt diese den weg s<* zurück. Tritt auf diesem Weg bzw. während dieser Phase des Schraubvorgangs ein drehmomenterhöhender Effekt auf, z.B. ein

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Anfressen der Schraube aufgrund eines schadhaften Gewindes, und übersteigt das dadurch entstehende Drehmoment M^ einen voreinstellbaren, in Fig. 2 mit M bezeichneten Grenzwert, so wird der Antriebsmotor 1 der Schraubeinrichtung entweder unverzüglich stillgesetzt und/oder der Drehmomentverlauf über die Zeit bis zum Endanzug oder bis zu irgend einem Zeitpunkt zwischen diesem und dem Anlegepunkt der Schraube gespeichert und durch Zwischenvergleiche und /oder Endvergleich mit gespeicherten Bezugswerten eine Qualifizierung des Schraubfalls vorgenommen. Um unbedeutende Drehmomentspitζen auszufiltern, wird das gemessene Drehmoment 1/L zweckmäßigerweise einer gleitenden Mittelwertbildung unterworfen. Die Auswertung der Signale bzw. eine Qualifikation des Schraubfalls erfolgt mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems.

Als Abschaltkriterium kann beispielsweise das erstmalige Grenzwertüberschreiten des gemessenen Drehmoments M. oder dessen mehrmalige Grenzwertüberschreitung bei gegebenenfalls zwischenzeitlichem Absinken unter den Grenzwert herangezogen werden. Als weiteres Kriterium kann auch der Betrag der Drehmomentüberhöhung bei definierten Abtastzeitpunkten dienen, ferner die Wegstrecke, über welche die die Toleranzüberschreitung andauert. Das letztere Kriterium eignet sich insbesondere zum Erkennen eines Lagefehlers der Schraube, z.B.in Form eines schräg angesetzten Schraubenbolzens.

•file das Blockschltbild gemäß Fig.3 zeigt, wird das an den Eingang der Auswerteschaltung geführte Meßsignal M, über eine Anordnung 10 zur Mittelwertbildung an den + Eingang eines Vergleichers 11 geführt, an dessen -Eingang ein an den Ausgang eines Mikroprozessorsystems 12 angeschlossener,·mit seinem anderen Pol an Masse liegender Einstellwiderstand 13 gelegt ist. Das Meßsignal s(t) gelangt zum -Eingang eines Vergleichers 14· und zugleich an den Eingang eines Abtasters 15 (Taktgenerator). Am + Eingang des Vergleichers 14 liegt ein Einstellwiderstand 16, der ebenfalls an einen Ausgang des Mikroprozessors 12 angeschlossen ist und mit seinem anderen Pol an Masse geführt ist. Die Ausgangssignale M^Z M am Vergleicher 11 und die Ausgangs-

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signals s(t) < s γ am Vergleicher 14 gelangen zu einem UND-Glied 17, dem ein elektronischer Schalter 18 nachgeschaltet ist und das außerdem an den Mikroprozessor 12 angeschlossen ist. Der Schalter 18 steuert einen Abtastfrequenzgenerator 19» welcher ausgangsseitig mit einem Eingang des Mikroprozessors sowie mit je einem Eingang der Abtaster 20 und 15 verbunden ist, von denen der eine, 20, am Ausgang des Vergleichers 11 und der andere, 15» am -Eingang des Vergleichers 14 liegt, dem das Meßsignal s(t) zugeführt wird. Den. beiden Abtastern 15 und 20 ist jeweils ein Analog-Digitalwandler 21,22 nachgeschaltet, die beide an den Mikroprozessor angeschlossen sind.

Das gemessene Drehmoment M., dessen entsprechendes Signal am Eingang der Auswerteschaltung ansteht, wird nach dem Ausfiltern unbedeutender Drehmomentspitζen mittels der Anordnung mit einem am Vergleicher 11 eingestellten Schwellenwert M verglichen, der mit Hilfe des Einstellwiderstands 13 vorwählbar ist. Überschreitet das Drehmoment M, den Schwellenwert M , dann wird der Ausgang des Vergleichers 11 aktiv, sofern die gemessene weglänge s (t) den Grenzwert s^ nicht überschritten hat. Die Eindrehweglänge s (t) bzw. die Vorschublänge der Schraube vor deren Anlegezeitpunkt am Werkstück ist abhängig von der Art und der Beschaffenheit der Schrauben einstellbar. Sind die beiden Bedingungen M,>M und s (t) < s ψ erfüllt, so wird über das UND-Glied 17 der elektronische Schalter 18 aktiviert, der den Abtastfrequenzgenerator 19 ansteuert, welcher eine geeignete Abtastfrequenz freigibt. Diese Abtastfrequenz triggert sowohl den Abtaster 20 für das Drehmoment M, als auch den Abtaster 15 für den Eindrehweg s (t) der Schraube. Diese beiden Größen werden in den Wandlern 21 und 22 digitalisiert und vom Mikroprozessor 12 beispielsweise in der Weise ausgewertet, daß der Antriebsmotor der Schraubeinrichtung ohne oder mit gleichseitiger Speicherung der Signale stillgesetzt wird oder die Signale nur gespeichert und zur Qualifikation des Schraubfalls nach dem Endanzug der Schraube herangezogen werden. Eine Signalspeicherung kann unterbleiben, wenn M-,

unter den Grenzwert M fällt bzw. unter diesem verbleibt oder die Eindrehweglänge &φ erreicht oder überschritten ist.

Die sicherheitsmäßige und wirtschaftliche Bedeutung der Erfindung ist vor allem darin zu sehen, daß mechanische Fehler in der Zuführung, Übernahme, Lage und Gewindebeschaffenheit einer Schraube oder einer Mutter überhaupt und sofort erkannt werden können.

Da bei harten Schraubfällen die Endanzugsphase lediglich einen Winkelbereich von 10 ° bis 30° umfaßt, ist die Wahrscheinlichkeit, daß in dieser Phase des Schraubvorgangs keine Fehler mehr auftreten werden, wenn zuvor keine festgestellt worden sind, relativ groß. Weil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung von Schraubvorgängen auch Gewindedefekte erkannt werden, die in der Endanzugsphase des Schraubfalls nicht mehr erkennbar sind, werden dadurch zustandekommende kritische Schraubfälle vermieden, daß defekte Schraubengewinde durch die Drehenergie des Schraubantriebs neu geschnitten werden.

Da bei Schraubvorgängen ohne die Überwachung der ersten Verschraubungsphase eine Gewindeschädigung auch zu einem vermeintlichen Erreichen des Anlegemoments führen kann, so daß bereits vorzeitig ein Umschalten auf eine niedrigere Drehzahl erfolgt, wird die Taktzeit eines Fertigungsvorgangs unnötig verlängert. Dies führt insbesondere bei vollmechanisierten Stationen zu Kostensteigerungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch zur Überwachung des Endanzugs einer Verschraubung benutzen, indem der Drehmomenttoleranzwert M mit fortschreitendem Schraubvorgang selbsttätig erhöht wird und die Schwelle s (t) ebenfalls selbsttätig erweitert wird. Bei Erreichen der unteren Toleranzgrenze der Abschaltung des Endanzugs werden die Toleranzgrenzen M und s^ automatisch unwirksam gemacht und erst beim nächstfolgenden Schraubvorgang wieder aktiviert.

Claims

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Firma Dr. Staiger, Mohilo + Co GmbH, 7060 Schorndorf *

Patentansprüche

\Aj) Verfahren zum Überwachen des Eindrehvorgangs einer Schraube in ein Werkstück beim motorischen Anziehen von Schrauben in mechanischen Fertigungsanlagen, wobei das Schraubwerkzeug mit einem Meßwertgeber für das Anziehdrehmoment und mit einem Meßwertgeber für den Eindrehweg der Schraube ausgerüstet ist, denen eine Auswerteelektronik für das gesteuerte Anziehen der Schraube zugeordnet ist, die bei Erreichen der für die betreffende Schraube charakteristischen Anziehwerte bzw. Anziehbereiche wenigstens einen Schaltvorgang auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindrehvorgang nach Anziehdrehmoment und Eindrehweg der Schraube M,= f(s) bereits auch in der Verschraubungsphase vor dem Erreichen des Anlegemoments Si und des Anlegeeindrehwegs su>mittels der Meßwertgeber erfaßt und die in dieser Phase erhaltenen Signale in einem Mikroprozessor ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehmoment NL und dem Eindrehweg s(t) .entsprechenden Signale jeweils mit einem vorgebbaren Drehmoment-Schwellenwert M und Weg-Schwellenweg sw verglichen werden und bei einem gemessenen Drehmoment ML 2 dem Schwellenwert M und einem gemessenen Eindrehweg s(t) j~ dem Schwellenwert s ψ über eine UND-Verknüpfung ein Abschalt-und/oder ein Speicherkreis aktiviert wird.

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3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Verschraubungsphase bis zum Erreichen des Anlegedrehmoments der Schraube mittels des Meßwertgebers (4) für den Eindrehweg festlegbar und abhängig von der Art und Beschaffenheit der jeweiligen Schraube einstellbar ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschaltkriterium für den Antriebsmotor ein mehrmaliges Grenzwertüberschreiten des gemessenen Drehmoments im Zeitintervall s(t) £ s ψ dient.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Abschaltkriterium die Verschraubungswegstrecke dient, über welche im Zeitintervall s(t) < s» eine Toleranzüberschreitung andauert.
6. Verfahren nach den Ansprüchen Ibis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der in einem einstellbaren Toleranzbereich liegende, vom Mikroprozessor überwachte Betrag des gemessenen, grenzwertüberschreitenden Drehmoments als Abschaltkriterium benutzt

wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Anziehdrehmoment M^ der Schraube vor dem Vergleich mit dem Schwellenwert M einer gleitenden Mittelwertbildung unterworfen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert M für das Drehmoment M, und der Schwellenwert sψ für den Eindrehweg s(t) der Schraube mit fortschreitendem Schraubvorgang selbsttätig erhöht bzw. erweitert wird und bei Erreichen der unteren Toleranzgrenze der Abschaltung des Endanzugs automatisch unwirksam gemacht wird.

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9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (3) für das Drehmoment M^ und der Meßwertgeber (4) für den Eindrehweg s(t) der Schraube jeweils an einen Vergleicher (11,14) angeschlossen sind, deren Ausgänge an den Eingang eines UND-Glieds (17) geführt sind, das einen elektronischen Schalter (18) steuert, der einen diesem nachgeschalteten Abtastfrequenzgenerator (19) aktiviert, dessen Abtastfrequenz einen Abtaster (20) für das Drehmoment M^ und einen Abtaster (15) für den Eindrehweg s(t) der Schraube triggert, und daß die abgetasteten Signalwerte jeweils in einem Analog/Digitalwandler (21,22) digitalisiert und einem Mikroprozessor (12) zugeführt werden.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (4) für den Eindrehweg in den Meßwertgeber für den Drehwinkel integriert ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber für den Eindrehweg der Schraube als separater Geber ausgebildet ist.