DE4137750C2

DE4137750C2 - Device for quality monitoring of joining processes for the production of press connections

Info

Publication number: DE4137750C2
Application number: DE19914137750
Authority: DE
Inventors: Guenther Wuertz; Dirk Stoeffler; Thomas Fraenkel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-11-16
Filing date: 1991-11-16
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2011-11-17
Also published as: DE4137750A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Qualitätsüber wachung von Fügeprozessen zur Herstellung von Pressverbindungen.The invention relates to a device for quality transfer monitoring of joining processes for the production of press connections.

Derartige Prozesse sind insbesondere kraftbehaftete Fügeprozesse, wie Pressverbindungen und Nietverbindun gen, aber auch andere kraftbehaftete Prozesse, wie beispielsweise Meißeln, bei denen ein impulsförmiger Antrieb eingesetzt wird. Such processes are particularly forceful Joining processes such as press connections and rivet connections gene, but also other powerful processes, such as for example chisels, in which an impulsive Drive is used.

In zunehmendem Maße gewinnt die Verbindungstechnik "Einpressen" insbesondere in der automatisierten Mon tage an Bedeutung, ermöglicht sie doch den Verzicht auf zusätzliche Fügehilfsteile (Schrauben, Muttern, Nieten etc.), wodurch das Einpressen nach dem Schrauben letzt lich zur häufigsten in der industriellen Praxis einge setzten Verbindungstechnik wurde. Die Verbindung ent steht dabei durch Übermaß zwischen Füge- und Basisteil, wodurch zwischen den beiden Fügepartnern ein Fugendruck bzw. eine Normalkraft entsteht, aus der eine kräfte übertragende Haltekraft resultiert.Connection technology is becoming increasingly popular "Pressing in" especially in the automated Mon days of importance, because it allows you to do without additional joining parts (screws, nuts, rivets etc.), which means that pressing in after screwing last the most common in industrial practice put connection technology was. The connection ent stands due to oversize between the joining and base part, which creates a joint pressure between the two joining partners or a normal force arises from which a force transferring holding force results.

Im Hinblick auf die Prozeßüberwachung unterscheidet sich die Fügetechnik von anderen Fertigungsverfahren dadurch, daß die Qualitätssicherung mit der Prozeßüber wachung identisch ist, da eine nachträgliche Untersu chung der Fügequalität zerstörungsfrei nicht mehr mög lich ist, wie dies insbesondere für Preßverbindungen der Fall ist.Differentiates in terms of process monitoring joining technology differs from other manufacturing processes in that the quality assurance with the process over is identical since a subsequent examination the joining quality is no longer possible without destruction Lich is how this is particularly for press connections the case is.

Bestehende Verfahren zur Überwachung von Prozessen mit Kraftbedarf beruhen alle auf dem Prinzip der sensori schen Erfassung des Verlaufs der Kraft als Funktion des Weges zur Klassifizierung der Qualität des Prozesses. Der gemessene Istverlauf darf dabei vor dem Prozessbe ginn festgelegte Minimal- bzw. Maximalwerte nicht un ter- bzw. überschreiten, damit der Prozeß noch in Ord nung ist.Existing procedures for monitoring processes with Power requirements are all based on the principle of sensori the determination of the course of the force as a function of Way to classify the quality of the process. The measured actual course may before the process The minimum or maximum values specified at the beginning are not un ter or exceed, so that the process is still in Ord is.

Dieses Verfahren ist bei Verwendung von Werkzeugen mit impulsförmigem Antrieb nicht anwendbar, da
This method cannot be used when using tools with a pulsed drive, because

- The sensory detection of impact forces with sufficient Technically, reproducibility has not yet been achieved is possible,
- an unclear connection between impact force and required quasi-static joining force exists,
- No continuous force-displacement curve can be created is.

Darüber hinaus liefert die Ermittlung von vorab festge legten Schwellwerten bzw. Toleranzbereichen beispiels weise auf der Basis von Stichprobenmessungen bei Ver bindungstechniken wie Einpressen aufgrund der starken Schwankung der Prozeßparameter keine hinreichend zuver lässigen Beurteilungsgrößen.In addition, the determination of pre-determined set threshold values or tolerance ranges, for example wise based on sample measurements at Ver binding techniques such as pressing in due to the strong Fluctuation of the process parameters none sufficiently reliable casual assessment variables.

Aus der DE 33 07 615 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Bahn der Schneide eines an einem Werk zeughalter angebrachten Werkzeuges in einer Werkzeugmaschine bekannt. Vor dem tatsächlichen Bearbeiten eines Werkstückes wird für einzelne Abtaststellen, die später beim Schneiden des Modells benötigt werden, jeweils ein Toleranzbe reich festgelegt und gespeichert. Beim tatsächlichen Schneiden wird dann bei jeder abgetasteten Stellung überprüft, ob sie in dem jeweiligen vorher festgeleg ten Toleranzbereich liegt. Die bekannte Vorrichtung weist dazu einen Stellungstaster 2 zum Feststellen der Stellung der Schneide des Werk zeugs an dem Werkzeughalter auf sowie Register 3, 6, 8 und einen Speicher 4 zum speichern der Stellungsdaten, eine Recheneinheit 9 zur Berechnung des Ist-Abstandes zwischen einer geraden Linie und der gegenwärtigen Stellung des Werkzeugs und Einrichtungen 10, 11 zur Einstellung eines Toleranzabstandes sowie zum Vergleich von Ist- und Toleranzabstand. Über einen Schaltstromkreis 7 wird ein Alarmsignal AR ausgegeben, wenn der Ist-Abstand von dem vorgege benen Toleranzbereich abweicht.From DE 33 07 615 A1 a method and a device for monitoring the path of the cutting edge of a tool holder attached to a work tool in a machine tool are known. Before the actual machining of a workpiece, a tolerance range is defined and saved for individual scanning points that will later be needed when cutting the model. During actual cutting, a check is then carried out for each scanned position to determine whether it lies within the respective previously defined tolerance range. The known device has a position button 2 for determining the position of the cutting edge of the tool on the tool holder as well as registers 3 , 6 , 8 and a memory 4 for storing the position data, a computing unit 9 for calculating the actual distance between a straight line and the current position of the tool and devices 10 , 11 for setting a tolerance distance and for comparing the actual and tolerance distance. An alarm signal AR is output via a switching circuit 7 when the actual distance deviates from the predetermined tolerance range.

Die Messwertaufnahme zur Erfassung der Stellung der Schneide erfolgt kontinu ierlich während des gesamten Schneideprozesses.The measured value recording for recording the position of the cutting edge takes place continuously during the entire cutting process.

Aus der DE 36 37 128 A1 ist eine Einrichtung zur auto matischen werkzeugspezifischen Betriebsdateneinstellung eines elektrischen Antriebsgeräts für auswechselbare Werkzeuge bekannt. Am Einsteckschaft 8 des Werkzeugs 7 zwischen dem endseitigen Drehmomentübertragungsbereich und dem eigentlichen Arbeitsbereich ist eine ein- oder mehrspurige Datenmar kierung 10 vorgesehen, die aus einer Folge von kerbenartigen Vertiefungen 11 und Stegen 12 besteht. Diese Datenmarkierung 10 wird durch einen induktiven Sensor 6, 13 abgetastet, während sich das Werkzeug 7 dreht. Die Signalaus wertung erfolgt durch einen Mikroprozessor 14, der daraus mit Hilfe vorgespei cherter Talbellenwerte unter Berücksichtigung eines Toleranzbereiches die für das Werkzeug spezifischen Betriebsdaten, wie Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit und Schlagfrequenz ermittelt. Diese Betriebsdaten werden unmittelbar auf das Antriebsgerät übertragen, in welchem selbsttätig die entsprechenden Einstellungen für die werkzeugspezifischen Be triebsparameter vorgenommen werden.From DE 36 37 128 A1 a device for automatic tool-specific operating data setting of an electric drive device for interchangeable tools is known. At the insertion shaft 8 of the tool 7 between the end-side torque transmission area and the actual working area, a single-track or multi-track data marking 10 is provided, which consists of a series of notch-like depressions 11 and webs 12 . This data marking 10 is scanned by an inductive sensor 6 , 13 while the tool 7 is rotating. The signal evaluation is carried out by a microprocessor 14 , which uses this to determine the operating data specific to the tool, such as speed, cutting speed and stroke frequency, using pre-stored valley bell values, taking into account a tolerance range. These operating data are transferred directly to the drive unit, in which the corresponding settings for the tool-specific operating parameters are made automatically.

Aus der DE 39 22 066 A1 ist eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen bekannt, wobei die Messung des Relativweges mit Hilfe eines Sensors erfolgt.DE 39 22 066 A1 describes a device for quality monitoring of Joining processes known, the measurement of the relative path using a Sensor takes place.

Der bisher bekannt gewordene Stand der Technik betrifft somit keine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen, bei welcher während des Fügepro zesses das Fügeteil mit Hilfe eines Prozeßwerkzeuges mit Impulsen beauf schlagt wird, so dass das Fügeteil im Basisteil pro Krafteinwirkung einen Relativ weg zurücklegt. Auch sind keine Messung des Relativweges, den das Fügeteil im Basisteil pro Krafteinwirkung zurücklegt, mit Hilfe eines berüh rungslos arbeitenden Sensors am Schlagstößel des Schlagwerkzeuges und kei ne Messung des gesamten Fügeweges über einen Induktivsensor angesprochen.The prior art which has become known thus far does not relate to a device for quality monitoring of joining processes, in which during the joining pro zesses the joining part with a process tool with impulses is struck, so that the joining part in the base part has a relative force effect traveled away. Also are not a measurement of the relative path covers the part to be joined in the base part with the help of a touch sensor working on the impact ram of the impact tool and kei ne measurement of the entire joining path addressed via an inductive sensor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Füge prozessen, bei denen die Prozeßgrößen impulsförmig entstehen, anzugeben, das eine Kontrolle des Prozeßver laufes ermöglicht.The invention has for its object a device for quality monitoring of joints processes in which the process variables are pulse-shaped arise to indicate that a control of the process ver run enabled.

Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit schaffen, kraftbehaftete Füge- bzw. Arbeits prozessen zu überwachen, bei denen Werkzeuge mit im pulsförmigem (schlagendem) Antrieb verwendet werden.In particular, the device according to the invention is said to Create opportunity, forceful joining or working to monitor processes in which tools with pulsed (striking) drive can be used.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentspruch 1 angegeben. Eine Weiterbildung der Erfin dung ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 2.An inventive solution to this problem is in Patent claim 1 specified. A further training of the Erfin manure is the subject of dependent claim 2.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt der Grundgedanke zugrunde, anstelle der nicht vorhandenen quasistati schen Fügekraft als "Meßgröße" den pro Impuls zurückge legten Weg des Fügeteils zu verwenden, der unter der Voraussetzung einer (pro Impuls) konstanten Energie übertragung des Prozeßwerkzeuges ein Maß für die über tragene Energie darstellt. The basic idea of the device according to the invention is underlying, instead of the nonexistent quasistati rule joining force as a "measured variable" the per pulse put way to use the part that is under the Prerequisite for a constant energy (per pulse) Transfer of the process tool a measure of the over represents carried energy.

Dies soll an einem Beispiel erläutert werden:This should be explained using an example:

Der für einen bestimmten Fügevorgang charakteristische Prozeßverlauf des Relativweges Δz des Fügeteils (pro Schlag bzw. Impuls zurückgelegter Weg des Fügeteils) über dem gesamten Fügeweg (Absolutweg) des Fügeteils z kann bei dem für das Beispiel gewählten Fügevorgang durch folgende Glei chung gegeben sein:
The characteristic course of the process of the relative path Δz of the part to be joined (per stroke or pulse of the part to be joined) over a complete path (absolute path) of the part z for a specific joining process can be given in the joining process selected for the example by the following equation:

wobei die pro Impuls mit der Fügekraft F zu einem be stimmten Zeitpunkt bzw. erreichten absoluten Fügeweg z_i eingetragene Energie W_i berechnet wird nach der Gleichung
the energy W _i entered per pulse with the joining force F at a certain point in time or the absolute joining path z _i reached is calculated according to the equation

Für W_i/c steht die Konstante k, also k = W_i/c, die vor zugsweise im Bereich 1,0. . .1,5 mm² liegt. Der Wert c sei durch die Relation c = F/z vorzugsweise auf einen Bereich 200. . .250 N/mm festgelegt.The constant k stands for W _i / c, that is to say k = W _i / c, which is preferably in the range of 1.0. . 1.5 mm ² . Given the relation c = F / z, the value c is preferably in a range 200. .250 N / mm fixed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ebenfalls die Festlegung der Toleranzbereiche für den so ermittelten Prozeßverlauf. Das erfolgt in der Weise, daß die erfor derlichen Soll-Werte nicht wie beim Stand der Technik vor Prozeßbeginn ermittelt werden, sondern auf der Basis des tatsächlich gemessenen Weges pro Schlag Δz_ist wahrend des Fügeprozesses ein Toleranzband (Hüll kurve) generiert wird, innerhalb dessen sich die Meß werte bewegen müssen, damit der Prozeß fehlerfrei ist. Zur Berücksichtigung der möglichen zunehmenden Abwei chungen der Meßwerte von den durch das Toleranzband vorgegebenen Sollwerten mit zunehmender Fügetiefe wird der zulässige Toleranzbereich für die Weg/Schlag-Werte mit zunehmender Fügetiefe vergrößert; dadurch nimmt das Toleranzband die Form einer "Trompete" an.The device according to the invention also includes the definition of the tolerance ranges for the process course thus determined. This is done in such a way that the required values are not determined before the start of the process as in the prior art, but on the basis of the actually measured path per stroke Δz _, a tolerance band (envelope curve) is generated during the joining process, within which the measured values must move so that the process is error-free. In order to take into account the possible increasing deviations of the measured values from the target values specified by the tolerance band with increasing joining depth, the permissible tolerance range for the displacement / impact values is increased with increasing joining depth; this causes the tolerance band to take the form of a "trumpet".

Bei der Umsetzung wird dabei mehrstufig vorgegangen. Auf der Basis des theoretisch ermittelten Kurvenver laufs wird mit Hilfe der ersten Δz-Werte die Lage des vorliegenden Fügefalles im Toleranzband ermittelt und so die für diesen Fügefall gültige äußere "Toleranz trompete" erzeugt. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden während des Fügeprozesses laufend neue Schwellwerte auf der Basis des bisherigen Kurvenverlaufs durch Extrapo lieren generiert; die zuletzt erfaßten Meßwerte werden dabei stärker gewichtet als zeitlich länger zurücklie gende Werte. Damit wird zusätzlich zur äußeren Hüllkur ve eine innere Hüllkurve erzeugt, die sich aus der Aneinanderreihung der so erzeugten Schwellwerte ergibt. Für einen einwandfreien Prozeßverlauf müssen die Meß werte wiederum innerhalb dieses Toleranzbandes liegen.The implementation is carried out in several stages. On the basis of the theoretically determined curve ver With the help of the first Δz values, the position of the existing joining case determined in the tolerance band and this is the external tolerance that applies to this joining case trumpet "are generated. To increase accuracy new threshold values continuously during the joining process the basis of the previous curve through Extrapo lieren generated; the last measured values are weighted more heavily than in the past values. In addition to the outer envelope ve created an inner envelope curve, which results from the Stringing together the threshold values thus generated results. For a perfect process, the measuring values are again within this tolerance band.

Der Verlauf der Toleranzgrenzen für die äußere und die innere Kurve wird dabei durch folgende Beziehung be stimmt:
The course of the tolerance limits for the outer and inner curve is determined by the following relationship:

dabei ist ΔB (z) die Breite des äußeren Toleranzbandes in Abhängigkeit vom Fügeweg.ΔB (z) is the width of the outer tolerance band depending on the joining path.

Für die innere Hüllkurve, die nur zur Toleranzsicherung in einem Teilbereich den Fügeweg z erzeugt wird (Tole ranzfenster):
For the inner envelope curve, which only creates the joining path z for tolerance assurance in a partial area (tolerance window):

f_1,2 steht für die untere bzw. obere Begrenzungsfunk tion im Intervall [z_i; z_j], z_i,j beschreiben die Lage des Toleranzfensters.f _1,2 stands for the lower or upper limiting function in the interval [z _i ; z _j ], z _{i, j} describe the position of the tolerance window.

Ein Versagensfall liegt dann vor, wenn der gemessene Kurvenverlauf entweder die äußere oder innere Toleranz trompete verläßt. An der Art des entsprechenden Signal verlaufs läßt sich die Fehlerursache erkennen.A failure occurs when the measured one Curve either the outer or inner tolerance trumpet leaves. On the type of the corresponding signal the cause of the error can be seen over the course of the year.

Die nach Eintritt eines Versagensfalles zur Anwendung kommende Störfallstrategie ist abhängig vom konkreten Versagensfall.The application after the occurrence of a failure Coming accident strategy depends on the concrete Failure.

Beispielsweise beim Fügeverfahren "Einpressen" treten im wesentliche vier Versagensfälle auf, nämlich kein Eindringen, Durchrutschen, Kaltverschweißen, Spanbil dung; z. B. wird beim Erkennen einer zu engen Bohrung der Fügevorgang abgebrochen.For example, in the "press-in" joining process essentially four failure cases, namely none Penetration, slipping, cold welding, Spanbil dung; e.g. B. is detected when a hole is too narrow the joining process canceled.

Neben der Kenntnis der Ursache eines möglichen Fehlers ist vor allem auch die Kenntnis des Zeitpunktes seines wahrscheinlichen Eintretens wichtig, um mit Hilfe ent sprechender Maßnahmen wie beispielsweise spezieller Störfallstrategien schnell reagieren zu können, bevor eine weitere Fortsetzung des Fügeprozesses zu einer Beschädigung oder eventuell sogar Zerstörung der Füge partner führt. Damit ist eine Überwachung beispielswei se des Einpreßprozesses bei der Verwendung eines pneu matisch-schlagenden Antriebs möglich.In addition to knowing the cause of a possible error is above all the knowledge of the time of his probable occurrence important to ent with the help speaking measures such as special Incident strategies can react quickly before a further continuation of the joining process to a Damage or possibly even destruction of the joint partner leads. Monitoring is thus, for example se of the press-in process when using a pneu matically striking drive possible.

Der Nutzen und die Funktionsweise des beschriebenen Verfahrens werden besonders bei der Erkennung und Klas sifizierung von Versagensfällen offensichtlich. Eine eindeutige Zuordnung von Weg/Schlag-Weg-Verlauf zu dem jeweiligen Versagensfall ist realisierbar.The benefits and functionality of what is described Procedures are particularly useful in the detection and classification sification of failures evident. A clear assignment of path / stroke-path course to that failure is feasible.

Als weitere Vorteile der Vorrichtung sind zu nennen:
The following are further advantages of the device:

- Ensuring process monitoring even with impuls shaped force transmission,
- Applying various to the specific process adapted algorithms for generating the tolerance bandes also in real time,
- Use of various in real time Change of process parameters in the sense of a Accident strategy,
- Reduction of the tolerance range of process variables with characteristic basic course, but strongly scattered end absolute values.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung von Fügeprozessen soll nachstehend anhand eines Ausfüh rungsbeispiels näher beschrieben werden; die zugehöri gen Zeichnungen zeigen: The inventive device for monitoring Joining processes should be based on an exec Example be described in more detail; the belonging show drawings:

Fig. 1 den prinzipiellen Weg/Schlag-Weg-Verlauf beim Einpressen eines Zylinderstiftes in eine ent sprechende Bohrung, Fig. 1 shows the basic path / punch path curve during pressing a cylindrical pin in out a suitable hole,

Fig. 2 das Funktionsprinzip der beschriebenen Prozeßüberwachung. Fig. 2 shows the principle of operation of the process monitoring described.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist ohne Beschränkung der allgemeinen Anwendbarkeit das Einpressen von Zylinder stiften in entsprechende Paßbohrungen dargestellt. Dabei wird als Schlagwerkzeug ein an einem Industriero boter angebrachtes flexibles Prozeßwerkzeug verwendet, das die erforderlichen Fügekräfte auf der Basis eines pneumatischen Schlaghammers erzeugt.In the exemplary embodiment, the general applicability the pressing of cylinders pins shown in corresponding fitting holes. It is used as a striking tool on an industrial roo robot attached flexible process tool used, that the necessary joining forces on the basis of a pneumatic hammer.

Der Weg des Fügeteils wird dabei sensorisch erfaßt; die aufgenommenen Sensorsignale werden über eine enspre chende Signalverarbeitung (Triggerung, Digitalisierung) verarbeitet und liefern so den Weg bzw. den Ort des Fügeteils nach jedem Schlag. Durch Differenzbildung läßt sich in der Verarbeitungseinheit der Verlauf von z als Funktion von z ermitteln, mit den gegebenen Toleranzen vergleichen und zur Berechnung des weiteren Toleranzverlaufes verwenden. Bei der selbsttätigen Generierung des Toleranzbandes kann prozeßspezifisch zwischen verschiedenen Algorithmen gewählt werden.The path of the part to be joined is sensed; the recorded sensor signals are sent via an enspre appropriate signal processing (triggering, digitization) processes and deliver the way or the location of the Partly after each stroke. By forming differences can the course of Determine z as a function of z, with the given Compare tolerances and calculate further Use tolerance curve. With the self-employed Generation of the tolerance band can be process-specific choose between different algorithms.

Fig. 1 zeigt die für diesen Fügevorgang charakteristi schen Prozeßverläufe:
Fig. 1 shows the process characteristic for this joining process:

1.1.1: Path / stroke-path curve Δz (z) according to equation (1) and
2. 1.2: Path / force curve F (z) for calculating the energy W i transmitted per pulse according to equation (2).

In Fig. 2 ist der Prozeßverlauf für den Momentanwert des Relativweges des Fügeteils Δz_ist (z) innerhalb des äußeren Toleranzbandes nach Beziehung (3) und des inne ren Toleranzfensters nach Beziehung (4) dargestellt. Δz_o kennzeichnet den Weg nach dem ersten Schlag.In Fig. 2, the process for the instantaneous value of the relative path of the joining part Δz _is (z) within the outer tolerance band according to relationship (3) and the inner tolerance window according to relationship (4). Δz _o marks the path after the first stroke.

Claims

1. Device for quality monitoring of joining processes for the manufacture development of press connections between a joining and a base part, whereby during the joining process the joining part with the help of a process tool is acted on with pulses so that the joining part in the Base part covers a relative travel Δz for each force, whereby the measurement of the relative path Δz with With the help of a non-contact sensor, especially a we bel current sensor, on the ram of the process tool and the entire joint way z via an inductive sensor on the pneumatics feed of the striking mechanism is measured, the recording of the measured values that can be fed to a computing unit takes place continuously during the entire process.

2. Device according to claim 1, characterized in that the processing of the measured values by Fil via a 2nd order Butterworth filter with a 5 Hz cut-off frequency the measured values are digitized via an A / D converter, before they are applied to the computing unit, the desired one Course of the relative path .DELTA.z over the entire joining path z of the joining part Differentiation and multiplication with the stroke duration arises.