DE4214354C2 - Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer SchraubverbindungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entspre
chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zum automatisierten Herstellen von Schraubverbindungen
sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Wesensmerkmal
der im folgenden noch näher zu erläuternden bekannten
Verfahren ist jedoch, daß eine gleichbleibende, reprodu
zierbare Verschraubungsqualität, welche gleichmäßige
Verschraubungsvorspannkräfte voraussetzen wurde, nicht
erreichbar ist. Dies betrifft Verschraubungen auf der
Grundlage selbstfurchender sowie selbstsichernder
Schrauben in gleicher Weise wie Standardverschraubun
gen.
Charakteristisch für diese bekannten Schraubverfahren
sind durch Drehwinkel- oder Drehmomentmeßwerte definier
te Abschaltpunkte des Schraubvorgangs, welche jedoch die
erreichte Schraubenvorspannkraft nicht oder nur unzurei
chend berücksichtigen. Derartige Schraubverfahren sind
beispielsweise aus "Schraubtechnik-Schraubanlagen",
Sonderdruck aus "Die automatisierte Montage mit Schrau
ben", Expert Verlag GmbH, 7044 Ehningen 1988, bekannt.
Ferner ist aus der DE 40 24 577 A1 ein Verfahren zur
Steuerung der Vorspannkraft in einer Schraubenverbindung
bekannt, bei welcher der Wert eines Endanzugsmoments in
Abhängigkeit von der gewünschten Vorspannkraft, der
Gewindesteigung und einem Quotienten gebildet wird,
dessen wesentliche Parameter entweder die Differential
quotienten während des Anziehens und des Lösens der
Schraubenverbindung oder die Integralwerte einer die
Abhängigkeit des Drehmoments während des Anziehens und
während des Lösens über einem gegebenen Winkelintervall
beschreibenden Funktion bilden. Zu diesem Zweck wird im
linearen Bereich der Schraubfunktion M = M (ϕ ) an
irgendeiner Stelle unterhalb deren End- und Maximalwert
der Differentialquotient dmA/dϕ gebildet und gespei
chert, woraufhin ausgehend von dem jeweiligen Winkelmeß
wert die Schraubverbindung um einen bestimmten Drehwin
kel gelöst wird und während des Lösens wiederum ein
Differentialquotient dmL/dϕ gebildet wird, woraufhin
auch letzterer Differentialquotient gespeichert wird.
Aus der Gesamtheit dieser Werte wird ein Endanzugsmoment
MAE errechnet und es wird die Schraubverbindung an
schließend nach Maßgabe dieses Wertes MAE angezogen. Die
Messung der genannten Differentialquotienten bzw. die
Ermittlung der Werte der Drehmomentenfunktionen zwecks
Bildung der Integralwerte erfolgt an irgendeiner Stelle
des linearen Bereichs unterhalb des Wertes des Endan
zugsdrehmoments.
Schließlich ist aus der DE 31 28 557 A1 ein weiteres
Verfahren zur Oberwachung von Schraubvorgängen bekannt,
dessen Wesen in der Ermittlung eines Anfangspunktes
einer Drehwinkelmessung besteht, so daß ausgehend von
diesem Anfangspunkt der erforderliche, weiter aufzuwen
dende Drehwinkel errechenbar ist, der dem Maximalwert
des Drehmomentes, nämlich einem Abschaltmoment ent
spricht, wobei der Schraubvorgang nach Maßgabe dieses
errechneten Drehwinkels ausgehend von dem genannten
Anfangspunkt fortgesetzt wird. Ermittelt wird dieser
Anfangspunkt durch meßtechnische Erfassung des Diffe
rentialquotienten im linear ansteigenden Teil der
Schraubfunktion, wobei der Wert eines, dem genannten
Anfangspunkt der Drehwinkelmessung entsprechenden Dreh
moments rechnerisch durch Bildung eines Vielfachen des
Differentialquotienten gebildet wird. Alternativ hierzu
kann ein fiktiver Anfangspunkt auch durch Rückwärts
extrapolation der durch den Differentialquotienten
ermittelten Geraden errechnet werden, wobei sowohl das
Drehmoment als auch der Drehwinkel dieses fiktiven
Anfangspunktes dem Wert 0 entsprechen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der
eingangs bezeichneten Gattung zu entwerfen, welches in
einfacher Weise zu reproduzierbaren Verschraubungsquali
täten, insbesondere gleichmäßigen Schraubenvorspannkräf
ten führt. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen
Verfahren durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des
Anspruchs 1.
Wesensmerkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß
ausgehend von dem Fügepunkt des Schraubvorgangs letzte
rer nach Maßgabe vorgebbarer Drehmoment- oder Drehwin
kelmeßwerte fortgesetzt wird, wobei durch diese Werte
der Abschaltpunkt definiert ist. Der sogenannte Füge
punkt charakterisiert bekanntlich den Zustand eines auf
die Herstellung einer Schraubverbindung zwischen zwei
Bauteilen gerichteten Vorgangs, bei dem diese Bauteile
unmittelbar aneinanderliegen, so daß bei Fortführung des
Schraubvorgangs über diesen Punkt hinaus die Bauteile
und/oder die Schraube elastisch verspannt werden. In dem
Maße, in dem der Schraubvorgang über den Fügepunkt
hinaus fortgesetzt wird, wird somit die Schraubenvor
spannkraft aufgebaut. Indem erfindungsgemäß der Füge
punkt als Ausgangspunkt für vorgegebene Drehmoment
bzw. Drehwinkelmeßwerte benutzt wird, kann über die Wahl
dieser Werte die einzustellende Schraubenvorspannkraft
vorgegeben werden und führt somit stets zu reproduzier
baren Verschraubungsergebnissen, da die Schraubenvor
spannkraft, welche als Maßstab für den Klemmungszustand
der Bauteile angesehen werden kann, stets gleich bleibt.
Das erfindungsgemäße Verschraubungsverfahren, welches
somit die Erzielung hoher, reproduzierbarer Vorspann
kräfte ermöglicht, kann bei allen Schraubverfahren
angewandt werden, insbesondere bei Schraubverfahren mit
mechanischen und chemischen Sicherungselementen und
selbstfurchenden Schrauben wie Stop- und Quetschmuttern,
mikroverkapselten Schrauben, Blechschrauben, selbstfur
chenden Schrauben, jedoch auch Standardverschraubungen.
Es ist unabhängig vom Werkstoff und kann beispielsweise
bei Aluminiumdruckguß, jedoch auch bei Kunststoff und
sonstigen Werkstoffen angewandt werden. Indem der Füge
punkt als Ausgangspunkt für die Herstellung eines defi
nierten Verschraubungszustands herangezogen wird, ist
das Verfahren unabhängig von dem Betrag eines Eindreh-
oder Fügemomentes und insgesamt vom Eindrehverhalten der
jeweils eingesetzten Schraube.
Die Merkmale des Anspruchs 2 sind auf ein mögliches
Verfahren zur automatisierten Feststellung des Fügepunk
tes gerichtet. Wesensmerkmal dieser Vorgehensweise ist,
daß ausgehend von einer die Abhängigkeit des aufgewende
ten Drehmoments Md beschreibenden Funktion eine deren
Differentialquotienten Md′ beschreibende Funktion gebil
det wird. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch ge
macht, daß die erstgenannte Funktion im Fügepunkt durch
eine starke Zunahme der Steigung gekennzeichnet ist, so
daß die, den zugeordneten Differentialquotienten be
schreibende Funktion an dieser Stelle, durch einen
zumindest angenähert stufenartigen Übergang gekennzeich
net ist. Die Meßgrößen Md und ϕ werden zweckmäßigerwei
se durch elektrische Größen gebildet, die entweder in
digitaler oder analoger Form vorliegen, so daß die
stufenartige Veränderung im Verlauf der Funktion Md′
meßtechnisch leicht erkennbar und in ein entsprechendes
Signal umsetzbar ist.
Die Merkmale des Anspruchs 3 sind auf eine vereinfachte
Form der Ermittlung des Fügepunktes gerichtet. Hiernach
wird lediglich eine Funktion Md* als Funktion der Zeit t
betrachtet, welche wiederum zweckmäßigerweise als elek
trisches Signal in analoger oder digitaler Form vor
liegt. Diese Funktion weist im Fügepunkt wiederum einen
Knickpunkt auf, der die weitere - in Richtung des Fort
schritts des Verschraubungsvorgangs gesehen - steile
Zunahme des Drehmoments beschreibt. Auch diese Funktion
Md* kann in an sich bekannter Weise zur Bildung einer
deren Differentialquotienten beschreibenden Zeitfunktion
herangezogen werden, die im Fügepunkt einen zumindest
angenähert stufenförmigen Übergang aufweist. Die Erken
nung dieses stufenförmigen Übergangspunktes kann wiede
rum in grundsätzlich beliebiger automatisierter Weise
vorgenommen werden.
Wie auch immer der Fügepunkt ermittelt wird, entschei
dend ist, daß dieser und damit ein den Beginn des Auf
baus einer Schraubenvorspannkraft definierender Punkt
als Ausgangspunkt für vorgebbare Drehwinkel- oder Dreh
momentmeßwerte benutzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfiguren näher.
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine den Schraubvorgang entsprechend dem Stand
der Technik anhand des Funktionszusammenhangs zwischen
aufzuwendendem Drehmoment und Drehwinkel kennzeichnende
grafische Darstellung;
Fig. 2 eine das erfindungsgemäße Verfahren anhand des
Funktionszusammenhangs zwischen aufzuwendendem Drehmo
ment und Drehwinkel erläuternde grafische Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Grafik, auf deren Abszisse der Dreh
winkel ϕ und auf deren Ordinate das Drehmoment Md
aufgetragen sind. Der Schraubvorgang ist beispielhaft
anhand dreier Kurven 1, 2, 3 dargestellt, die jeweils
einen Funktionszusammenhang Md = Md( ϕ ) beschreiben.
Alle Kurven 1 bis 3 beginnen im Nullpunkt des Koordina
tensystems und enden in einem gemeinsamen Abschaltpunkt
4, der durch bestimmte Werte 5 des Drehmoments Md und 6
des Drehwinkels ϕ gekennzeichnet ist.
Sämtliche Kurven 1 bis 3 sind ferner in zwei Abschnitte
unterteilt, die jeweils charakteristische Phasen des
Schraubvorgangs darstellen. Ein erster Abschnitt be
schreibt den Eindrehvorgang der Schraube, beginnt mit
dem Nullpunkt des Koordinatensystems und endet im soge
nannten Fügepunkt 7, 7′, 7′′. Der Fügepunkt kennzeichnet
den Zustand, bei dem die miteinander zu verschraubenden
Bauteile aneinanderliegen, so daß eine Fortsetzung des
Schraubvorgangs über diesen Zustand hinaus nur unter
wenigstens elastischer Verformung der Bauteile und/oder
der Schraube erfolgt. Der Schraubvorgang bis zur Errei
chung des Fügepunkts ist ausgehend von einem Anfangs
drehmoment nur durch ein weiteres sehr geringfügiges
Ansteigen des Drehmomentwertes gekennzeichnet. Es ist
dieser gezeigte erste Abschnitt ein beispielsweise beim
Verschrauben selbstfurchender Schrauben charakteristi
scher Drehmomentverlauf. Wesentlich ist, daß aufgrund
unterschiedlicher Reibungsverhältnisse, Bohrungs- und
Schraubentoleranzen das bis zum Erreichen des Fügepunkts
7, 7′, 7′′ aufzuwendende Drehmoment, das sogenannte
Fügemoment innerhalb eines relativ weiten Toleranzbe
reiches 8 streut.
Der Schraubvorgang im Bereich des Fügepunktes 7, 7′, 7′′
ist in jedem Fall durch eine starke Zunahme der Steigung
der Kurven 1 bis 3 gekennzeichnet und es dient der
weitere Schraubvorgang bis zum Erreichen des Abschalt
punktes 4 der Erzeugung der für die Verschraubungsquali
tät maßgeblichen Vorspannkraft. Zur automatisierten
Steuerung des Schraubvorganges ist es bekannt, das
aufzuwendende Drehmoment Md zu messen, und zwar mit der
Maßgabe, daß nach Erreichung eines Schwellmomentes,
welches betragsmäßig dem zweiten Teil der Kurven 1 bis
3, nämlich dem durch den Fügepunkt einerseits und den
Abschaltpunkt andererseits begrenzten Abschnitt zugeord
net ist, der weitere Schraubvorgang unter Vorgabe eines
fest vorgegebenen Drehwinkel- oder Drehmomentwertes
fortgesetzt wird. Es wird bei diesem Verfahren somit -
aufbauend auf den Koordinaten des Schwellmomentes - der
weitere Schraubvorgang gemäß festen Werten von Drehmo
ment und Drehwinkel standardisiert. Entsprechend der
Streuung innerhalb des Toleranzbereichs 8 führt dieses
Verfahren jedoch keineswegs zu reproduzierbaren gleich
mäßigen, d. h. durch eine gleichmäßige Vorspannkraft
charakterisierten Schraubverbindungen.
Ein weiteres bekanntes Verfahren ist dadurch gekenn
zeichnet, daß - aufbauend auf einer Klassierung des
Eindrehmomentes, nämlich des im Rahmen des ersten Ab
schnitts der Kurven 1 bis 3 aufzuwendenden Drehmomentes
ein festes Abschaltmoment vorgesehen ist. Dies bringt
insoweit eine Verbesserung mit sich, als entsprechend
der Feinstufigkeit der Klassierung die Toleranz der sich
ergebenden Schraubenvorspannkräfte eingegrenzt wird.
Reproduzierbare Ergebnisse bzw. Vorspannkräfte sind
jedoch auch mit diesem Verfahren nicht erzielbar.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im
folgenden auf die Fig. 2 Bezug genommen:
Fig. 2 zeigt wiederum ein Koordinatensystem, auf dessen
Ordinate das aufzuwendende Drehmoment Md und auf dessen
Abszisse der Drehwinkel ϕ aufgetragen sind. Mit 9 ist
eine, den Schraubvorgang charakterisierende Kurve be
zeichnet, welche den Funktionszusammenhang Md = Md( ϕ )
darstellt. Die Kurve ist auf einen Schraubvorgang
bezogen, der demjenigen der Fig. 1 entspricht. Dieser
beginnt im Nullpunkt des Koordinatensystems und führt
über den Fügepunkt 10 zum Abschaltpunkt 11.
Erfindungswesentlich ist nunmehr, daß der Fügepunkt 10
hinsichtlich seiner Koordinaten festgestellt wird, d. h.
es wird erfindungsgemäß ein Drehmomentwert MFüg, nämlich
ein Fügemoment und ein Drehwinkel ϕFüg, nämlich der
Fügewinkel ermittelt. Ausgehend von dem Fügepunkt 10
wird nunmehr nach Maßgabe eines fest vorgegebenen Dreh
momentwertes MSpann oder eines fest vorgegebenen Dreh
winkelwertes ϕSpann der Schraubvorgang bis zum Errei
chen des Abschaltpunktes 11 fortgesetzt. Wesentlich ist
somit, daß als Ausgangspunkt für eine Standardisierung
des Schraubvorgangs in völliger Abweichung von dem
eingangs dargelegten Stand der Technik der Fügepunkt
herangezogen wird, welches naturgemäß voraussetzt, daß
dieser exakt ermittelt wird. Geht man davon aus, daß
eine gleichmäßige und insbesondere reproduzierbare
Verschraubungsqualität im wesentlichen die Realisierung
einer gleichbleibenden Schraubenvorspannkraft voraus
setzt, ist unmittelbar erkennbar, daß dieses Ziel -
aufbauend auf dem Fügepunkt 10 - durch ein nach Maßgabe
vorgebbarer Drehwinkel- oder Drehmomentmeßwerte, welche
entsprechend der erforderlichen Vorspannkraft bzw. dem
Spannmoment MSpann bemessen sind, erreichbar ist.
Zur Ermittlung des Fügepunktes werden erfindungsgemäß
das Drehmoment Md und der Drehwinkel ϕ entlang der
Kurve 9 kontinuierlich gemessen, wobei die Funktion Md =
Md( ϕ ) nach bekannten Methoden zur Ermittlung einer, den
Differentialquotienten dMd/d = Md′( ϕ ) beschreiben
den Kurve 12 benutzt wird. Diese Kurve 12 weist einen
charakteristischen, zur Erkennung des Fügepunktes 10
geeigneten Verlauf auf. In einem ersten, dem obengenann
ten ersten Abschnitt der Kurve 9 zuzuordnenden Bereich
entspricht die Kurve 12 in Anbetracht der geringfügigen
linearen Zunahme des aufzuwendenden Drehmoments - von
einem Anfangsbereich abgesehen - einer Parallelen zur
Abszisse. Die Kurve 9 weist oberhalb des Fügepunktes 10
einen wiederum linearen wenngleich sehr steilen Verlauf
auf und es ist demzufolge der zweite Abschnitt der Kurve
12 oberhalb des Fügepunktes wiederum durch eine Paralle
le zur Abszisse gekennzeichnet. Beide parallele Ab
schnitte der Kurve 12 sind im Bereich des Fügepunktes 10
durch einen angenähert stufenförmigen Übergang 13 ge
kennzeichnet. Ziel das erfindungsgemäßen Verfahrens ist
es nunmehr, aus dem Verlauf der Kurve 12 den Ordinaten
wert ϕFüg zu gewinnen, wobei aus dem zugehörigen
Drehmomentenwert der Kurve 9 der Wert des Fügemoments
MFüg und damit der Fügepunkt ermittelt werden. Aufgrund
des stetigen Verlaufs der Kurve 9 im Bereich des Füge
punktes 10 ist der stufenförmige Übergang 13 der Kurve
12 tatsächlich durch eine angenähert S-förmige Gestalt
charakterisiert und es kann beispielsweise der in der
Mitte des S-förmigen Übergangs 13 befindliche Krümmungs
wendepunkt als Meßwert von ϕFüg herangezogen werden.
Drehwinkel ϕ und Drehmoment Md werden zweckmäßigerwei
se durch elektrische Größen nachgebildet und die Ermitt
lung der den Kurven 9 und 12 entsprechenden Funktionen
sowie die Feststellung des Fügepunktes ausgehend von
obigen Ausführungen kann in an sich bekannter, grund
sätzlich beliebiger Weise erfolgen.
Wesentlich ist, daß ausgehend von dem auf diese Weise
festgestellten Fügepunkt 10 entweder gemäß einem festen
Drehwinkel ϕSpann oder gemäß einem fest vorgegebenen
Drehmomentwert MSpann der Schraubvorgang bis zum Errei
chen des Abschaltpunktes 11 fortgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zur Realisierung
einer definierten und insbesondere reproduzierbaren
Schraubenvorspannkraft, welche durch den Drehmomentwert
MSpann bzw. den Drehwinkel ϕSpann vorgebbar ist. Je
nach der Lage des Fügepunktes kann somit das Abschaltmo
ment absolut entsprechend der Streuung des Fügemomentes
streuende Werte haben.
Claims (3)
1. Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung
zwischen zwei Bauteilen, wobei der Schraubvorgang
unter Messung von Drehmoment und/oder Drehwinkel
erfolgt und bei Erreichung eines durch Drehmoment
und/oder Drehwinkelmeßwerte beschreibbaren Abschalt
punktes beendet wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Fügepunkt (10) des Schraubvorganges festge stellt wird und
- - daß der Schraubvorgang bis zur Erreichung eines, von dem Fügepunkt (10) aus gemessenen, vorgebbaren Drehmoment- oder Drehwinkelmeßwertes beschreibbaren Abschaltpunktes (11) fortgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- - daß eine Funktion Md = M(ϕ) gemessen wird, wobei Md das für den Schraubvorgang aufzuwendende Drehmo ment und ϕ den Drehwinkel bezeichnen,
- - daß aus der Funktion Md eine den Differentialquo tienten M′(ϕ) = dM/d ϕ beschreibende Funktion gebildet wird und
- - daß der Fügepunkt (10) aus dem Verlauf der Funktion M′(ϕ) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Funktion Md* = Md*(t) gemessen wird, wobei
Md* das für den Schraubvorgang aufzuwendende Drehmo
ment und t die Zeit bezeichnen,
- - daß aus der Funktion Md* eine den Differentialquo tienten M*′(t) = dMd*/dt beschreibende Funktion gebildet wird und daß der Fügepunkt aus dem Verlauf der Funktion Md*′(t) ermittelt wird.
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