DE4214354C2 - Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung - Google Patents

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 dm_A/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 dm_L/dϕ gebildet wird, woraufhin auch letzterer Differentialquotient gespeichert wird. Aus der Gesamtheit dieser Werte wird ein Endanzugsmoment M_AE errechnet und es wird die Schraubverbindung an­ schließend nach Maßgabe dieses Wertes M_AE 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 M_d beschreibenden Funktion eine deren Differentialquotienten M_d′ 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 M_d 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 M_d′ 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 M_d* 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 M_d* 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 M_d aufgetragen sind. Der Schraubvorgang ist beispielhaft anhand dreier Kurven 1, 2, 3 dargestellt, die jeweils einen Funktionszusammenhang M_d = M_{d( 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 M_d 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 M_d 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 M_d und auf dessen Abszisse der Drehwinkel ϕ aufgetragen sind. Mit 9 ist eine, den Schraubvorgang charakterisierende Kurve be­ zeichnet, welche den Funktionszusammenhang M_d = M_{d( 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 M_Füg, nämlich ein Fügemoment und ein Drehwinkel ϕ_Füg, nämlich der Fügewinkel ermittelt. Ausgehend von dem Fügepunkt 10 wird nunmehr nach Maßgabe eines fest vorgegebenen Dreh­ momentwertes M_Spann oder eines fest vorgegebenen Dreh­ winkelwertes ϕ_Spann 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 M_Spann bemessen sind, erreichbar ist.

Zur Ermittlung des Fügepunktes werden erfindungsgemäß das Drehmoment M_d und der Drehwinkel ϕ entlang der Kurve 9 kontinuierlich gemessen, wobei die Funktion M_d = M_{d( ϕ )} nach bekannten Methoden zur Ermittlung einer, den Differentialquotienten dM_d/d = M_{d′( 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 ϕ_Füg zu gewinnen, wobei aus dem zugehörigen Drehmomentenwert der Kurve 9 der Wert des Fügemoments M_Füg 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 ϕ_Füg herangezogen werden. Drehwinkel ϕ und Drehmoment M_d 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 ϕ_Spann oder gemäß einem fest vorgegebenen Drehmomentwert M_Spann 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 M_Spann bzw. den Drehwinkel ϕ_Spann 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 M_d = M(ϕ) gemessen wird, wobei M_d das für den Schraubvorgang aufzuwendende Drehmo­ ment und ϕ den Drehwinkel bezeichnen,
• - daß aus der Funktion M_d 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 M_d* = M_d*(t) gemessen wird, wobei M_d* das für den Schraubvorgang aufzuwendende Drehmo­ ment und t die Zeit bezeichnen,

• - daß aus der Funktion M_d* eine den Differentialquo­ tienten M*′(t) = dM_d*/dt beschreibende Funktion gebildet wird und daß der Fügepunkt aus dem Verlauf der Funktion M_d*′(t) ermittelt wird.