EP3093107A1 - Schraubeinheit sowie verfahren zum einschrauben einer schraube in ein werkstück - Google Patents

Schraubeinheit sowie verfahren zum einschrauben einer schraube in ein werkstück Download PDF

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EP3093107A1
EP3093107A1 EP16169427.8A EP16169427A EP3093107A1 EP 3093107 A1 EP3093107 A1 EP 3093107A1 EP 16169427 A EP16169427 A EP 16169427A EP 3093107 A1 EP3093107 A1 EP 3093107A1
Authority
EP
European Patent Office
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screwing
torque
torque curve
monitoring module
head rest
Prior art date
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Granted
Application number
EP16169427.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3093107B1 (de
Inventor
Rolf Pfeiffer
Carsten Rosenkranz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deprag Schulz GmbH u Co
Original Assignee
Deprag Schulz GmbH u Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Deprag Schulz GmbH u Co filed Critical Deprag Schulz GmbH u Co
Publication of EP3093107A1 publication Critical patent/EP3093107A1/de
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Publication of EP3093107B1 publication Critical patent/EP3093107B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers

Definitions

  • the invention relates to a screw unit and a method for screwing screws into a workpiece, wherein the screw unit comprises a control unit which is designed to detect a head rest of a screw head on the workpiece and for this purpose has a monitoring module, which for detecting current torque values and for monitoring a torque curve is formed during a respective screwing.
  • the screwing operation can generally be divided into a first phase of screwing in the screw until the so-called head support and a subsequent second phase in which the screw is tightened.
  • the torque characteristic usually changes markedly and it is often also a changeover of the screwdriver drive from a first mode to a second tightening mode.
  • the torque increases.
  • the detection of the headrest or the detection of the torque present at the head is often a decisive criterion for the subsequent tightening of the screw, which takes place, for example, angle-controlled.
  • the reliable recognition of the headrest is a particular problem when the screw unit is used for a variety of different applications, in which therefore a wide variety of torque curves can occur during the screwing.
  • the torque is monitored for a characteristic change, i. the gradient of the torque curve is considered. A steep increase in torque is then often identified as reaching the headrest.
  • Self-tapping screws are generally understood to mean screws which, when screwed into the workpiece, form the thread in the workpiece. This can be done without cutting or machining, as for example in the so-called self-tapping screws. In such self-tapping screws occur naturally during the screwing during the first phase until reaching the head restraint much higher and especially fluctuating torques than for example when screwing a screw in a prefabricated thread. In addition, the required torques also depend heavily on the particular application, in particular on the choice of material of the workpiece but also on the geometric-constructive design of the screw.
  • the screwing unit for a reliable headrest recognition currently has to be parametrically configured, that is, it must be taught-in to the respective application. This is on the one hand associated with a considerable amount of time. On the other hand, this also requires a special know-how. Unless the operating personnel have sufficient know-how, this can lead to incorrect screw connections.
  • the present invention seeks to ensure a reliable automated screwing of screws into a workpiece, in particular of self-tapping screws in a workpiece.
  • the screw unit is generally used for automated screwing of screws into a workpiece and for this purpose has a control unit which is designed to detect a head rest of a screw head on the workpiece.
  • the control unit has a monitoring module which is designed to detect current torque values and to monitor a torque curve, that is to say the time profile of the torque values, during a respective screwing-in operation.
  • the torque curve is detected as a function of a rotation angle with which the screw is screwed. As far as in the present case is spoken of detection of the angle of rotation, these are also associated with the rotation angle correlated parameters, such as. Rotational speed and / or time to understand.
  • torque values or “torque curve” is used in this case, this is preferably understood to mean the actual absolute torque values and the actual absolute torque curve.
  • torque values are also understood as meaning additional parameters which correlate with the torque values. These are, for example, engine parameters of a particular electric drive motor, which are correlated with the actual torque exerted, in particular in such a way that the torque curve can be determined from these further parameters, for example with the aid of a mathematical model. Such a parameter may also be, for example, a motor current of an electric motor.
  • the monitoring module is designed such that it derives a trend line and predetermines a tolerance line during screwing in up to the head rest for the torque progression. Furthermore, the monitoring module is designed such that it identifies the reaching of the head rest when the trend line (L) or the torque curve intersects the tolerance line at an intersection. Based on the thus identified head restraint then causes the monitoring module that the screw is tightened defined.
  • the trend line is derived from previous torque values and continuously adjusted so that the current trend is continuously taken into account to determine the trend line.
  • the intersection between the trend line and the tolerance line is used for determining the head rest.
  • a change in the slope of the torque curve is taken into account. This is based on the consideration that on reaching the torque support, the slope of the curve of the torque changes significantly and strikingly and this can therefore be evaluated as a particularly reliable indication of the achievement of the headrest while avoiding error results.
  • the slope of the torque curve is generally first determined and additionally the change of this slope is considered, ie for the trend line is continuously determined during the screwing a value dependent on the rotation angle value as a current trend line value, in each of the currently determined change the slope of the torque curve (based on the slope at a previous rotation angle range) received.
  • the trend line is therefore constructed successively and continuously during the screwing-in process by the individual determined trend line values and in dependence on the rotation angle.
  • a first gradient of the torque curve within a first range of the rotational angle and a momentary gradient of the torque curve within a current range of the rotational angle are determined.
  • the instantaneous range of the angle of rotation is an angular range of, for example, several degrees, in particular up to the current angle of rotation during screwing. From the determined first slope and the current slope, the change is derived, from which then the current trend line value is determined.
  • the two areas preferably extend over a same angular range.
  • the first (earlier) slope and the instantaneous slope are set in relation to one another for the determination of the respective instantaneous value of the trend line, preferably by quotient formation or by subtraction.
  • the particular advantage is achieved that the trend line during the normal screwing until reaching the head restraint shows a more or less constant course, as usually during the screwing torque typically increases continuously, d. H. the slope of the torque curve is constant. In the case of quotient formation, this leads to a constant value. In a subtraction, this typically results in a zero line. Only when reaching the head rest, the slope of the torque increases significantly, which is reflected in a particularly steep rise of the trend line, so that the intersection with the tolerance line clearly identifies the achievement of the headrest.
  • a mathematical averaging is performed over the respective angular region according to a first variant.
  • the mathematical averaging only the end points of this area are considered and from this the slope is determined.
  • the particular fixed angle range for the determination of the first or the current slope preferably extends over several 10 degrees and extends, for example, over a quarter (90 degrees), half (180 degrees), three quarters (270 degrees) or even complete (360 degrees) turn.
  • the regions (first region and instantaneous region) of the angle of rotation which are taken into account for determining the change in the gradient are furthermore preferably spaced apart from one another, in particular by a fixed angle of rotation.
  • the two areas do not overlap. Since the momentary area continuously shifts with the screwing, this also applies to the first area.
  • the distance between the two areas is preferably several tens of degrees and is in particular 60, 90, 120, 180, or 360 degrees.
  • a fixed, constant value is preferably specified for the tolerance line.
  • This value can be a parameterizable value, i. H. on the part of the operator, this value can be set for the tolerance line. In principle, however, this can be determined by the manufacturer irrespective of the respective application, so that it is no longer necessary for a user-side adjustment. Due to the specific measure described here, with the characteristic rise of the trend line only when the head rest is reached, the value for the tolerance line for a reliable determination of the head rest is less critical.
  • this also shows a particular advantage of this method, that this just does not require any parameterization that has to be made by the user.
  • automatic monitoring functions for automated screwing operations frequently require that the user requires parameterizations / settings, for example on window widths, etc., in order to obtain these, e.g. for mathematical operations such as filter functions or averaging.
  • these parameterizations often have a very sensitive effect on the error rate, so that such parameterizations require a certain amount of know-how and knowledge about the stored calculation processes.
  • the change in the gradient is multiplied by a superelevation factor in order to determine the current trend line value.
  • the determined change of the slope is multiplied by an additional factor, so that the characteristic change and the characteristic increase are even more clearly emphasized in the course of the trend line. This also serves to reliably avoid errors in the detection of the headrest.
  • the superelevation factor increases with increasing rotation angle.
  • the instantaneous value of the torque and / or the derivative thereof is used.
  • the superelevation factor is formed from a product of several of these quantities, in particular a product of the momentary value for the torque and its derivative. At least, such a product is included in the Kochhöhungstex. This configuration is generally based on the fact that the torque curve increases continuously and that the achievement of the headrest typically takes place only after a few revolutions of the screw, ie at a later angle of rotation and that also on reaching the headrest and the slope increases sharply.
  • the intersection between the torque curve and the tolerance line is determined according to a second variant.
  • the trend line reflects an assumed curve of the torque and the tolerance line is spaced by a tolerance distance from the trend line.
  • the trend line is a straight line with a specified slope, and the tolerance line runs parallel to it by a fixed tolerance distance.
  • different trend lines which differ with regard to their initial value and / or their pitch, as well as additionally or alternatively also different tolerance distances are stored for this purpose.
  • the monitoring module is suitably designed.
  • this is an implemented algorithm, which detects and evaluates an input signal correlated to the current torque value as an input value.
  • the algorithm is therefore integrated in the monitoring module and thus in the control unit and defines this functional-representational.
  • the trend line is derived from previous torque values during the screwing process and continuously adapted.
  • Previous torque refers to those torque values which have already been recorded during the current screwing process.
  • the conditions for detecting the headrest and thus, for example, the switching conditions for switching from the first phase to the second phase are continuously adapted and, in particular, noticeably improved.
  • the deposit of trend lines is waived.
  • the torque curve is detected here as a function of a course parameter.
  • a course parameter This is in particular a rotation angle with which the screw is screwed.
  • other parameters such as, for example, the rotational speed, can also be used as course parameters. Therefore, an interval range is set for this course parameter, which is evaluated to determine the future trend line.
  • an angle interval of at least 60 ° and preferably of at least 120 ° and a maximum of 180 ° or 360 ° is evaluated for the forecast of the trend line.
  • the trend line is preferably derived from the torque curve by means of a sliding averaging. This is understood to mean that an average value of a predetermined interval of the course parameter is formed continuously from the detected torque values.
  • the currently determined mean value plus the tolerance distance then defines the value of the tolerance line for the following, currently recorded torque value.
  • the tolerance distance is derived from previous torque values.
  • the previous torque values are again understood to mean, in particular, the torque values recorded during the respective screwing operation up to the current time.
  • the tolerance distance is therefore additionally adapted in particular continuously.
  • the dynamic adjustment of the tolerance distance is based on the consideration that based on the detected torque curve increasingly reliable statements about the variance and variance of the detected torque values can be made and therefore that the tolerance distance - starting from an initial or initial value - continuously adapted to improve the accuracy can be.
  • the tolerance distance is also determined using a statistical function as a measure of statistical deviation, e.g. Standard deviation determined from the previously recorded torque curve.
  • a fixed initial value for the tolerance range is used at the beginning of each screwing operation.
  • This tolerance range is chosen to be large enough to reliably preclude the beginning of the screwing that the actual torque curve cuts the tolerance line.
  • a single initial value is stored.
  • typed different initial values can also be stored, for example, as a function of typical screw pairings or depending on typical materials for the workpiece.
  • an initial interval of the torque curve remains unconsidered.
  • the initial interval is defined by the first values of the course parameter, ie in particular the angle of rotation.
  • the initial interval preferably extends Over an angular range of 180 ° or even 360 ° (half or full revolution), starting from a first torque increase due to the contact of the screw with the workpiece.
  • the intersection point gives the actual head restraint only - depending on the choice of the current tolerance distance delayed again.
  • a headrest point namely a headrest rotation angle and / or a headrest torque
  • mathematical methods such as a curve fit, etc., are used in particular.
  • the torque curve in a defined interval before the intersection is also interpolated and in particular approximated by a straight line.
  • the intersection of these two straight lines is then identified, for example, as the actual head rest.
  • an interval range before the intersection is preferably disregarded. This interval range is for example at several 10 °, for example at 30 ° or 60 °.
  • the gradient that is to say the change in the torque curve before reaching the point of intersection, is evaluated in an expedient embodiment. It will - like in previous torque monitoring - identified a characteristic change in the slope of the torque curve as reaching the actual headrest. In the present case, however, this is done only once, if in fact already before due to the point of intersection, the headrest has been identified in principle. The gradient formation therefore only serves to determine the exact time of the headrest, but not for the basic recognition of the headrest.
  • this determined actual head rest as a starting point for further tightening, so the second phase of the screwing used.
  • This tightening takes place in a conventional manner, for example, angle-controlled or torque-controlled.
  • the screw unit is in particular a unit provided with a suitably electric drive motor and the monitoring module evaluates an engine characteristic value for determining the torque curve.
  • This is, for example, the motor current as a basis for calculating the output torque.
  • the torque is measured directly with the help of a suitable transducer. This is, for example, a strain gauge or a so-called torque measuring shaft.
  • a screw unit 6 is provided. With the help of the screw 2, for example, a not shown here component is attached to the workpiece 4.
  • This has a particular designed as an electric motor drive unit 8, which is controlled by means of a control unit 10.
  • a spindle is set in a rotational movement about an axis of rotation. During the screwing process, this rotational movement is transmitted to the screw 2 with the aid of a frontally arranged attack element 12, for example a screwdriver bit or a tool key.
  • the screw 2 is, in particular, a self-tapping screw 2, which is thus screwed into the workpiece 4, without a thread being previously introduced in it.
  • the screw 2 has a screw head 14 and a threaded shaft 16.
  • the underside of the screw head 14 forms a head support surface 18.
  • FIG. 1 Three different states during a respective screwing process are shown. On the left side of the picture, the situation at the beginning of the screwing process is shown, in which therefore the screw 2 comes into contact with the workpiece 4 for the first time. By a suitable contact pressure and the rotational movement exerted by the drive unit 8, the screw 2 is then successively screwed into the workpiece 4 during a first phase of the screwing operation, until the so-called head rest K is reached, which in the center of the picture Fig. 1 is shown. In this so-called head rest K, the screw head 14 with its head support surface 18 reaches the surface of the workpiece 4, so comes to rest on this. The achievement of the head rest K is associated with a significant increase in torque.
  • the screw connections of particular interest here are, in particular, workpieces 4 made of a comparatively soft material, in particular wood, plastic or even light metals, such as aluminum and magnesium.
  • the control and monitoring of the screwing is done with the help of the control unit 10, as roughly simplified by the block diagram representation in Fig. 2 is shown.
  • the control unit 10 outputs a suitable control signal S to the drive unit 8. This can either be a control signal in the strict sense or to the release or switching off the power supply for the electric motor.
  • the control unit 10 for example, an integrated control module 20. This also detects, for example, the motor current picked up by the electric motor as a characteristic value for a torque m currently exerted on the screw 2 by the electric motor.
  • the control unit 10 further comprises a monitoring module 22, which receives, for example from the control module 20 as an input signal in each case a current torque value m i or at least one correlated to this characteristic.
  • the monitoring module 22 monitors the screwdriving process, in particular with regard to reaching the head restraint K. As soon as the monitoring module 22 has identified the head rest K, it emits a switching signal k s . This is transmitted, for example, to the control module 20, which then initiates and carries out the second phase of the screwing operation on the basis of the switching signal k s .
  • the monitoring module 22 is configured to evaluate the torque values m i .
  • the monitoring module 22 usually includes a microprocessor with an integrated algorithm, via which the torque values m i are evaluated in a suitable manner.
  • the principle of detection and determination of the head rest K is described below with reference to Fig. 3 explained in more detail.
  • the overall result is a torque curve M.
  • the individual torque values m i are preferably detected as a function of a rotation angle ⁇ .
  • This rotation angle ⁇ indicates the respective rotational position of the engagement element 12 and thus also of the screw 2.
  • a rotation of 360 ° means a full revolution of the screw 2 about its axis of rotation.
  • a so-called trend line L and a tolerance distance t are defined and preferably continuously adjusted during the respective screwing operation.
  • an upper tolerance line T To the tolerance distance t spaced from the trend line L is an upper tolerance line T, which thus quasi an upper limit of an allowable torque m for each currently detected torque value m i indicates.
  • an initial tolerance distance t is given, which is initially chosen sufficiently large.
  • the first torque values m i are expediently not considered both for the determination of the trend line L and for the tolerance line T derived therefrom.
  • the tolerance line T is determined, for example, only after an initial interval a, for example after an angular range of 60 °.
  • the first point of the tolerance line T results from the detected actual torque value m i plus the initial tolerance distance t.
  • the trend line L results on both sides of a tolerance range and thus a total of a trend channel, within which the torque values m i can fluctuate without K is recognized on head rest.
  • the trend line L is adjusted dynamically. For this purpose, for example, a moving averaging is performed. As a result, a curve which is smoothed in comparison to the torque curve M, which follows the torque curve M, therefore results overall for the trend line L.
  • the tolerance distance t there is also a dynamic adaptation of the tolerance distance t starting from the initial value at the beginning.
  • a statistical evaluation of the torque curve M is made and, for example, a value for a permissible deviation, for example the standard deviation, is determined from the previously recorded torque curve M.
  • the tolerance distance t is therefore directly correlated, in particular, with a statistical dispersion / deviation of the detected torque values m i .
  • the tolerance distance t therefore indicates a measure of an allowable scattering of the individual torque values m i .
  • the torque curve M is evaluated in a suitable manner in the region of the point of intersection S. Specifically, for example, in a defined angular interval before reaching the point of intersection P, the change .DELTA.m / .DELTA..alpha. Of the torque m is evaluated with respect to a characteristic increase, which then corresponds to reaching the actual head rest K at a defined head rest turning angle ⁇ (K) and / or a defined headrest rotation angle m (K) is evaluated.
  • a respective instantaneous value for the trend line L is determined continuously, ie at defined rotational angle distances of, for example, less than 10 degrees (eg 5-10 degrees).
  • the instantaneous rotation angle range is in particular a rotation angle range starting from the actual achieved rotation angle ⁇ when the screw is screwed in.
  • the range of rotation angle typically extends over several tens of degrees, or alternatively over a quarter turn (90 degrees), a half turn (180 degrees), a three quarter turn (270 degrees) or even a full turn (360 degrees).
  • the first rotation angle range is spaced from the current rotation angle range, and preferably also several tens of degrees, or even 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees, or 360 degrees.
  • distance means the distance between the initial values (or between the end values) of the two rotation angle ranges.
  • the slope of the curve of the torque is then calculated in each case.
  • the mean value of the gradient is determined for the respective rotation angle range, or the slopes are derived from the two end points of the respective rotation angle range. Due to the at least largely constant slope until reaching the head rest, the ascertained inclination values for the first area and the current area until reaching the head rest K are usually at least almost identical.
  • the two slopes are then set in relation to each other and preferably by quotient or by subtraction, so that the desired constant value is obtained, as can be seen from the diagram.
  • the value thus obtained is still weighted with an increase factor.
  • This is, for example, the instantaneous value m i for the torque M. Since this value typically increases continuously, deflections are weighted and increased more strongly as the rotation angle ⁇ increases. This measure therefore enhances the characteristic increase of the trend line when reaching the head rest K.
  • the actual headrest K is reached at the top contact point, ie at the headrest rotation angle ⁇ (K) and / or at the headrest torque m (K).
  • a straight line approximating the torque curve for the course of the torque M after reaching the point of intersection P and a corresponding straight line before reaching the point of intersection P are determined and their point of intersection is evaluated as head contact point ⁇ (K), m (K).
  • m (K) then takes the tightening of the screw, for example, rotational angle or torque controlled.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Schraubeinheit (6) dient zum prozesssicheren Einschrauben insbesondere von selbstformenden Schrauben (2) in ein Werkstück (4). Zur zuverlässigen Erkennung einer Kopfauflage (K) wird ein Drehmomentverlauf (M) überwacht. Für den Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zur Kopfauflage (K) wird eine Trendlinie (L) sowie eine Toleranzlinie (T) festgelegt und es wird auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkannt, wenn die Trendlinie oder der erfasste Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) an einem Schnittpunkt (P) schneidet. Durch diese Bestimmung der Kopfauflage (K) ist eine universelle Bestimmung unabhängig von der jeweiligen Schraubpaarung und unabhängig von der jeweiligen Materialwahl des Werkstücks (4) insbesondere ohne aufwändige Parametrierung ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schraubeinheit sowie ein Verfahren zum Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück, wobei die Schraubeinheit eine Steuereinheit umfasst, die zur Erkennung einer Kopfauflage eines Schraubenkopfes auf dem Werkstück ausgebildet ist und hierzu ein Überwachungsmodul aufweist, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist.
  • Bei automatisierten Einschraubvorgängen mit Hilfe von motorisch angetriebenen Schraubeinheiten, auch kurz als Schrauber bezeichnet, wird der Schraubvorgang häufig in Abhängigkeit einer Kenngröße gesteuert und überwacht. Hierdurch soll eine zuverlässige Schraubverbindung gewährleistet werden. Insbesondere bei automatisierten Schraubvorgängen, beispielsweise in einer Fertigungsstraße mit hohen Taktraten, kommt es hierbei entscheidend auf eine zuverlässige Steuerung des Schraubvorgangs mit hoher Fehlersicherheit an.
  • Der Schraubvorgang lässt sich allgemein in eine erste Phase des Einschraubens der Schraube bis zur sogenannten Kopfauflage und einer anschließenden zweiten Phase, bei der die Schraube festgezogen wird, unterteilen. Nach Erreichen der Kopfauflage, wenn also die Schraube mit ihrem Schraubenkopf auf einer Werkstückoberseite zum Anliegen kommt, verändert sich die Drehmomentcharakteristik üblicherweise markant und es erfolgt häufig auch ein Umstellen des Schrauberantriebs von einem ersten Modus in einen zweiten Festzieh-Modus. Insbesondere beim Festziehen der Schraube steigt das Drehmoment an. Bei automatischen Schraubvorgängen kommt es dabei darauf an, den Schraubvorgang beispielsweise bei einem definierten Abschaltdrehmoment zu beenden. Aus der EP 0 559 937 A1 wird zur Bestimmung eines Abschaltdrehmoments ein Verfahren beschrieben, bei dem das Erkennen eines linearen Anstiegs während des Festziehens der Schraube innerhalb eines vorgegebenen Toleranzschlauches zur Bestimmung eines Abschaltdrehmoments herangezogen wird.
  • Dabei ist das Erkennen der Kopfauflage bzw. das Erkennen des bei Kopfauflage vorliegenden Drehmoments häufig ein entscheidendes Kriterium für das nachfolgende Anziehen der Schraube, welches beispielsweise winkelgesteuert erfolgt.
  • Das sichere Erkennen der Kopfauflage stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn die Schraubeinheit für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsfällen eingesetzt wird, bei denen also unterschiedlichste Drehmomentverläufe während des Einschraubvorgangs auftreten können. Üblicherweise wird zur Erkennung der Kopfauflage das Drehmoment im Hinblick auf eine charakteristische Änderung überwacht, d.h. es wird der Gradient des Drehmomentverlaufs betrachtet. Ein steiler Anstieg des Drehmoments wird dann häufig als Erreichen der Kopfauflage identifiziert.
  • Die Bestimmung der Kopfauflage mit einem derartigen Konzept ist jedoch insbesondere bei sogenannten selbstformenden Schrauben nur mit Aufwand umzusetzen. Unter selbstformenden Schrauben werden allgemein derartige Schrauben verstanden, die beim Einschrauben in das Werkstück das Gewinde im Werkstück formen. Dies kann spanlos oder auch spanend, wie beispielsweise bei den sogenannten selbstschneidenden Schrauben erfolgen. Bei derartigen selbstformenden Schrauben treten naturgemäß beim Einschraubvorgang während der ersten Phase bis zum Erreichen der Kopfauflage deutlich höhere und insbesondere auch fluktuierende Drehmomente auf als beispielsweise beim Einschrauben einer Schraube in ein vorgefertigtes Gewinde. Hinzu kommt, dass die erforderlichen Drehmomente auch stark vom jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere von der Materialwahl des Werkstücks aber auch von der geometrisch-konstruktiven Ausgestaltung der Schraubverbindung abhängen.
  • Für einen jeweiligen Anwendungsfall muss gegenwärtig die Schraubeinheit für eine zuverlässige Kopfauflage-Erkennung aufwändig parametriert werden, also auf den jeweiligen Anwendungsfall eingelernt werden. Dies ist zum einen mit einem nicht unerheblichen Zeitaufwand verbunden. Zum anderen setzt dies auch ein besonderes Know how voraus. Sofern das Bedienpersonal nicht über ausreichendes Know how verfügt, kann dies zu Fehlverschraubungen führen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein prozesssicheres automatisiertes Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück, insbesondere von selbstformenden Schrauben in ein Werkstück zu gewährleisten.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schraubeinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf die Schraubeinheit angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
  • Die Schraubeinheit dient allgemein zum automatisierten Einschrauben von Schrauben in ein Werkstück und weist hierzu eine Steuereinheit auf, die zur Erkennung einer Kopfauflage eines Schraubenkopfes auf dem Werkstück ausgebildet ist. Die Steuereinheit weist hierzu ein Überwachungsmodul auf, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs, also des zeitlichen Verlaufs der Drehmomentwerte, während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist. Grundsätzlich wird hierbei der Drehmomentverlauf in Abhängigkeit eines Drehwinkels erfasst, mit dem die Schraube eingedreht wird. Sofern vorliegend von Erfassung des Drehwinkels gesprochen wird, so sind hierunter auch mit dem Drehwinkel korrelierte Parameter, wie z.B. Drehgeschwindigkeit und / oder Zeit zu verstehen.
  • Sofern vorliegend von "Drehmomentwerten" oder "Drehmomentverlauf" gesprochen wird, so werden hierunter zwar vorzugsweise die tatsächlichen absoluten Drehmomentwerte und der tatsächliche absolute Drehmomentverlauf verstanden.
  • Grundsätzlich werden jedoch unter "Drehmomentwerten" auch weitere Parameter verstanden, die in Korrelation zu den Drehmomentwerten stehen. Dies sind beispielsweise Motorparameter eines insbesondere elektrischen Antriebsmotors, die mit dem tatsächlich ausgeübten Drehmoment korreliert sind, und zwar insbesondere derart, dass sich aus diesen weiteren Parametern der Drehmomentverlauf ermitteln lässt, beispielsweise mit Hilfe eines mathematischen Modells. Bei einem derartigen Parameter kann es sich auch beispielsweise um einen Motorstrom eines Elektromotors handeln.
  • Um nunmehr eine Kopfauflage bei einem jeweiligen Einschraubvorgang zuverlässig zu identifizieren ist das Überwachungsmodul derart ausgebildet, dass es während des Einschraubens bis zur Kopfauflage für den Drehmomentverlauf eine Trendlinie ableitet sowie eine Toleranzlinie vorgibt. Weiterhin ist das Überwachungsmodul derart ausgebildet, dass es das Erreichen der Kopfauflage identifiziert, wenn die Trendlinie (L) oder der Drehmomentverlauf die Toleranzlinie an einem Schnittpunkt schneidet. Ausgehend von der derart identifizierten Kopfauflage veranlasst dann das Überwachungsmodul, dass die Schraube definiert festgezogen wird.
  • Allgemein wird die Trendlinie aus vorhergehenden Drehmomentwerten abgeleitet und kontinuierlich angepasst, sodass also der aktuelle Verlauf kontinuierlich berücksichtigt wird, um die Trendlinie zu ermitteln.
  • Von wesentlicher Bedeutung ist, dass ein Schnittpunkt des Verlaufs der Trendlinie oder des Drehmoments mit der Toleranzlinie ermittelt und dadurch die Kopfauflage identifiziert wird. Dies beruht auf der Überlegung, dass beim Erreichen der Kopfauflage eine charakteristische Veränderung des Drehmomentverlaufs eintritt, die sich in der Trendlinie oder direkt im Drehmomentverlauf niederschlägt. Durch das Festlegen einer Toleranzlinie werden natürliche Schwankungen beim Drehmomentverlauf nicht fälschlicherweise als Erreichen der Kopfauflage identifiziert.
  • In bevorzugter Ausgestaltung wird der Schnittpunkt zwischen der Trendlinie und der Toleranzlinie für die Ermittlung der Kopfauflage herangezogen. Insbesondere wird für die Ermittlung der Trendlinie dabei eine Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs berücksichtigt. Dies beruht auf der Überlegung, dass sich bei Erreichen der Drehmomentauflage die Steigung des Verlaufs des Drehmoments, sich deutlich und markant ändert und dies daher als ein besonders sicheres Indiz für das Erreichen der Kopfauflage unter Vermeidung von Fehlergebnissen ausgewertet werden kann. Für die Ermittlung der Trendlinie wird daher allgemein zuerst die Steigung des Drehmomentverlaufes bestimmt und zusätzlich die Änderung dieser Steigung betrachtet, d. h. für die Trendlinie wird kontinuierlich während des Schraubvorgangs ein vom Drehwinkel abhängiger Wert als momentaner Trendlinien-Wert ermittelt, in den jeweils die aktuell ermittelte Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs (bezogen auf die Steigung bei einem vorhergehenden Drehwinkelbereich) eingeht. Die Trendlinie wird daher während des Einschraubvorgangs sukzessive und kontinuierlich durch die einzelnen ermittelten Trendlinie- Werte und in Abhängigkeit des Drehwinkels aufgebaut.
  • Die Berücksichtigung der Änderung der Steigung führt insgesamt dazu, dass die Trendlinie bei Erreichen der Kopfauflage eine besonders starke Reaktion zeigt, welche dann zuverlässig und sicher zur Identifizierung der Kopfauflage führt.
  • Zur Ermittlung der Änderung der Steigung wird dabei insbesondere auf mathematische Funktionen oder Operationen zurückgegriffen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung werden dabei eine erste Steigung des Drehmomentverlaufs innerhalb eines ersten Bereichs des Drehwinkels sowie eine momentane Steigung des Drehmomentverlaufs innerhalb eines momentanen Bereichs des Drehwinkels ermittelt. Der momentane Bereich des Drehwinkels ist ein Winkelbereich von beispielsweise mehreren Grad, insbesondere bis zum aktuellen Drehwinkel beim Einschraubvorgang. Aus der so ermittelten ersten Steigung und der momentanen Steigung wird die Änderung abgeleitet, aus der dann der momentane Trendlinien-Wert bestimmt wird. Die beiden Bereiche erstrecken sich dabei vorzugsweise über einen gleichen Winkelbereich.
  • In zweckdienlicher Weise wird weiterhin für die Bestimmung des jeweiligen momentanen Werts der Trendlinie die erste (frühere) Steigung sowie die momentane Steigung in Relation zueinander gesetzt und zwar vorzugsweise durch Quotientenbildung oder durch Subtraktion.
  • Durch diese Maßnahme wird der besondere Vorteil erreicht, dass die Trendlinie während des normalen Einschraubvorgangs bis zum Erreichen der Kopfauflage einen mehr oder weniger konstanten Verlauf zeigt, da üblicherweise während des Einschraubvorgangs das Drehmoment typischerweise kontinuierlich ansteigt, d. h. die Steigung des Drehmomentverlaufs ist konstant. Bei einer Quotientenbildung führt dies zu einem konstanten Wert. Bei einer Subtraktion führt dies typischerweise zu einer Null-Linie. Erst bei Erreichen der Kopfauflage nimmt die Steigung des Drehmoments deutlich zu, was sich in einem besonders steilen Anstieg der Trendlinie niederschlägt, sodass der Schnittpunkt mit der Toleranzlinie eindeutig das Erreichen der Kopfauflage identifiziert.
  • Zur Ermittlung der jeweiligen Steigung im ersten Bereich bzw. im momentanen Bereich wird dabei über den jeweiligen Winkelbereich gemäß einer ersten Variante eine mathematische Mittelwertbildung vorgenommen. Alternativ zu der mathematischen Mittelwertbildung werden lediglich die Endpunkte dieses Bereichs betrachtet und aus diesen die Steigung bestimmt.
  • Der insbesondere feste Winkelbereich für die Bestimmung der ersten bzw. der momentanen Steigung erstreckt sich dabei vorzugweise jeweils über mehrere 10 Grad und erstreckt sich beispielsweise auch über eine viertel (90 Grad), halbe (180 Grad), dreiviertel (270 Grad) oder auch vollständige (360 Grad) Umdrehung.
  • Die für die Ermittlung der Änderung der Steigung berücksichtigten Bereiche (erster Bereich sowie momentaner Bereich) des Drehwinkels sind weiterhin vorzugsweise voneinander beabstandet und zwar insbesondere um einen festen Drehwinkel. Die beiden Bereiche überlappen sich nicht. Da sich der momentane Bereich kontinuierlich mit dem Einschraubvorgang verschiebt gilt dies auch für den ersten Bereich. Der Abstand zwischen den beiden Bereichen (bezogen jeweils auf den Anfangs- oder Endpunkt des Bereiches) beträgt dabei vorzugsweise mehrere 10 Grad und liegt insbesondere bei 60, 90, 120, 180, oder 360 Grad.
  • Vor dem Hintergrund der bis zum Erreichen der Kopfauflage üblicherweise konstanten Trendlinie wird für die Toleranzlinie vorzugsweise ein fester, konstanter Wert vorgegeben. Bei diesem Wert kann es sich um einen parametrisierbaren Wert handeln, d. h. seitens des Bedieners ist dieser Wert für die Toleranzlinie einstellbar. Grundsätzlich kann dieser jedoch unabhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall herstellerseitig festgelegt werden, so dass keine anwenderseitige Einstellung mehr erforderlich ist. Durch die hier beschriebene spezielle Maßnahme mit dem charakteristischen Anstieg der Trendlinie lediglich bei Erreichen der Kopfauflage ist der Wert für die Toleranzlinie für eine zuverlässige Bestimmung der Kopfauflage weniger kritisch.
  • Insgesamt zeigt sich dadurch auch ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens, dass dieses eben keine Parametrisierung verlangt, die vom Anwender vorgenommen werden muss. Bei automatischen Überwachungsfunktionen für automatisierte Einschraubvorgänge ist nämlich häufig erforderlich, dass vom Benutzer Parametrisierungen / Einstellungen beispielsweise zu Fensterbreiten etc. erforderlich sind, um diese z.B. für mathematische Operationen wie Filterfunktionen oder Mittelwertbildungen vorzugeben. Diese Parametrisierungen wirken sich jedoch häufig sehr sensitiv auf die Fehlerquote aus, sodass derartige Parametrisierungen ein gewisses Know-How und Kenntnis über die hinterlegten Berechnungsvorgänge erfordert.
  • In zweckdienlicher Weiterbildung wird zur Ermittlung des momentanen Trendlinien-Werts die Änderung der Steigung mit einem Überhöhungsfaktor multipliziert. Zur Ermittlung des momentanen Werts der Trendlinie wird daher die ermittelte Änderung der Steigung mit einem zusätzlichen Faktor multipliziert, sodass die charakteristische Änderung und der charakteristische Anstieg im Verlauf der Trendlinie noch deutlicher hervorgehoben werden. Auch dies dient zur zuverlässigen Vermeidung von Fehlern bei der Erkennung der Kopfauflage.
  • Zweckdienlicherweise nimmt dabei der Überhöhungsfaktor mit zunehmendem Drehwinkel zu. Ergänzend oder alternativ wird der momentane Wert des Drehmoments und/ oder die Ableitung hiervon verwendet. Insbesondere wird der Überhöhungsfaktor aus einem Produkt mehrerer dieser Größen gebildet, insbesondere aus einem Produkt des momentanen Werts für das Drehmoment sowie dessen Ableitung. Zumindest geht ein solches Produkt in den Überhöhungsfaktor ein. Diese Ausgestaltung beruht allgemein darauf, dass der Drehmomentverlauf kontinuierlich zunimmt und dass das Erreichen der Kopfauflage typischerweise erst nach einigen Umdrehungen der Schraube, also bei einem späteren Drehwinkel erfolgt und dass zudem bei Erreichen der Kopfauflage auch die Steigung stark zunimmt. Durch diese Maßnahme werden daher eventuell auftretende Schwankungen beim normalen Eindrehen der Schraube vor Erreichen der Kopfauflage mit einem geringeren Faktor gewichtet, sodass selbst bei einem ungünstigen Drehmomentverlauf die Trendlinie allenfalls geringfügig ansteigt. Auch dies dient zur Vermeidung von Fehlern bei der Erkennung der Kopfauflage.
  • Alternativ zu dieser bevorzugten ersten Methode zur Ermittlung des Schnittpunkts zwischen der Trendlinie (als charakteristisches Maß für eine Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs) und der Toleranzlinie wird gemäß einer zweiten Variante der Schnittpunkt zwischen dem Drehmomentverlauf und der Toleranzlinie ermittelt. Die Trendlinie gibt dabei einen angenommenen Verlauf des Drehmoments wider und die Toleranzlinie ist um einen Toleranzabstand von der Trendlinie beabstandet.
  • Bei dieser Ausgestaltung wird daher insbesondere lediglich der absolute Drehmomentverlauf betrachtet und mit einer zu erwartenden Trendlinie für die erste Phase des Schraubvorgangs bis zum Erreichen der Kopfauflage verglichen. Durch die Festlegung eines Toleranzabstands wird quasi ein "Trendkanal" vorgegeben, innerhalb dessen der tatsächliche Drehmomentverlauf schwanken darf, ohne dass das Erreichen einer Kopfauflage identifiziert wird. Es wird lediglich überprüft, wann der tatsächliche Momentanwert für das Drehmoment den Trendkanal verlässt. Von besonderem Vorteil hierbei ist, dass für die Erkennung der Kopfauflage keine Gradientenbildung für das Drehmoment erforderlich und auch nicht vorgesehen ist. Kurzzeitige sprunghafte Änderungen im Drehmoment, beispielsweise bedingt durch Materialinhomogenitäten, die beim selbstformenden Einschrauben bereits vor der Kopfauflage zu einem kurzfristigen Drehmomentanstieg führen, führen daher nicht zu einem falschen Erkennen einer Kopfauflage, wie dies bei der reinen Auswertung des Gradienten des Drehmomentverlaufs erfolgen würde.
  • Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Trendlinie um eine Gerade mit einer festgelegten Steigung und die Toleranzlinie verläuft um einen fest definierten Toleranzabstand parallel hierzu. Für unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierzu beispielsweise unterschiedliche Trendlinien, die sich im Hinblick auf ihren Anfangswert und/oder ihrer Steigung unterscheiden, sowie ergänzend oder alternativ auch unterschiedliche Toleranzabstände hinterlegt.
  • Zur Durchführung dieser Überwachung ist das Überwachungsmodul geeignet ausgebildet. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen implementierten Algorithmus, welcher als Eingangswert ein zum aktuellen Drehmomentwert korreliertes Eingangssignal erfasst und auswertet. Der Algorithmus ist daher im Überwachungsmodul und dadurch in der Steuereinheit integriert und definiert diese insofern funktional-gegenständlich.
  • Auch bei dieser Variante wird die Trendlinie während des Schraubvorgangs aus vorhergehenden Drehmomentwerten abgeleitet und kontinuierlich angepasst. Unter vorhergehendem Drehmoment werden solche Drehmomentwerte verstanden, die beim aktuellen Schraubvorgang bereits erfasst wurden. Es erfolgt daher insgesamt eine dynamische, kontinuierliche Anpassung der Trendlinie an die aktuellen Gegebenheiten während des Schraubvorgangs selbst. Dadurch wird insgesamt ein Selbstlerneffekt erreicht. Durch diese kontinuierliche Anpassung werden daher auch die Bedingungen für die Erkennung der Kopfauflage und damit beispielsweise die Umschaltbedingungen für das Umschalten von der ersten Phase in die zweite Phase kontinuierlich angepasst und insbesondere zusehends verbessert. Bei dieser Variante der Adaption der Trendlinie an die aktuellen Gegebenheiten wird dabei insbesondere auf die Hinterlegung von Trendlinien verzichtet.
  • Ein entscheidender Vorteil dieser kontinuierlichen, dynamischen Anpassung ist darin zu sehen, dass hierdurch quasi eine Auto-Parametrierung auf die aktuell vorhandenen Bedingungen erfolgt. Bei diesem Selbstlernprozess gehen daher infolge der Auswertung des aktuellen Drehmomentverlaufs und der Prognose für die weitere Trendlinie die den Schraubvorgang charakterisierenden Parameterwerte, wie beispielsweise Materialeigenschaften des Werkstücks und/oder Material- sowie Geometrieeigenschaften der Schraube, automatisch ein und werden berücksichtigt, ohne dass es einer expliziten Parametrierung und Erfassung dieser verschiedenen Parameterwerte bei unterschiedlichen Anwendungen bedarf.
  • Zur Bestimmung der Trendlinie aus den vorhergehenden Drehmomentwerten werden vorzugsweise an sich bekannte, insbesondere mathematische Methoden ergriffen. So besteht die Möglichkeit, die bisher erfassten Messwerte durch einen geeigneten Kurvenfit zu approximieren und anhand des Kurvenfits die zukünftige Trendlinie festzulegen. Im einfachsten Fall wird bei diesem Kurvenfit der Drehmomentverlauf durch eine Gerade mit definierter Steigung approximiert. Hierbei wird vorzugsweise jeweils ein definiertes Auswerteintervall vorgegeben, welches für die Ermittlung und Prognose der weiteren Trendlinie herangezogen wird.
  • Der Drehmomentverlauf wird hierbei in Abhängigkeit eines Verlaufsparameters erfasst. Bei diesem handelt es sich insbesondere um einen Drehwinkel, mit dem die Schraube eingedreht wird. Als Verlaufsparameter können grundsätzlich auch andere Parameter, wie beispielsweise die Drehzahl, herangezogen werden. Es wird daher ein Intervallbereich für diesen Verlaufsparameter festgelegt, welcher zur Bestimmung der zukünftigen Trendlinie ausgewertet wird. Vorzugsweise wird für die Prognose der Trendlinie beispielsweise ein Winkelintervall von zumindest 60° und vorzugsweise von zumindest 120° und maximal von 180° oder 360° ausgewertet.
  • Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung wird die Trendlinie dabei vorzugsweise durch eine gleitende Mittelwertbildung aus dem Drehmomentverlauf abgeleitet. Hierunter wird verstanden, dass kontinuierlich aus den erfassten Drehmomentwerten ein Mittelwert eines vorgegebenen Intervalls des Verlaufsparameters gebildet wird. Der aktuell ermittelte Mittelwert zuzüglich des Toleranzabstandes definiert dann den Wert der Toleranzlinie für den nachfolgenden, aktuell erfassten Drehmomentwert.
  • Vorzugsweise wird ergänzend oder alternativ auch der Toleranzabstand aus vorhergehenden Drehmomentwerten abgeleitet. Auch hier werden unter vorhergehenden Drehmomentwerten wiederum insbesondere die während des jeweiligen Schraubvorgangs erfassten Drehmomentwerte bis zum aktuellen Zeitpunkt verstanden. Auch der Toleranzabstand wird daher ergänzend insbesondere kontinuierlich angepasst. Insgesamt ergibt sich dadurch quasi ein doppelter Selbstlerneffekt, nämlich einerseits für den Verlauf der Trendlinie und andererseits auch für den zulässigen Toleranzbereich. Die dynamische Anpassung des Toleranzabstands beruht dabei auf der Überlegung, dass anhand des erfassten Drehmomentverlaufs zunehmend sichere Aussagen über die Streuung und Varianz der erfassten Drehmomentwerte getroffen werden können und dass daher der Toleranzabstand - ausgehend von einem Initial- oder Anfangswert - kontinuierlich zur Verbesserung der Genauigkeit angepasst werden kann.
  • Zweckdienlicherweise wird der Toleranzabstand entsprechend auch mit Hilfe einer statistischen Funktion als Maß für eine statistische Abweichung, z.B. Standardabweichung aus dem zuvor erfassten Drehmomentverlauf ermittelt.
  • Insgesamt wird durch diese doppelte Anpassung eine zunehmend bessere Charakterisierung der Schraubpaarung während des jeweiligen Schraubvorgangs erreicht, was zu einer Identifizierung der Kopfauflage mit hoher Genauigkeit führt. Es werden daher quasi die aktuellen Gegebenheiten der Schraubpaarung individuell für jeden Schraubvorgang über die Auswertung des tatsächlichen Drehmomentverlaufs unter Anpassung einerseits der Trendlinie und andererseits des Toleranzabstands ermittelt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist für beide grundlegenden Varianten vorgesehen, dass zur Erkennung der Kopfauflage keine werkstückspezifische und/oder schraubenspezifische Parametrierung für die Bestimmung der Kopfauflage im Vorfeld erfolgt. Es ist daher kein spezielles, geschultes Bedienpersonal und kein besonderes Know how erforderlich. Bisher mussten anwendungsbezogen in Abhängigkeit der aktuellen Schraubverbindung Parameter festgelegt werden, die für die Bestimmung der Kopfauflage wesentlich waren. Dies ist nunmehr bei der hier vorgestellten Methode nicht erforderlich und auch nicht vorgesehen. Es brauchen lediglich allgemeine Standard-Parameter für den Schraubvorgang vorgegeben werden, die jedoch nicht für die Bestimmung der Kopfauflage relevant sind. Diese Standard-Parameter sind insbesondere und vorzugsweise abschließend die Vorgabe einer Soll-Drehzahl, die Vorgabe einer maximalen Überwachungszeit bis der Schraubvorgang abgebrochen wird sowie die Vorgabe eines Weiterdrehmoments bzw. Weiterdrehwinkels ab Kopfauflage.
  • In bevorzugter Weiterbildung wird zu Beginn eines jeden Schraubvorgangs ein fester Initialwert für den Toleranzbereich herangezogen. Dieser Toleranzbereich wird dabei ausreichend groß gewählt, um zuverlässig zu Beginn des Schraubvorgangs auszuschließen, dass der tatsächliche Drehmomentverlauf die Toleranzlinie schneidet. Bevorzugt ist lediglich ein einziger Initialwert hinterlegt. Alternativ können auch typisierte unterschiedliche Initialwerte beispielsweise in Abhängigkeit von typischen Schraubpaarungen oder in Abhängigkeit von typischen Materialien für das Werkstück hinterlegt sein.
  • Da üblicherweise zu Beginn des Schraubvorgangs Störeffekte wirken, welche nicht zu dem eigentlichen Schraubvorgang zählen, ist in bevorzugter Weiterbildung vorgesehen, dass ein Anfangsintervall des Drehmomentverlaufs unberücksichtigt bleibt. Hierunter wird verstanden, dass die ersten Drehmomentwerte sowohl für die Erkennung der Kopfauflage als auch für die dynamische Anpassung der Trendlinie und/oder des Toleranzabstands unberücksichtigt bleiben. Das Anfangsintervall ist durch die ersten Werte des Verlaufsparameters, also insbesondere des Drehwinkels, definiert. Das Anfangsintervall erstreckt sich dabei vorzugsweise über einen Winkelbereich von 180° oder auch 360° (halbe bzw. volle Umdrehung), beginnend ab einem ersten Drehmomentanstieg infolge des Kontakts der Schraube mit dem Werkstück.
  • Durch das hier gewählte Prinzip für die Erkennung der Kopfauflage anhand des Schnittpunkts zwischen der Toleranzlinie und der Trendlinie (erste Variante) oder zwischen der Toleranzlinie und dem tatsächlichen Drehmomentverlauf (zweite Variante) gibt - je nach Wahl des aktuellen Toleranzabstands - der Schnittpunkt die tatsächliche Kopfauflage nur verzögert wieder. Um eine Identifizierung des Erreichens der tatsächlichen Kopfauflage möglichst genau zu erfassen, ist in bevorzugter Ausgestaltung weiterhin vorgesehen, dass ausgehend von dem erfassten Drehmomentverlauf und ausgehend von dem ermittelten Schnittpunkt auf das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage zurückgeschlossen, insbesondere zurückgerechnet wird. Es wird hierbei insbesondere ein Kopfauflage-Punkt, nämlich ein Kopfauflage-Drehwinkel und/ oder ein Kopfauflage-Drehmoment ermittelt. Auch hier werden insbesondere mathematische Methoden, wie beispielsweise ein Kurvenfit, etc., eingesetzt. Durch das Zurückrechnen bzw. Zurückschließen wird ein definierter Wert des Verlaufsparameters, insbesondere des Drehwinkels oder des Drehmoments ermittelt, welcher die tatsächliche Kopfauflage angibt.
  • Hierzu erfolgt beispielsweise eine Interpolation des Drehmomentverlaufs im Bereich des Schnittpunkts und Approximation des Verlaufs insbesondere durch eine Gerade. Ergänzend wird der Drehmomentverlauf in einem definierten Intervall vor dem Schnittpunkt ebenfalls interpoliert und insbesondere durch eine Gerade approximiert. Der Schnittpunkt dieser beiden Geraden wird dann beispielsweise als die tatsächliche Kopfauflage identifiziert. Für die Interpolation des Drehmomentverlaufs vor dem Schnittpunkt wird vorzugsweise ein Intervallbereich vor dem Schnittpunkt unberücksichtigt gelassen. Dieser Intervallbereich liegt dabei beispielsweise bei mehreren 10°, beispielsweise bei 30° oder auch bei 60°.
  • Alternativ zu dieser Interpolation zur Bestimmung eines Schnittpunkts wird in zweckdienlicher Ausgestaltung der Gradient, also die Änderung des Drehmomentverlaufs vor dem Erreichen des Schnittpunkts ausgewertet. Dabei wird - wie bei bisherigen Drehmomentüberwachungen - eine charakteristische Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs als Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage identifiziert. Im vorliegenden Fall wird dies jedoch nur einmalig durchgeführt, wenn nämlich bereits zuvor aufgrund des Schnittpunkts die Kopfauflage grundsätzlich identifiziert wurde. Die Gradientenbildung dient daher lediglich zur Bestimmung des genauen Zeitpunkts der Kopfauflage, nicht jedoch zum grundsätzlichen Erkennen der Kopfauflage.
  • Für das weitere Festziehen der Schraube wird anschließend in zweckdienlicher Ausgestaltung diese ermittelte tatsächliche Kopfauflage als Ausgangspunkt für das weitere Festziehen, also die zweite Phase des Schraubvorgangs, herangezogen. Dieses Festziehen erfolgt dabei in herkömmlicher Weise beispielsweise winkelgesteuert oder drehmomentgesteuert.
  • Bei der Schraubeinheit handelt es sich insbesondere um eine mit einem zweckdienlicherweise elektrischen Antriebsmotor versehene Einheit und das Überwachungsmodul wertet einen Motorkennwert zur Ermittlung des Drehmomentverlaufs aus. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Motorstrom als Basis für die Berechnung des abgegebenen Drehmoments. Alternativ wird das Drehmoment direkt mit Hilfe eines geeigneten Messwertaufnehmers gemessen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Dehn-Messstreifen oder auch um eine sogenannte Drehmomentmesswelle.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in stark vereinfachten Darstellungen:
    • Fig. 1
    eine stark vereinfachte Darstellung einer Schraubeinheit zusammen mit einer selbstformenden Schraube zur Illustration eines Einschraubvorgangs der Schraube in ein Werkstück,
    Fig. 2
    eine Blockbilddarstellung umfassend eine Steuereinheit der Schraubeinheit sowie eine Antriebseinheit
    Fig. 3
    ein Diagramm zur Erläuterung der zuvor beschriebenen zweiten Variante, bei dem ein erfasster Drehmomentverlauf, eine durch Mittelwertbildung gebildete Toleranzlinie sowie eine hiervon beabstandete Toleranzlinie gegenüber einem Drehwinkel der Schraubeinheit aufgetragen sind, sowie
    Fig. 4
    ein Diagramm zur Erläuterung der zuvor beschriebenen ersten Variante, bei dem ein erfasster Drehmomentverlauf, ein hieraus abgeleitete Trendlinie sowie eine konstante Toleranzline gegenüber einem Drehwinkel der Schraubeinheit aufgetragen sind.
  • Zur Ausführung eines automatisierten Einschraubvorgangs einer Schraube 2 in ein Werkstück 4 ist gemäß Fig. 1 eine Schraubeinheit 6 vorgesehen. Mit Hilfe der Schraube 2 wird beispielsweise ein hier nicht näher dargestelltes Bauteil am Werkstück 4 befestigt. Diese weist eine insbesondere als Elektromotor ausgebildete Antriebseinheit 8 auf, die mit Hilfe einer Steuereinheit 10 angesteuert wird. Über die Antriebseinheit 8 wird eine Spindel in eine Drehbewegung um eine Rotationsachse versetzt. Beim Einschraubvorgang wird diese Drehbewegung mit Hilfe eines stirnseitig angeordneten Angriffelements 12, beispielsweise ein Schrauberbit oder ein Werkzeugschlüssel, auf die Schraube 2 übertragen.
  • Bei der Schraube 2 handelt es sich insbesondere um eine selbstformende Schraube 2, welche also in das Werkstück 4 eingeschraubt wird, ohne dass in diesem vorhergehend ein Gewinde eingebracht ist. Die Schraube 2 weist hierzu einen Schraubenkopf 14 sowie einen Gewindeschaft 16 auf. Die Unterseite des Schraubenkopfes 14 bildet eine Kopfauflagefläche 18 aus.
  • In Fig. 1 sind drei unterschiedliche Zustände während eines jeweiligen Schraubvorgangs dargestellt. Auf der linken Bildseite ist die Situation zu Beginn des Schraubvorgangs dargestellt, bei der also die Schraube 2 erstmalig in Kontakt mit dem Werkstück 4 kommt. Durch einen geeigneten Anpressdruck sowie der von der Antriebseinheit 8 ausgeübten Drehbewegung wird anschließend während einer ersten Phase des Schraubvorgangs die Schraube 2 sukzessive in das Werkstück 4 eingedreht, bis die sogenannte Kopfauflage K erreicht wird, die in der Bildmitte der Fig. 1 dargestellt ist. Bei dieser sogenannten Kopfauflage K erreicht der Schraubenkopf 14 mit seiner Kopfauflagefläche 18 die Oberfläche des Werkstücks 4, kommt also auf dieser zum Aufliegen. Das Erreichen der Kopfauflage K ist dabei mit einem deutlichen Drehmomentanstieg verbunden.
  • Anschließend erfolgt dann noch ein Festziehen der Schraube 2 in einer anschließenden zweiten Phase des Schraubvorgangs bis der Einschraubvorgang beendet ist, wie dies auf der rechten Bildhälfte der Fig. 1 dargestellt ist. Zur Illustrierung des Festziehens der Schraube ist beispielhaft der Schraubenkopf 14 als in das Werkstück 4 eingezogen dargestellt.
  • Bei den hier insbesondere interessierenden Verschraubungen handelt es sich insbesondere um Werkstücke 4 aus einem vergleichsweise weichen Material, insbesondere Holz, Kunststoff oder auch Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium.
  • Die Steuerung und Überwachung des Schraubvorgangs erfolgt mit Hilfe der Steuereinheit 10, wie dies grob vereinfacht anhand der Blockbild-Darstellung in Fig. 2 dargestellt ist. Die Steuereinheit 10 gibt ein geeignetes Steuersignal S an die Antriebseinheit 8 ab. Hierbei kann es sich entweder um ein Steuersignal im engeren Sinne handeln oder auch um die Freigabe oder das Abschalten der Stromversorgung für den Elektromotor. Hierzu weist die Steuereinheit 10 beispielsweise ein integriertes Steuermodul 20 auf. Dieses erfasst beispielsweise auch den vom Elektromotor aufgenommenen Motorstrom als charakteristischen Wert für ein aktuell vom Elektromotor auf die Schraube 2 ausgeübtes Drehmoment m.
  • Die Steuereinheit 10 umfasst weiterhin ein Überwachungsmodul 22, welches beispielsweise vom Steuermodul 20 als Eingangssignal jeweils einen aktuellen Drehmomentwert mi oder zumindest eine zu diesem korrelierte Kenngröße erhält. Anhand der übermittelten Drehmomentwerte mi überwacht das Überwachungsmodul 22 den Schraubvorgang insbesondere im Hinblick auf das Erreichen der Kopfauflage K. Sobald das Überwachungsmodul 22 die Kopfauflage K identifiziert hat, gibt sie ein Schaltsignal ks ab. Dieses wird beispielsweise an das Steuermodul 20 übermittelt, welches anschließend anhand des Schaltsignals ks die zweite Phase des Schraubvorgangs einleitet und durchführt.
  • Das Überwachungsmodul 22 ist zur Auswertung der Drehmomentwerte mi geeignet ausgebildet. Das Überwachungsmodul 22 umfasst hierzu üblicherweise einen Mikroprozessor mit einem integrierten Algorithmus, über den die Drehmomentwerte mi in geeigneter Weise ausgewertet werden.
  • Das Prinzip der Erkennung und Bestimmung der Kopfauflage K wird nachfolgend anhand der Fig. 3 näher erläutert. Anhand der jeweils aktuell erfassten Drehmomentwerte mi ergibt sich insgesamt ein Drehmomentverlauf M. Die einzelnen Drehmomentwerte mi werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit eines Drehwinkels α erfasst. Dieser Drehwinkel α gibt die jeweilige Drehposition des Angriffselements 12 und damit auch der Schraube 2 an. Anhand des Drehwinkels α ist also die Drehbewegung der Schraube 2 charakterisiert. Eine Drehbewegung um 360° bedeutet eine volle Umdrehung der Schraube 2 um ihre Rotationsachse.
  • Zur Identifizierung der Kopfauflage K werden eine sogenannte Trendlinie L sowie ein Toleranzabstand t festgelegt und vorzugsweise während des jeweiligen Schraubvorgangs kontinuierlich angepasst. Um den Toleranzabstand t beabstandet zur Trendlinie L verläuft eine obere Toleranzlinie T, welche also quasi eine Obergrenze eines zulässigen Drehmoments m für den jeweils aktuell erfassten Drehmomentwert mi angibt.
  • Zu Beginn des Schraubvorgangs wird ein initialer Toleranzabstand t vorgegeben, der zunächst ausreichend groß gewählt ist. Zweckdienlicherweise bleiben die ersten Drehmomentwerte mi sowohl für die Ermittlung der Trendlinie L als auch für die daraus abgeleitete Toleranzlinie T außer Betracht. Die Toleranzlinie T wird beispielsweise erst im Anschluss nach einem Anfangsintervall a, beispielsweise nach einem Winkelbereich von 60°, ermittelt. Der erste Punkt der Toleranzlinie T ergibt sich dabei aus dem erfassten aktuellen Drehmomentwert mi zuzüglich des initialen Toleranzabstands t.
  • Wird der Toleranzabstand t beidseitig der Trendlinie L zur Ausbildung auch einer unteren Toleranzlinie angetragen, so ergibt sich beidseitig der Trendlinie L ein Toleranzbereich und damit insgesamt ein Trendkanal, innerhalb dessen die Drehmomentwerte mi schwanken können, ohne dass auf Kopfauflage K erkannt wird.
  • Während des Schraubvorgangs wird die Trendlinie L dynamisch angepasst. Hierzu wird beispielsweise eine gleitende Mittelwertbildung vorgenommen. Im Ergebnis ergibt sich daher für die Trendlinie L insgesamt eine im Vergleich zum Drehmomentverlauf M geglättete Kurve, welche dem Drehmomentverlauf M folgt.
  • Ergänzend erfolgt auch eine dynamische Anpassung des Toleranzabstands t ausgehend von dem Initialwert zu Beginn. Zur Bestimmung des Toleranzabstands t wird insbesondere eine statistische Auswertung des Drehmomentverlaufs M vorgenommen und es wird beispielsweise ein Wert für eine zulässige Abweichung, beispielsweise die Standardabweichung, aus dem bisher erfassten Drehmomentverlauf M ermittelt. Der Toleranzabstand t ist daher insbesondere mit einer statistischen Streuung / Abweichung der erfassten Drehmomentwerte mi direkt korreliert. Dadurch ergibt sich eine dynamische Veränderung des Toleranzabstands t, insbesondere eine Verringerung im Laufe des Schraubvorgangs. Der Toleranzabstand t gibt daher ein Maß für eine zulässige Streuung der einzelnen Drehmomentwerte mi an.
  • Erreicht die Schraube 2 die Kopfauflage K, so steigt das Drehmoment m sprunghaft an. Dies führt dazu, dass der Drehmomentverlauf M die Toleranzlinie L in einem Schnittpunkt P schneidet. Dies wird von dem Überwachungsmodul 22 als Indiz für das Erreichen der Kopfauflage K ausgewertet.
  • Im nächstfolgenden Schritt wird anschließend auf das Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage K zurückgeschlossen, da prinzipbedingt der Schnittpunkt P nachfolgend und damit verzögert zur tatsächlichen Kopfauflage K auftritt. Hierzu wird der Drehmomentverlauf M in geeigneter Weise im Bereich des Schnittpunkts S ausgewertet. Speziell wird beispielsweise in einem definierten Winkelintervall vor Erreichen des Schnittpunkts P die Veränderung Δm/Δα des Drehmoments m im Hinblick auf einen charakteristischen Anstieg ausgewertet, welcher dann als das Erreichen der tatsächlichen Kopfauflage K bei einem definierten KopfauflageDrehwinkel α (K) und / oder einem definierten Kopfauflage-Drehwinkel m(K) gewertet wird.
  • Ausgehend von der so bestimmten tatsächlichen Kopfauflage K erfolgt dann für den weiteren Schraubvorgang die Steuerung in der zweiten Phase zum Festziehen der Schraube 2. Dies erfolgt insbesondere winkelgesteuert, d.h. ausgehend von dem ermittelten Kopfauflage-Drehwinkel α (K) wird die Schraube noch um einen definierten Winkel α weiter gedreht, bevor dann der Schraubvorgang abgebrochen wird und der Schrauber 2 zurückgezogen wird. Alternativ wird die Schraube ausgehend vom Kopfauflage-Drehmoment m(K) drehmomentgesteuert angezogen.
  • In der Darstellung der Figur 4 ist der Verlauf des Drehmoments M, eine Toleranzlinie T mit festem Wert (waagrechte Gerade) sowie eine Trendlinie L gegenüber dem Drehwinkel α aufgetragen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die spezielle Ermittlung der Trendlinie L, die auch als Bewertungsfunktion bezeichnet wird. Wie gut zu erkennen ist, ist diese während des Einschraubens bis zur Kopfauflage K, repräsentiert z.B. durch den Kopfauflage-Drehwinkel α (K) nahezu konstant und weist nur geringe Schwankungen auf. Erst bei Erreichen der Kopfauflage steigt die Trendlinie L sprunghaft an, sodass die konstante Toleranzlinie T am Schnittpunkt P geschnitten wird.
  • Zur Ermittlung dieser Toleranzlinie L wird maßgebend die Änderung der Steigung des Verlaufs des Drehmoments M ausgewertet. Da sich bis zum Erreichen der Kopfauflage die Steigung des Verlaufs des Drehmoments M kaum oder nur geringfügig ändert, weist die Trendlinie bis zur Kopfauflage K einen weitgehend konstanten Verlauf auf. Erst bei Erreichen der Kopfauflage K führt dies zu dem dargestellten sprunghaften Anstieg der Trendlinie L.
  • Zur Ermittlung der Trendlinie L wird fortlaufend, also in definierten Drehwinkel-- Abständen von beispielsweise weniger als 10 Grad (z.B. 5-10 Grad) ein jeweiliger momentaner Wert für die Trendlinie L ermittelt. Hierzu wird die Steigung eines momentanen Drehwinkelbereichs mit der Steigung eines ersten Drehwinkelbe- reichs verglichen. Bei dem momentanen Drehwinkelbereich handelt es sich dabei insbesondere um einen Drehwinkelbereich ausgehend von dem aktuellen erreichten Drehwinkeln α beim Eindrehen der Schraube. Der Drehwinkelbereich erstreckt sich dabei typischerweise über mehrere 10 Grad oder alternativ auf über eine viertel Umdrehung (90 Grad), eine halbe Umdrehung (180 Grad), eine dreiviertel Umdrehung (270 Grad) oder auch eine ganze Umdrehung (360 Grad). Der erste Drehwinkel-Bereich ist von dem momentanen Drehwinkel-Bereich beabstandet, und vorzugsweise ebenfalls um mehrere 10 Grad oder auch 90 Grad, 180 Grad, 270 Grad oder 360 Grad. Unter Abstand wird vorliegend der Abstand zwischen den Anfangswerten (oder zwischen den Endwerten) der beiden Drehwinkel- Bereiche verstanden.
  • Für beide Drehwinkel-Bereiche, also dem ersten, früheren Drehwinkel-Bereich, sowie dem momentanen Drehwinkel-Bereich wird dann jeweils die Steigung des Verlaufs des Drehmoments berechnet. Hierzu wird beispielsweise der Mittelwert der Steigung für den jeweiligen Drehwinkel-Bereich bestimmt oder es werden aus den beiden Endpunkten des jeweiligen Drehwinkel-Bereichs die Steigungen abgeleitet. Aufgrund der zumindest weitgehend konstanten Steigung bis zum Erreichen der Kopfauflage sind die dabei ermittelten Steigungswerte für den ersten Bereich und den momentanen Bereich bis zum Erreichen der Kopfauflage K üblicherweise zumindest nahezu identisch. Die beiden Steigungen werden dann in Relation zueinander gesetzt und zwar vorzugsweise durch Quotientenbildung oder durch Subtraktion, sodass der gewünschte konstante Wert erhalten wird, wie er aus dem Diagramm zu entnehmen ist.
  • Zweckdienlicherweise wird der so erhaltene Wert noch gewichtet mit einem Erhöhungsfaktor. Dies ist beispielsweise der momentane Wert mi für das Drehmoment M. Da dieser Wert typischerweise kontinuierlich ansteigt, werden Ausschläge mit zunehmendem Drehwinkel α stärker gewichtet und überhöht. Diese Maßnahme verstärkt daher den charakteristischen Anstieg der Trendlinie bei Erreichen der Kopfauflage K.
  • Insgesamt führt dies zu einem sehr sicheren Erkennen der Kopfauflage. Der besondere Vorteil dieser Maßnahme ist darin zu sehen, dass Schwankungen und Störungen in der Eindrehphase bis zur Erkennung der Kopfauflage stark gedämpft werden. Gleichzeitig ist eine sehr abrupte und unverzögerte Reaktion bei Erreichen der Kopfauflage vorhanden, was zu einem schnellen Identifizieren der Kopfauflage mit nur geringem Rechenaufwand führt.
  • Von besonderem Vorteil ist weiterhin, dass ein sehr hoher Signal-Rauschabstand vorliegt, d. h. zwischen der Eindreh-Phase bis zum Erreichen der Kopfauflage und der Phase ab Kopfauflage besteht ein deutlicher Unterschied in den Werten für die Trendlinie L. Darüber hinaus ist insbesondere auch aufgrund dieses guten Signal/Rauschabstands diese Auswertemethode sehr robust und unabhängig von der speziellen Anwendung sowie der jeweiligen Paarung aus Schraube und Werkstück. Diese Auswertemethode lässt sich daher universell ohne Parametrisierungsaufwand implementieren und erfordert von dem Benutzer keine zusätzlichen Einstellungen oder Parametrisierungen.
  • Auch bei dieser bevorzugten Methode wird ausgehend von dem ermittelten Schnittpunkt P zurückgerechnet auf das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage K beim Kopfauflage-Punkt also beim Kopfauflage-Drehwinkel α (K) und / oder beim Kopfauflage-Drehmoment m(K). Hierzu wird insbesondere eine den Drehmomentverlauf approximierende Gerade für den Verlauf des Drehmoments M nach Erreichen des Schnittpunkts P sowie eine entsprechende Gerade vor Erreichen des Schnittpunkts P bestimmt und deren Schnittpunkt als Kopfauflage-Punkt α (K), m(K) gewertet. Ausgehend von diesem Kopfauflage-Punkt α (K), m(K) erfolgt dann das Festziehen der Schraube, beispielsweise drehwinkel- oder auch drehmomentgesteuert.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Schraube
    4
    Werkstück
    6
    Schraubeinheit
    8
    Antriebseinheit
    10
    Steuereinheit
    12
    Angriffselement
    14
    Schraubenkopf
    16
    Gewindeschaft
    18
    Kopfauflagefläche
    20
    Steuermodul
    22
    Überwachungsmodul
    a
    Anfangsintervall
    α
    Drehwinkel
    α (K)
    Kopfauflage-Drehwinkel
    m(K)
    Kopfauflage-Drehmoment
    K
    Kopfauflage
    ks
    Schaltsignal
    L
    Trendlinie
    M
    Drehmomentverlauf
    m
    Drehmoment
    mi
    Drehmomentwert
    P
    Schnittpunkt
    S
    Steuersignal
    T
    Toleranzlinie
    t
    Toleranzabstand

Claims (15)

  1. Schraubeinheit (6) zum Einschrauben von Schrauben (2) in ein Werkstück (4) umfassend eine Steuereinheit (10), die zur Erkennung einer Kopfauflage (K) eines Schraubenkopfes (14) auf dem Werkstück (4) ausgebildet ist und hierzu ein Überwachungsmodul (22) aufweist, welches zur Erfassung von aktuellen Drehmomentwerten (mi) in Abhängigkeit eines Drehwinkels sowie zur Überwachung eines Drehmomentverlaufs (M) während eines jeweiligen Einschraubvorgangs ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22)
    - aus dem Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zur Kopfauflage (K) eine Trendlinie (L) ableitet
    - sowie eine Toleranzlinie (T) vorgibt und
    - auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkennt, wenn die Trendlinie (L) oder der Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) an einem Schnittpunkt (P) schneidet und dass das Überwachungsmodul (22) weiterhin derart ausgebildet ist, dass
    - ausgehend von der Kopfauflage (K) die Schraube (2) definiert festgezogen wird.
  2. Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Trendlinie (L) aus vorhergehenden Drehmomentwerten (mi) abgeleitet und kontinuierlich angepasst wird.
  3. Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass für die Ermittlung der Trendlinie (L) die Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs (M) berücksichtigt wird und der Schnittpunkt (P) der Trendlinie (L) mit der Toleranzlinie (T) bestimmt wird.
  4. Schraubeinheit (6) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung der Änderung der Steigung des Drehmomentverlaufs (M) eine erste Steigung des Drehmomentverlaufs (M) innerhalb eines ersten Bereichs des Drehwinkels sowie eine momentane Steigung des Drehmomentverlaufs (M) innerhalb eines momentanen Bereichs des Drehwinkels ermittelt werden und die erste Steigung sowie die momentane Steigung durch Quotientenbildung oder Subtraktion in Relation zueinander gesetzt werden.
  5. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der erste Bereich und der momentane Bereich voneinander insbesondere um einen fixen Drehwinkel von vorzugsweise mehr als 10° beabstandet sind.
  6. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Toleranzlinie durch einen festen Wert gebildet ist.
  7. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Änderung der Steigung mit einem Überhöhungsfaktor multipliziert wird.
  8. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der Überhöhungsfaktor mit zunehmendem Drehwinkel (α) zunimmt und/ oder der momentane Wert des Drehmoments (mi) und/oder die Ableitung hiervon verwendet wird.
  9. Schraubeinheit (6) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass die Trendlinie (L) insbesondere durch eine gleitende Mittelwertbildung aus dem Drehmomentverlauf (M) abgeleitet wird, dass die Toleranzlinie (T) von der Trendlinie um einen Toleranzabstand (t) beabstandet ist und dass der Schnittpunkt (P) zwischen dem Drehmomentverlauf (M) und der Toleranzlinie (T) bestimmt wird.
  10. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der Toleranzabstand (t) aus vorhergehenden Drehmomentwerten (mi) abgeleitet wird.
  11. Schraubeinheit (6) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass der Toleranzabstand (t) mit Hilfe einer statistischen Funktion als Maß einer Abweichung des erfassten Drehmomentverlaufs (M) ermittelt wird.
  12. Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass das Erkennen der Kopfauflage (K) ohne eine vorhergehende werkstückspezifische und/ oder schraubenspezifische Parametrierung für die Bestimmung der Kopfauflage (K) erfolgt.
  13. Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass ausgehend von dem Schnittpunkt (P) auf einen Kopfauflage-Punkt (α(K), m(K)) für das tatsächliche Erreichen der Kopfauflage (K) zurückgeschlossen wird.
  14. Schraubeinheit (6) nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Überwachungsmodul (22) derart ausgebildet ist, dass zur Ermittlung des Kopfauflage-Punktes (α(K), m(K)) eine Steigung des Drehmomentverlaufs (M) vor / und oder nach dem Schnittpunkt (P) ausgewertet wird und dass als Kopfauflage-Punkt (α(K), m(K)) insbesondere ein weiterer Schnittpunkt zweier Geraden herangezogen wird, die die Steigung vor und nach dem weiteren Schnittpunkt repräsentieren.
  15. Verfahren zum Einschrauben einer insbesondere selbstformenden Schraube (2) in ein Werkstück (4) mit Hilfe einer Schraubeinheit (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des Einschraubvorgangs ein Drehmomentverlauf (M) erfasst und überwacht wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass
    - aus dem Drehmomentverlauf (M) während des Einschraubens bis zu einer Kopfauflage (K) eine Trendlinie (L) abgeleitet wird,
    - eine Toleranzlinie (T) festlegt wird,
    - auf das Erreichen der Kopfauflage (K) erkannt wird, wenn die Trendlinie (L) oder der Drehmomentverlauf (M) die Toleranzlinie (T) an einem Schnittpunkt (P) schneidet und dass
    - ausgehend von der Kopfauflage (K) die Schraube (2) definiert festgezogen wird.
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