WO1998018601A1 - Verfahren zur herstellung von schraubverbindungen - Google Patents

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WO1998018601A1
WO1998018601A1 PCT/EP1997/004986 EP9704986W WO9818601A1 WO 1998018601 A1 WO1998018601 A1 WO 1998018601A1 EP 9704986 W EP9704986 W EP 9704986W WO 9818601 A1 WO9818601 A1 WO 9818601A1
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screw
acoustic emission
screwing
predetermined
signal
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PCT/EP1997/004986
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Inventor
Thomas LÖFFLER
Original Assignee
Weber Schraubautomaten Gmbh
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
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    • B23P19/066—Arrangements for torque limiters or torque indicators in screw or nut setting machines by electrical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing screw connections and can preferably be used in assembly processes in industrial production.
  • torque or angle measurement systems are used, which are integrated in the screwing system. If a preset torque is reached when the screw is screwed in, a signal output by the torque or angle of rotation measurement system is used to switch off the drive unit, or the screw is turned further by a predetermined angle of rotation.
  • a device for determining the pretensioning force of screws located in a component with the aid of at least one coil through which alternating current flows is disclosed, the screws at least partially consisting of the surface facing the coil (s) made of electrically conductive material, and being proportional to the pretensioning force the distance between the screws and at least one coil is detected by the latter as a measurement signal, the head of the screw having a projecting region facing the component.
  • This method has the disadvantage that it can only be used for screws made of electrically conductive material. Changes in length caused by plastic deformations cannot be recorded. The lengths to be measured are so small that this process can hardly be used under rough production conditions or only with considerable technical effort.
  • DE 401 7726 describes a fastening screw with an at least partially threaded shaft and an actuating end on which a head, a pin boss or the like. are provided, a first end surface being provided at the confirmation end of the fastening screw and a second end surface being provided at the free end of the shaft, and measuring surfaces for ultrasonic measurement are provided in both end surfaces, which extend only over part of the end surfaces and to the end surfaces in the sense of a Elevation and / or depression are arranged axially offset.
  • This device uses ultrasound to measure the change in length of the screw.
  • the prestressing force is determined directly from the material characteristics and the geometrical dimensions of the screw using methods known to those skilled in the art.
  • the subjects of patent applications DE 1 9507391 and DE 4025430 are based on the same principle.
  • the object of the invention is to provide a method for the direct determination of the prestressing force on screw connections, which overcomes the problems described above.
  • the object is achieved with a method according to claim 1, wherein two components are pressed together with a predetermined prestressing force by means of a screw which is rotated by an adjustable screwing device. Due to the elongation of the screw, an acoustic emission is emitted from the screw material.
  • the process is characterized by the following process steps:
  • the acoustic emission signals are evaluated using the methods of sound emission analysis known in the prior art.
  • the advantage of the method is that a signal that correlates closely with the pretensioning force is obtained, which is independent of the friction in the thread or on the screw head and can optionally be used to control or regulate the screwing-in process. It is possible to combine this acoustic emission signal with the measurement signals of the measured variables torque, angle of rotation, screw length, yield point, screw-in depth previously known from the prior art. These combinations are used for screw connections in which compliance with specified quality features is particularly closely tolerated. If necessary, it is also possible to combine more than two measured variables. Another and essential advantage of the method is that the acoustic emission is also detected in the vicinity of the screw can be. This is the first time that a method is available for the direct determination of the prestressing force of a screw in a screw connection, in which the measurement variable does not have to be tapped directly on the screw itself.
  • a suitable environment is selected on the screw in which the acoustic emission is easy to detect.
  • a suitable location is preferably the front or side surface of the screw head or the front surface of the screw end. Depending on the specific installation conditions, another location can be selected that enables direct contact between the sensor for recording the acoustic emission and the screw.
  • a suitable location is selected at which the acoustic emission can be easily detected.
  • the sound transmission conditions must be taken into account.
  • An optimal position is determined by means of a few tests.
  • the acoustic emission is detected both directly on the screw and at a suitable location in the immediate vicinity of the screw. With special requirements and under special conditions, this procedure offers greater reliability when evaluating acoustic emissions.
  • the screw-in depth of the screw is continuously determined using a depth sensor.
  • the signal from the depth sensor exceeds a predetermined limit value T and the detection of the acoustic Emission is started.
  • the rotation angle measurement is started.
  • the screw spindle with which the screw is screwed in is switched off. It is then checked whether the angle of rotation is in a predetermined range. If the angle of rotation is within the specified range, the screw connection is assessed as good, if the angle of rotation is outside the specified range, the screw connection is assessed as defective.
  • the torque on the screw is continuously determined using a torque sensor.
  • the signal from the torque sensor exceeds a predetermined limit value M and the detection of the acoustic emission is started.
  • a rotation angle measurement is started. The ratio of the two variables is calculated from the determined torque and the angle of rotation. If the acoustic emission reaches a further predetermined limit value E2, the screw spindle is switched off and it is checked whether the ratio of torque / angle of rotation and / or the angle of rotation and / or the torque are within predetermined ranges.
  • the screw Before the screw is screwed in, its length L1 is measured. Then, while simultaneously measuring the screw-in depth using a depth gauge and measuring the torque, the screw is screwed in until the screw head rests. With the headrest, the measurement signal of the depth gauge reaches a limit value T, after which the detection of the acoustic emission is started. If the acoustic emission reaches a predetermined value E1, the rotation angle measurement is started. If the acoustic emission reaches a further predetermined value E2, the screw spindle is switched off and the length L2 of the screw is measured. The prestressing force is calculated from the length difference L2-L1 using the known geometric dimensions and the strength characteristics of the screw.
  • the production of the screw connection is controlled via the torque or the angle of rotation or the yield point, the monitoring being carried out via the acoustic emission.
  • the screw is screwed in while measuring the torque up to the headrest.
  • the torque reaches a predetermined value M 1, after which the acoustic emission is detected is started. If the torque reaches a predetermined value M2, the screw spindle is switched off. It is then checked whether the acoustic emissions are within a predetermined range or meet predetermined criteria. This means that the elongation of the screw can be checked indirectly without the disruptive influence of thread and head friction.
  • the screw is screwed in while measuring the torque up to the headrest.
  • the torque reaches a predetermined value M 1, after which the detection of the acoustic emission and the angle of rotation is started.
  • a predetermined angle of rotation D 1 the screw spindle is switched off. It is then checked whether the acoustic emissions are within a predetermined range or meet certain criteria. In particular, this method can be used to determine whether the screw has not been drawn into the area of plastic deformation or has been drawn too far.
  • Variant 3 The screw is screwed in while measuring the torque up to the headrest. After the head rest, the torque rises sharply and reaches a predetermined value M 1. At this point the torque / angle of rotation ratio is determined and acoustic emission measurement is started. After a predetermined ratio of torque / angle of rotation, the screw spindle is switched off. It is then checked whether the acoustic emission is within a predetermined range or meets predetermined criteria.
  • the method according to the invention is used for redundant monitoring of the screwing-in process. It can be combined with the methods known from the prior art. One of these possible combinations will be explained as an example for others.
  • a screw is screwed in while simultaneously measuring the torque using an "operating mode fast".
  • a threshold torque M 1 which signals and ensures that the screw head is in place
  • an "operating mode slow” is switched on and a rotation angle monitoring is activated at the same time.
  • the screw is turned slowly until a technologically predetermined shutdown torque M2 is reached.
  • the size of the angle of rotation between M 1 and M2 can be used to determine whether the measured angle of rotation corresponds to a predetermined angle of rotation and thus the screw is tightened in accordance with the technological specification.
  • the rotation angle control is monitored redundantly, in which it is determined whether a characteristic cal pattern of the acoustic emission matches a comparison pattern stored in the memory unit.
  • This redundant control increases the statistical certainty with which the quality of the screw connection is assessed with regard to the contact pressure.
  • This method can preferably be used for tightly toleranced screw connections. Another advantage is that the redundant monitoring can be retrofitted to existing screw-in devices
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the screw is placed on the component and screwed in, at the same time the screw-in depth is measured with a depth sensor.
  • the depth sensor emits a signal that starts the measurement of the acoustic emission (AE).
  • An AE sensor that can be detachably coupled to the screw detects the high-frequency AE signals generated in the screw, which in the present example are in the range from 1 30 to 300 kHz.
  • the AE signals are processed into a quasi-static signal. For this purpose, bandpass filtering is first carried out in order to increase the ratio of useful and interference signals.
  • the bandpass filter is dimensioned in such a way that disturbing sound signals, which arise from the friction processes in the thread or from other sound sources, are separated from the useful signal, which is generated by the elongation of the screw.
  • the signal is then squared and averaging is carried out.
  • the averaging as well as the width and position of the frequency range depends on the screw or screw type and is determined by tests. If empirical values are already available for a specific screw type, only an optimization may be necessary.
  • further bandpass filters can be used. If the filtered quasi-static signal of the acoustic emission exceeds a predetermined limit value E1, the rotation angle measurement is started. If a further limit value E2 is reached, the screw spindle is switched off.

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  • Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von definierten Schraubverbindungen, wobei mittels einer Schraube, die von einer regelbaren Einschraubvorrichtung gedreht wird, zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Vorspannkraft aneinandergepreßt werden, wobei die Schraube eine akustische Emission abgibt, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: Erfassen der akustischen Emission, die in der Schraube während eines aktuellen Einschraubvorgangs erzeugt wird und Vergleichen der erfaßten, während des aktuellen Einschraubvorgangs auftretenden akustischen Emission mit vorbestimmten, gespeicherten Daten, wobei nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang funktionsgemäß verläuft. Das Verfahren kann bevorzugt bei Montageprozessen in der industriellen Produktion eingesetzt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Schraubverbindungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schraubverbindungen und kann bevorzugt bei Montageprozessen in der industriellen Produktion eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß in der industriellen Produktion immer häufiger elektronisch gesteuerte Schraubsysteme eingesetzt werden. Diese weisen eine Antriebseinheit und eine Werkzeugspindel mit einem Schraubwerkzeug auf, das eine Schraube mit einem vorbestimmten Ein- Schraubmoment anzieht, um die miteinander zu verbindenden Teile mit einer bestimmten Vorspannkraft aneinander zu pressen. Diese Kraft wird als Vorspannkraft bezeichnet und entsteht durch die Längenänderung des Schraubenschaftes, die nachfolgend als Längung bezeichnet wird. Es ist in vielen Anwendungsfällen notwendig, die Vorspannkraft möglichst genau auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Dazu ist es erforderlich, die Vorspannkraft zu bestimmen. Es ist Stand der Technik, die Vorspannkraft indirekt über die Messung des Einschraubmoments während des Einschraubens zu bestimmen. Zur Messung des Einschraubmoments werden hauptsächlich Drehmoment- bzw. Drehwinkelmeßsysteme eingesetzt, die in das Schraubsystem integriert sind. Wenn beim Eindrehen der Schraube ein voreingestelltes Drehmoment erreicht ist, wird ein vom Drehmoment- bzw. Drehwinkelmeß- system ausgegebenes Signal zur Abschaltung der Antriebseinheit verwendet, oder die Schraube wird noch um einen vorbestimmten Drehwinkel weitergedreht.
Bei der indirekten Bestimmung der Vorspannkraft über die Drehmomentmessung treten folgende Probleme auf: Beim Anziehen einer Schraube wird nur ein geringer Teil des aufgebrachten Drehmoments für die Längung der Schraube, d.h. für die Erzeugung der Vorspannkraft aufgebracht. Der größe- re Teil des Drehmoments wird durch die Reibung am Schraubengewinde und am Schraubenkopf aufgenommen. Ändern sich die Reibungsbedingungen, wirken sich diese Änderungen stark auf die Vorspannkraft aus. Daher können die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen die Einhaltung enger Toleranzen der Vorspannkraft nicht garantieren.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist es erforderlich, die Vorspannkraft direkt zu messen. Dazu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden. So ist bekannt, unter dem Schraubenkopf einen Meßring in Form einer Unterlegscheibe anzuordnen. Dieser Meßring ist ein Sensor, der bei Krafteinwirkung ein elektrisches Signal abgibt. Wird die Schraube angezogen, drückt der Schraubenkopf auf den Meßring, wobei die Vorspannkraft direkt gemessen werden kann . Dieses Verfahren ist sehr kostenintensiv, da der Meßring nach dem Anziehen der Schraubverbindung unter dem Schraubenkopf verbleibt. Daher ist dieses Verfahren nur auf besondere Anwendungsfälle, wie z. B. die Raumfahrt oder die Kernenergie- technik, beschränkt.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannkraft ist in der DE 441 0722 beschrieben. Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Vorspannkraft von in einem Bauteil befindlichen Schrauben mit Hilfe minde- stens einer wechselstromdurchflossenen Spule offenbart, wobei die Schrauben mindestens teilweise aus der der Spule(n) zugewandten Oberfläche aus elektrisch leitendem Material bestehen, und ein sich proportional zur Vorspannkraft der Schrauben veränderter Abstand zu mindestens einer Spule von dieser als Meßsignal erfaßt wird, wobei der Kopf der Schraube einen dem Bauteil zugewandten, überstehenden Bereich aufweist.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß es nur für Schrauben aus elektrisch leitendem Material einsetzbar ist. Längenänderungen, die aufgrund plastischer Verformungen entstehen, können nicht erfaßt werden. Die zu mes- senden Längen sind so klein, daß dieses Verfahren unter rauhen Produktionsbedingungen kaum oder nur mit erheblichen technischen Aufwendungen einsetzbar ist.
In der DE 401 7726 wird eine Befestigungsschraube mit einem zumindest teilweise mit einem Gewinde versehenen Schaft und einem Betätigungsende beschrieben, an dem ein Kopf, ein Stiftansatz oder dgl . vorgesehen sind, wobei am Bestätigungsende der Befestigungsschraube eine erste Endfläche und am freien Ende des Schafts eine zweite Endfläche vorgesehen ist, und in beiden Endflächen Meßflächen für eine Ultraschallmessung vorgesehen sind, die sich nur über einen Teil der Endflächen erstrecken und zu den Endflächen im Sinne einer Erhöhung und/oder Vertiefung axial versetzt angeordnet sind.
Mit dieser Vorrichtung wird mittels Ultraschall die Längenänderung der Schraube gemessen. Aus den Materialkennwerten und den geometrischen Abmessungen der Schraube wird mittels dem Fachmann bekannter Verfahren die Vorspannkraft direkt ermittelt. Auf dem gleichen Prinzip basieren die Gegenstände der Patentanmeldungen DE 1 9507391 und DE 4025430.
Die Bestimmung der Längenänderung der Schraube mittels Ultraschall weist jedoch auch Nachteile auf. Um die Längenänderung genau zu erfassen, muß der Ultraschall definiert in die Schraube eingeleitet werden. Die dabei zu lösenden technischen Probleme sind erheblich. So ist es erforderlich, die Schallleinleitungsflächen und die Reflexionsflächen besonders auszubilden. Weiterhin ist erforderlich, daß diese Flächen mit hoher Präzision gefertigt und eng toleriert sind. Normschrauben können diesen Ansprüchen nicht ge- nügen. Schrauben werden mit hocheffektiven Verfahren als Massenteile gefertigt. Für die Fertigung von Schrauben mit Ultraschalleinleitungsflächen stehen keine vergleichbaren Verfahren zur Verfügung. Daher sind die Fertigungskosten für diese Spezialschrauben hoch. Ein weitere Nachteil besteht darin, daß beim Ultraschallverfahren die Schalleinleitung und die Abnahme des Reaktionssignals unmittelbar an der Schraube erfolgen muß, d.h. der Ultraschallgeber und -empfänger sind in der Schraubspindel integriert, die dadurch größere konstruktive Veränderungen bekommt. In den Fällen, wo die konstruktiven Verhältnisse sehr beengt sind, kann u.U . eine solche Schraubspindel mit großen konstruktiven Abmessungen nicht eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur direkten Bestimmung der Vorspannkraft an Schraubverbindungen zu schaffen, das die vorstehend beschriebenen Probleme überwindet.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst, wobei mittels einer Schraube, die von einer regelbaren Einschraubvorrichtung gedreht wird, zwei Bauteile mit einer Vorbestimmten Vorspannkraft aneinan- dergepreßt werden. Bedingt durch die Längung der Schraube wird aus dem Schraubenmaterial eine akustische Emission abgegeben. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- Erfassen der akustischen Emission, die an der Schraube während eines aktuellen Einschraubvorgangs eintritt und
- Vergleichen der erfaßten akustischen Emission während des aktuellen Einschraubvorgangs mit vorbestimmten, gespeicherten Daten, wobei nach vorbestimmter Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang funktionsge- maß verläuft.
Die Auswertung der Signale der akustischen Emission erfolgt mit der dem Stand der Technik bekannten Methoden der Schallemissionsanalyse.
Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß ein mit der Vorspannkraft eng korrelierendes Signal gewonnen wird, das unabhängig von der Reibung im Gewinde bzw. am Schraubenkopf ist und wahlweise zur Steuerung bzw. zur Regelung des Einschraubvorgangs einsetzbar ist. Es ist möglich, dieses Signal der akustischen Emission mit den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Meßsignalen der Meßgrößen Drehmoment, Drehwinkel, Schraubenlänge, Streckgrenze, Einschraubtiefe zu kombinieren. Diese Kombinationen werden bei solchen Schraubverbindungen angewendet, bei denen die Einhaltung vorgegebener Qualitätsmerkmale besonders eng toleriert ist. Bei Bedarf ist es auch möglich, mehr als zwei Meßgrößen zu kombinieren. Ein weiterer und wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die akustische Emission auch in der näheren Umgebung der Schraube erfaßt werden kann. Damit steht erstmalig ein Verfahren zur direkten Bestimmung der Vorspannkraft einer Schraube in einer Schraubverbindung zur Verfügung, bei dem der Abgriff der Meßgröße nicht unmittelbar an der Schraube selbst erfolgen muß.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche, wonach nach Patentanspruch 2 ein aktuelles Muster der akustischen Emission, das während der Längung der Schraube bei einem aktuellen Einschraubvorgang auftritt, erfaßt wird . Parallel dazu wird das aktuelle Muster mit einem gespeicherten charakteristischen Muster verglichen, wobei mittels vorbestimmter Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang innerhalb zulässiger Toleranzen verläuft.
Gemäß Patentanspruch 3 wird in Abhängigkeit von der Schraubengeome- trie, der Schraubengröße und den Einbauverhältnissen, d.h. der Umgebung der Schraube, an der Schraube eine geeignete Umgebung ausgewählt, an der die akustische Emission gut zu detektieren ist. Eine geeignete Stelle ist vorzugsweise die Stirn- oder Seitenfläche des Schraubenkopfes oder die Stirnfläche des Schraubenendes. In Abhängigkeit von den konkreten Ein- bauverhältnissen kann auch eine andere Stelle gewählt werden, die einen direkten Kontakt zwischen dem Sensor zur Aufnahme der akustischen Emission und der Schraub ermöglicht.
Gemäß Patentanspruch 4 wird in Abhängigkeit von der Schraubengeome- trie, der Schraubengröße und von den Einbauverhältnisseπ in der unmittelbaren Umgebung der Schraube eine geeignete Stelle ausgewählt, an der die akustische Emission gut zu detektieren sind. Bei der Auswahl der geeigneten Stelle sind die Schallübertragungsverhältnisse zu berücksichtigen. Eine optimale Stelle wird mittels weniger Versuche ermittelt.
Gemäß Patentanspruch 5 wird die akustische Emission sowohl direkt an der Schraube, als auch an einer geeigneten Stelle in der unmittelbaren Umgebung der Schraube erfaßt. Dieses Verfahren bietet bei besonderen Anforderungen und unter speziellen Verhältnissen eine höhere Aussagesicherheit bei der Bewertung der akustischen Emission.
Gemäß Patenanspruch 6 wird neben der Steuerung bzw. Regelung mittels der akustischen Emission die Schraubverbindung zusätzlich über den Drehwinkel oder über die Streckgrenze oder über die Schraubenlänge überwacht, wobei es drei bevorzugte Verfahrensvarianten gibt:
Variante 1 :
Während der Herstellung einer Schraubverbindung wird laufend die Einschraubtiefe der Schraube mittels eines Tiefensensors bestimmt. Wenn der Schraubenkopf zur Auflage kommt, überschreitet das Signal des Tiefensensors einen vorbestimmten Grenzwert T und die Erfassung der akustischen Emission wird gestartet. Nach Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes E1 wird die Drehwinkelmessung gestartet. Wenn die akustische Emission einen weiteren vorbestimmten Wert E2 erreicht hat, wird die Schraubspindel, mit der die Schraube eingedreht wird, abgeschaltet. Anschließend wird geprüft, ob der Drehwinkel in einem vorgegebenen Bereich liegt. Wenn der Drehwinkel in dem vorgegebenen Bereich liegt, wird die Schraubverbindung als gut beurteilt, wenn der Drehwinkel außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, wird die Schraubverbindung als mangelhaft bewertet.
Variante 2:
Während der Herstellung einer Schraubverbindung wird laufend das Drehmoment an der Schraube mittels eines Drehmomentensensors bestimmt. Wenn der Schraubenkopf zur Anlage kommt, überschreitet das Signal des Drehmomentensensors einen vorbestimmten Grenzwert M und die Erfassung der akustischen Emission wird gestartet. Nach Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes E1 wird eine Drehwinkelmessung gestartet. Aus dem ermittelten Drehmoment und dem Drehwinkel wird das Verhältnis aus beiden Größen berechnet. Erreicht die akustische Emission einen weiteren vorbestimmten Grenzwert E2, wird die Schraubspindel abgeschaltet und geprüft, ob das Verhältnis von Drehmoment/Drehwinkel und/oder der Drehwinkel und/oder das Drehmoment innerhalb vorbestimmter Bereiche liegen.
Variante 3:
Vor dem Eindrehen der Schraube wird deren Länge L1 gemessen. Anschlie- ßend wird bei gleichzeitiger Messung der Einschraubtiefe mittels eines Tiefenmessers und Messung des Drehmoments die Schraube bis zur Auflage des Schraubenkopfes eingedreht. Bei der Kopfauflage erreicht das Meßsignal des Tiefenmessers einen Grenzwert T, wonach die Erfassung der akustischen Emission gestartet wird . Erreicht die akustische Emission einen vorbestimmten Wert E1 , wird die Drehwinkelmessung gestartet. Erreicht die akustische Emission einen weiteren vorbestimmten Wert E2, wird die Schraubspindel abgeschaltet und die Länge L2 der Schraube gemessen. Aus der Längendifferenz L2-L1 wird über die bekannten geometrischen Abmessungen und über die Festigkeitskennwerte der Schraube die Vorspannkraft errechnet.
Gemäß Patentanspruch 7 wird die Herstellung der Schraubverbindung über das Drehmoment oder den Drehwinkel oder die Streckgrenze gesteuert, wobei die Überwachung über die akustische Emission erfolgt.
Es gibt drei bevorzugte Verfahrensvarianten:
Variante 1 :
Die Schraube wird bei gleichzeitiger Messung des Drehmoments bis zur Kopfauflage eingedreht. Bei der Kopfauflage erreicht das Drehmoment eine vorbestimmten Wert M 1 , wonach die Erfassung der akustischen Emission gestartet wird . Erreicht das Drehmoment einen vorbestimmten Wert M2, wird die Schraubspindel abgeschaltet. Danach wird geprüft, ob die akustische Emission innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen bzw. Vorbestimmte Kriterien erfüllen. Damit kann indirekt die Längung der Schraube ohne den störenden Einfluß der Gewinde- und der Kopfreibung überprüft werden.
Variante 2:
Die Schraube wird bei gleichzeitiger Messung des Drehmoments bis zur Kopfauflage eingedreht. Bei der Kopfauflage erreicht das Drehmoment einen vorbestimmten Wert M 1 , wonach die Erfassung der akustischen Emission und des Drehwinkels gestartet wird. Nach Erreichen eines vorbestimmten Drehwinkels D 1 wird die Schraubspindel abgeschaltet. Danach wird geprüft, ob die akustische Emission innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen bzw. Bestimmte Kriterien erfüllen. Mit diesem Verfahren kann insbesondere ermittelt werden, ob die Schraube nicht oder zu weit in den Bereich der plastischen Verformung hineingezogen ist.
Variante 3: Die Schraube wird bei gleichzeitiger Messung des Drehmoments bis zur Kopfauflage eingedreht. Nach der Kopfauflage steigt das Drehmoment stark an und erreicht einen vorbestimmten Wert M 1 . Zu diesem Zeitpunkt wird das Verhältnis von Drehmoment/Drehwinkel bestimmt, und die Messung der akustischen Emission wird gestartet. Nach einem vorbestimmten Verhältnis von Drehmoment/Drehwinkel wird die Schraubspindel abgeschaltet. Danach wird geprüft, ob die akustische Emission innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt bzw. vorbestimmte Kriterien erfüllt.
Gemäß Patentanspruch 8 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur redun- danten Überwachung des Einschraubvorganges eingesetzt. Es kann mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kombiniert werden. Eine dieser Kombinationsmöglichkeiten soll beispielhaft für weitere erläutert werden.
Eine Schraube wird bei gleichzeitiger Messung des Drehmomentes mit einer „Betriebsart schnell" eingedreht. Beim Erreichen eines Schwellmoments M 1 , das die Auflage des Schraubenkopfes signalisiert und sicherstellt, wird eine „Betriebsart langsam " eingeschaltet und gleichzeitig eine Drehwinkelüberwachung zugeschaltet. Es erfolgt ein langsames Weiterdrehen der Schrau- be, bis ein technologisch vorbestimmtes Abschaltmoment M2 erreicht ist. Nach dem Abschalten kann aus der Größe des Drehwinkels zwischen M 1 und M2 ermittelt werden, ob der gemessene Drehwinkel mit einem vorbestimmten Drehwinkel übereinstimmt und somit die Schraube gemäß der technologischen Vorgabe angezogen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren erfolgt eine redundante Überwachung der Drehwinkelkontrolle, in dem festgestellt wird, ob ein von der Schraube abgegebenes charakteristi- sches Muster der akustischen Emission mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Vergleichsmuster übereinstimmt Diese redundante Kontrolle erhöht die statistische Sicherheit, mit der die Qualität der Schraubverbindung bezüglich der Anpreßkraft beurteilt wird. Dieses Verfahren kann vor- zugsweise bei eng tolerierten Schraubverbindungen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die redundante Überwachung an bestehenden Einschraubvorrichtungen nachgerustet werden kann
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit der beigefugten schematischen Zeichnung, wobei sich die Erfindung auf alle daraus entnehmbaren neuen Merkmal oder Merkmaiskombinationen richtet, auch wenn diese nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angeführt sind.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es werden zwei plattenformige Bauteile, von denen ein Bauteil eine Gewin- debohrung aufweist, mittels einer Schraube M 1 0 verschraubt. Dazu werden folgende Arbeitsgänge durchgeführt:
Die Schraube wird am Bauteil angesetzt und eingedreht, wobei gleichzeitig die Einschraubtiefe mit einem Tiefensensor gemessen wird. Wenn der Schraubenkopf zur Auflage an dem Bauteil kommt, wird vom Tiefensensor ein Signal abgegeben, das die Messung der akustischen Emission (AE) startet. Von einem an der Schraube losbar gekoppelten AE-Sensor werden die in der Schraube entstehenden hochfrequenten AE-Signale erfaßt, die im vorliegenden Beispiel im Bereich von 1 30 bis 300 kHz liegen. Die AE-Signale werden zu einem quasistatischen Signal verarbeitet. Dazu erfolgt zunächst eine Bandpaßfilterung, um das Verhältnis aus Nutz- und Stόrsignal zu erhöhen. Der Bandpaß-Filter ist so bemessen, daß störende Schallsignale, die durch die Reibvorgänge im Gewinde oder aus anderen Schallquellen entstehen, vom Nutzsignal, das durch die Längung der Schraube erzeugt wird, abgetrennt werden. Anschließend wird das Signal quadriert und eine Mit- telwertbildung durchgeführt. Die Mittelwertbildung sowie die Breite und Lage des Frequenzbereichs ist von der Schraube, bzw. vom Schraubentyp abhängig und wird durch Versuche ermittelt. Wenn bereits empirische Werte für einen bestimmten Schraubentyp vorliegen, ist ggf. lediglich eine Optimierung erforderlich. Um die Qualität der Meßsignale zu erhöhen, können weitere Bandpaßfilter zum Einsatz kommen. Überschreitet das gefilterte quasistatische Signal der akustischen Emission einen vorbestimmten Grenzwert E1 , wird die Drehwinkelmessung gestartet. Wird ein weiterer Grenzwert E2 erreicht, erfolgt die Abschaltung der Schraubspindel. Nach dem Abschalten der Schraubspindel wird überprüft, ob der am Schrauben- köpf gemessene Drehwinkel innerhalb einer technologisch zulässigen Toleranz liegt. Es ist zu betonen, daß dieses Ausführungsbeispiel keine Beschränkung der Erfindung darstellt. Mit Kenntnis der in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung offenbarten technischen Lehre ist es dem Fachmann möglich, weitere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung zu entwickeln, ohne jedoch den Schutz- bereich der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer definierten Schraubverbindung, wobei mittels einer Schraube, die von einer regelbaren Einschraubvorrichtung gedreht wird, zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Vorspannkraft aneinan- dergepreßt werden, wobei die Schraube eine akustische Emission abgibt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Erfassen der akustischen Emission, die in der Schraube während eines aktuellen Einschraubvorgangs erzeugt wird und
- Vergleichen der erfaßten, während des aktuellen Einschraubvorgangs auftretenden akustischen Emission mit vorbestimmten, gespeicherten Daten wobei
- nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang funktionsgemäß verläuft.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Erfassen eines aktuellen Musters der akustischen Emission, das während der Längung der Schraube bei einem aktuellen Einschraubvorgang auftritt;
- Vergleichen des aktuellen Musters der akustischen Emission während des aktuellen Einschraubvorgangs mit einem gespeicherten charakteristischen Muster, wobei mittels vorbestimmter Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang innerhalb zulässiger Toleranzen verläuft.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der akustischen Emission unmittelbar an der Schraube abge- nommen wird, wobei der Ort der Abnahme der akustischen Emission so ausgewählt wird, daß die akustische Emission in einer auswertbaren Qualität zur Verfügung steht.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der akustischen Emission aus der unmittelbaren Umgebung der
Schraube abgenommen wird, wobei der Ort der Abnahme der akustischen Emission so ausgewählt wird, daß die akustische Emission in einer auswertbaren Qualität zur Verfügung steht. 5 Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der akustischen Emission unmittelbar an der Schraube abgenommen wird und parallel dazu das Signal der akustischen Emission aus der unmittelbaren Umgebung der Schraube abgenommen wird, wobei die Orte der Abnahme der akustischen Emission so ausgewählt werden, daß die akustische Emission in einer auswertbaren Qualltat zur Verfugung steht
6 Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Steuerung bzw Regelung mittels akustischer Emission die Schraubverbindung zusätzlich über den Drehwinkel oder über die Streckgrenze oder über die Schraubenlange überwacht wird
7 Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Schraubverbindung durch - die Auswertung der akustischen Emission überwacht wird und über
- das Drehmoment oder den Drehwinkel oder die Streckgrenze gesteuert wird
8 Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wahrend des Einschraubprozesses entstehende akustische Emission zur redundanten Überwachung genutzt wird
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