Verfahren zur Steuerung eines Schraubers

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines Schraubers zum automatischen Anziehen von Schrauben und/oder Mut­tern vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Schraubfallanalyse durchgeführt wird, bei welcher während eines streckgrenzengesteuerten Schraub­vorgangs der Verlauf des zum Anziehen einer Schraube oder einer Mutter notwendige Drehmoment ermittelt wird. Vom Anwender wird u.a. das gewünschte Anzugsmoment für die Schraube eingegeben und daraus automatisch das geeignete Schraubverfahren ermittelt und einge­stellt.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steue­rung eines Schraubers zum automatischen Anziehen von Schrauben und/oder Muttern sowie von einer Steuerung für einen Schrauber der genannten Art nach der Gattung des Anspruchs 8. Ein derartiges Verfahren sowie eine Steuerung dieser Art sind bekannt. Bei dem sog. Zwei­stufen-Schraubverfahren wird eine Schraube bzw. eine Mutter mit einer hohen Drehzahl eingedreht bzw. aufge­schraubt. Das eingentliche Anziehen erfolgt dann bei einer niedrigeren Drehzahl. Die Umschaltung von der hohen auf eine niedrigere Drehzahl erfolgt bei Errei­chen des Anlegemoments, das bei Berührung des Schrauben­kopfes bzw. der Mutter mit dem Untergrund erreicht wird. Der Schraubvorgang wird bei Erreichen des Ab­schaltkriteriums beendet, also wenn das gewünschte Anzugsmoment oder ein bestimmter Anziehwinkel erreicht ist. Der Anwender muß für jeden Schraubfall den Um­schaltzeitpunkt einstellen, wobei das Umschaltmoment bei einem harten Schraubfall mit steilem Momentenan­stieg klein und bei einem weichen Schraubfall mit fla­chem Momentenanstieg größer zu wählen ist. Fehler bei der Einstellung führen zu Abweichungen vom gewünschten Anzugsmoment und auch zum Abreißen der Schrauben.

Vorteile der Erfindung

[0002] Das erfindungsgemäße Verfahren mit den im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmalen hat demgegenüber den Vor­teil, daß das Umschaltmoment für die Umschaltung der hohen Drehzahl auf eine niedrigere Drehzahl bei dem Zweistufen-Schraubverfahren automatisch festgelegt wird. Fehler aufgrund der Eingabe falscher Daten durch den Anwender sind insoweit ausgeschlossen. Die zur Steuerung des Schraubers notwendigen Daten werden an­hand einer Schraubfallanalyse gewonnen, d.h. es wird bei einer bestimmten, niedrigen Drehzahl, bei der ein Abreißen der Schraube vermieden wird, eine Schraube oder eine Mutter mittels eines streckgrenzengesteuerten Schraubverfahrens bis zum Erreichen der Fließ- bzw. Streckgrenze angezogen und das dazu notwendige Drehmo­ment ermittelt. Vorzugsweise werden dabei das bei Berüh­rung der Schraube bzw. der Mutter mit dem Untergrund anliegende Drehmoment als ein erster Drehmomentswert, das bei Erreichen der Streckgrenze herrschende Drehmo­ment als ein zweiter Drehmomentswert sowie die zugehöri­gen Zeitpunkte ermittelt und gespeichert. Die erfin­dungsgemäße Steuerung hat den Vorteil, daß die Schraub­ fallanalyse unmittelbar auswertbar ist, indem die gewon­nenen Größen in einem Speicher der Steuerung abgelegt werden können und für eine spätere Anzeige oder einen Vergleich mit einem gewünschten Anzugsmoment zur Verfü­gung stehen. Besonders bevorzugt ist eine Steuerung, die nach Eingabe der gewünschten Anzugswerte automa­tisch eine Anpassung an den vorliegenden Schraubfall vornimmt.

[0003] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens und der Steuerung gem. Anspruch 8 möglich. Besonders vorteil­haft ist, daß das Verfahren auch für die Vorgabe von gewünschten Drehwinkeln geeignet und damit sehr viel­seitig einsetzbar ist.

Zeichnungen

[0004] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Diagramm des Drehmomentenverlaufs über der Zeit während des für die Schraubfallanalyse durchge­führten Schraubvorgangs,

Figur 2 eine Tabelle für die Schraubfallanalyse nach Figur 1,

Figur 3 ein Diagramm eines Drehmoments über der Zeit für eine beispielshaft ausgeführte Schraubfallanalyse und

Figur 4 eine aus der Schraubfallanalyse gem. Figur 3 gewonnene Tabelle.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

[0005] Figur 1 zeigt ein Diagramm des während eines Testlaufs für eine Schraubfallanalyse an einer Schraube oder Mutter anliegenden Drehmoments. Der Testlauf wird mit einer niedrigen Drehzahl durchgeführt, bei der ein Abreißen der Schraube mit Sicherheit vermieden wird.

[0006] Das zum Eindrehen der Schraube nötige Drehmoment steigt während des Eindrehens nur unwesentlich. Es wird be­stimmt durch die Reibung der Gewindegänge.

[0007] Wenn der Schraubenkopf bzw. die Mutter zum Zeitpunkt T_min die Unterlage berührt, erreicht das Drehmoment das Anlegemoment mit dem Wert M_min, der eindeutig über den Drehmomentswerten während der Eindrehphase liegt; der Eindrehvorgang geht nun in den Anziehvorgang über. Als Anlegemoment M_min kann ein konstanter, vorgegebener Wert oder ein aus dem Drehmomentenverlauf in Figur 1 errechneter Wert gewählt werden.

[0008] Wenn sich das Drehmoment auch bei weiterem Anziehen der Schraube nicht erhöht, ist die Fließ- oder Streck­grenze der Schraube erreicht. Es liegt dann das maximal erreichbare Drehmoment M_max an.

[0009] Der Verlauf des Drehmoments über der Zeit wird von geeigneten Sensoren erfaßt; deren Signale werden an einen Speicher der Steuerung des Schraubers abgegeben und dort gespeichert. Ebenso können über entsprechend ausgelegte Sensoren der Drehwinkel und/oder die Schraub­tiefe über der Zeit erfaßt und gespeichert werden.

[0010] Die Schraube wird nach Abschalten des Schraubers noch weiter angezogen, weil dieser sich während der Abbrems­ phase aufgrund seiner Trägheit weiterdreht. Die Abbrems­zeit T_B des Schraubers ist systembedingt. Es wird unter­stellt, daß T_B proportional zur Drehzahl ist. Es gilt daher

T_B = k· f      (1),

wobei f die Drehzahl, hier gemessen in Hz, und k eine Konstante ist, deren Wert vorliegt oder anhand eines Leerlaufversuchs vor dem Testlauf ermittelt wird.

[0011] Bei einer gegebenen Drehzahl f* ergibt sich die Abbrems­zeit aus der folgenden Gleichung:

T_Bf* = k· f*      (2).

T_Bf* ist also die Zeit, die verstreicht, bis der Schrau­ber nach Abschalten des Antriebs bei einer Drehzahl f* zum Stillstand gekommen ist.

[0012] Bei einem Zweistufen-Schraubverfahren ist während der Eindrehphase eine hohe Drehzahl f₁ und während der Anziehphase eine niedrige Drehzahl f₂ gegeben.

[0013] Bis zur Abbremsung aus der hohen Drehzahl f₁ bis zum Stillstand verstreicht die Zeit

T_Bf1= k· f₁      (3).

[0014] Diese Zeit wird als Anhaltspunkt für das Schrabverfah­ren auf die im Diagramm verwendete Drehzahl transfor­miert:

[0015] Aus dem Zeitpunkt T_min, zu dem das Anlegemoment M_min erreicht wurde, und der Abbremszeitkonstanten T_f1 gem. Gleichung (4) wird anhand des in Figur 1 widergegebenen Diagramms ein Drehmomentgrenzwert M_Gr ermittelt, der zur Zeit t = T_min + T_f1 gegeben ist.

[0016] Zusätzlich wird aus dem maximalen Drehmoment M_max ein Wert M_p berechnet, für den mit

0 < p < 1      (5)

die folgende Gleichung gilt:

M_p = p· M_max      (6).

[0017] Beispielsweise wird p = 0,8 gewählt. Auch diese Werte werden im Speicher der Steuerung abgelegt.

[0018] Durch den Wert von p läßt sich das Moment M_p berechnen, von dem an aus verschraubungstechnischen Gründen als Schraubverfahren das Streckgrenzenverfahren gewählt werden muß. Soll also eine Schraube mit einem Drehmo­ment M angezogen werden, dessen Wert größer als M_p ist, so muß als Schraubverfahren das Streckgrenzenverfahren gewählt werden. Liegt das gewünschte Anzugsmoment M einer Schraube unter dem Wert M_p, so kann statt dessen auch das Drehmoment- oder Drehwinkelverfahren verwendet werden. Bei dem Drehwinkelverfahren wird beispielsweise mit Erreichen des Anlegemoments M_min zum Zeitpunkt T_min mit der Winkelzählung begonnen.

[0019] Die bei der Schraubfallanalyse gewonnenen Werte sind in die Tabelle gem. Figur 2 eingesetzt.

[0020] Aus Figur 2 ergibt sich, daß das Schraubverfahren durch den Wert M_p bestimmt wird: Liegt das gewünschte Anzugs­moment M der Schraube im Bereich M_p ≦ M ≦ M_max, so kommt als Schraubverfahren das Streckgrenzenverfahren in Frage; für alle Werte M_min ≦ M ≦ M_p ist das Drehmo­ment- oder Drehwinkelverfahren zu wählen.

[0021] Die Umschaltung von der höheren Drehzahl f₁ auf die niedrigere Drehzahl f₂ wird durch den aus dem Diagramm gemäß Figur 1 bestimmten Drehmomentgrenzwert M_Gr bestimmt: Gilt für das gewünschte Anzugsmoment M einer Schraube die Beziehung M ≧ M_Gr, so wird der Drehzahl­schaltpunkt durch das während des Schraubvorgangs an der Schraube anliegende Drehmoment bestimmt. Soll eine Schraube mit einem Moment M angezogen werden, das klei­ner als das Grenzdrehmoment M_Gr ist, so muß der Schraub­vorgang durch die Schraubtiefe L gesteuert werden, da aufgrund der Trägheit des Schraubers bzw. der Ab­bremszeit T_f1 gem. Gleichung (4) nach Erreichen des eindeutig über dem Eindrehmoment liegenden Drehmoments M_min auch bei Umschaltung des Schraubers zur Zeit T_min auf die niedrigere Drehzahl f₂ ein über dem gewünschten Anzugsmoment liegendes Drehmoment, nämlich M_Gr erreicht wird.

[0022] Aus der Tabelle ergibt sich auch, daß die Art des Schraubverfahrens auch durch den analog Gleichung (6) aus dem maximalen Drehwinkel ω_max berechenbaren Wert ω_p bestimmt werden kann.

[0023] Die in Figur 2 gezeigte Tabelle wurde ohne Berücksichti­gung von Toleranzen aufgestellt. In der Praxis sollte daher die berechnete Abbremszeit T_f1 durch einen etwas größeren Wert ersetzt werden.

[0024] Der Anwender kann nach der Schraubfallanalyse für das Zweistufen-Schraubverfahren folgende Parameter in das Steuergerät des Schraubers eingeben bzw. ändern:
hohe Drehzahl      f₁
niedrige Drehzahl      f₂

maximales Drehmoment      M_max
minimales Drehmoment      M_min
Beginn der Winkelzählung bei M₁ = M_min
(in Hz oder in U/min)

[0025] Als vorgegebene Drehmoment- oder Drehwinkelwerte werden alternative eingegeben:
Drehmoment      M_soll
Drehwinkel      ωsoll

[0026] Aus diesen Werten ergibt sich im Zusammenhang mit der Tabelle gem. Figur 2 das verwendete Schraubverfahren.

[0027] Der Drehzahlumschaltzeitpunkt wird durch folgende Werte bestimmt

Drehmoment      M_o
Tiefe      L_o

[0028] Die Werte von M_o und L_o werden für den Schrauber so berechnet, daß der Schraubvorgang zeitoptimal ausge­führt wird. D.h. die Drehzahl wird möglichst spät von der hohen Drehzahl f₁ auf die niedrigere Drehzahl f₂ reduziert. Bei der Berechnung des Drehzahlumschaltzeit­punkts wird die Abbremszeitkonstante des Schraubers so berücksichtigt, daß nach Abbremsung aus der höheren Drehzahl unmittelbar das gewünschte Anzugsmoment der Schraube M_soll erreicht ist.

[0029] Zusätzlich können zur Überwachung des Schraubvorgangs folgende sog. Überwachungswerte eingegeben werden:
Drehmoment
M_OG *
M_UG *
Drehwinkel
ω_OG *
ω_UG *
Tiefe
L_OG *
L_UG *.

[0030] Die mit * bezeichneten Werte kann der Anwender ändern. Die übrigen Werte werden aus der Schraubfallanalyse gewonnen.

[0031] Für den Drehzahlumschaltzeitpunkt können zwei Fälle festgelegt werden:

T_soll - T_f1 ≧ T_min      (7)

ergibt sich folgender Drehmomentswert für eine Umschal­tung durch Drehmoment

M_o = M ( T_soll - T_f1)      (8)

und für

T_soll - T_f1 < T_min      (9)

ergibt sich folgender Schraubtiefenwert für eine Um­schaltung durch Schraubtiefe:

L_o = L(T_soll ¡- T_f1)      (10).

[0032] Wenn die höhere Drehzahl f₁ verändert wird, so wird automatisch die Abbremszeit T_f1 gem. Gleichung (4) entsprechend geändert und das Ergebnis der Schraubfall­analyse aktualisiert.

[0033] Die Winkelzählung braucht nicht unbedingt bei dem Anle­gemoment M_min zu beginnen, es kann stattdessen auch ein höherer Wert M₁ ≧ M_min als Beginn der Drehwinkel­zählung gewählt werden, wobei die übrigen Winkelwerte entsprechend angepaßt werden.

[0034] Der Schrauber ist im vorliegenden Fall mit einer An­zeige versehen, die die bei der Schraubfallanalyse ermittelten Werte und evtl. auch die vom Anwender ange­gebenen Werte anzeigt.

[0035] Stellt sich anhand der bei der Schraubfallanalyse ermit­telten bzw. berechneten Werte heraus, daß für ein gewün­schtes Anzugsmoment der Schraube bzw. Mutter die Dreh­zahlumschaltung durch die Schraubtiefe bestimmt wird, so muß der Schrauber zur Ausführung der gewünschten Verschraubung mit einem Schraubtiefen-Sensor ausge­rüstet sein. Ist das nicht der Fall, so wird auf der Anzeige der Steuerung angegeben, daß die gewünschte Verschraubung so nicht ausführbar ist.

[0036] Zusätzlich wird berechnet, ob sich der gewünschte Schraubfall dadurch verwirklichen läßt, daß die höhere Drehzahl f₁ verringert wird und die Drehzahlumschaltung statt mit Hilfe der Schraubtiefe mittels des Drehmo­ments erfolgt.

[0037] Dazu wird eine reduzierte Drehzahl f₁ wie folgt berech­net:

T_f

= T_soll - T_min      (11)

[0038] Aus Gleichung (4) ergibt sich die Beziehung

und aus Gleichung (1) die Abbremszeit

T_f

= k· f

.      (13)

[0039] Daraus ergibt sich schließlich die folgende Gleichung für f

:

[0040] Ergibt sich aus dieser Berechnung ein fäür eine Ver­schraubung sinnvoller Drehzahlwert, so wird diese be­rechnete Drehzahl auf dem Anzeigefeld angegeben.

[0041] Figur 3 zeigt ein Diagramm eines bei einer Schraubfall­analyse gewonnenen Drehmomentenverlaufs über der Zeit. Neben den aus Figur 1 bekannten Werten des Anlegemo­ments M_min, des Drehmomentgrenzwertes M_Gr, des maxima­len Drehmoments M_max und dem aus Gleichung (6) berechne­ten Wertes M_p ist auch der Umschaltzeitpunkt T_o einge­zeichnet, ebenso das Sollmoment M_soll.

[0042] Im folgenden werden einige Zahlenbeispiele gegeben:
M_max = 60 Nm
M_min = 2 Nm
T_max = 1200 ms
T_min = 900 ms
f₁ = 200 Hz
f₂ = 50 Hz

M_Gr = M(T_min + T_f1) = 40 Nm
M_p = p· M_max = 0,8· 60 Nm = 48 Nm.

[0043] Aus der in Figur 4 angegebenen Tabelle lassen sich das sich das sich für jeden Schraubfall ergebende Schraubverfahren und der Drehzahlumschaltpunkt ablesen.

[0044] Für Drehmomentwerte im Bereich 48 ≦ M ≦ 60 Nm bzw. für Drehwinkel von 40 ≦ ω ≦ 50° ergibt sich das Streck­grenzenschraubverfahren. Der Drehzahlumschaltpunkt wird durch das Drehmoment bestimmt.

[0045] Soll die Schraube mit einem Drehmoment M im Bereich 40 ≦ M ≦ 48 Nm bzw. mit einem Drehwinkel ω von 33 ≦ ω ≦ 40° angezogen werden, so findet das Drehmoment- ­bzw. Drehwinkelschraubverfahren Anwendung. Der Dreh­zahlumschaltpunkt wird wiederum durch das Drehmoment bestimmt.

[0046] Bei einem gewünschten Anzugsmoment M der Schraube im Bereich 2 ≦ M ≦ 40 Nm bzw. einem Drehwinkel ω von 0 ≦ ω ≦ 33° findet ebenfalls das Drehmoment- bzw. Dreh­winkelschraubverfahren Anwendung. Hier wird allerdings der Drehzahlsumschaltzeitpunkt durch die Schraubtiefe L bestimmt.

[0047] Die bei der Schraubfallanalyse ermittelten Daten werden einem Speicher des Schraubers zugeführt und dort ge­speichert. Diese Daten werden mittels der mit dem Speicher verbundenen Anzeigeeinrichtung, beispielsweise auf einem Flüssigkristall-Anzeigfeld dargestellt.

[0048] Nach der Schraubfallanalyse werden vom Anwender folgen­de Werte eingegeben:

hohe Drehzahl      f₁ = 200 Hz
niedrigere Drehzahl      f₂ = 50 Hz

maximales Drehmoment      M_max = 60 Nm
minimales Drehmoment      M_min = 2 Nm

Beginn der Winkelzählung bei M₁ = 2 Nm.

[0049] Die Schraube soll mit folgendem Drehmoment M_soll angezo­gen werden:
M_soll = 30 Nm.

[0050] Aus der Tabelle oder aus der Anzeige des Steuergeräts ergibt sich, daß automatisch ein drehmomentgesteuertes Schraubverfahren eingeleitet wird, bei dem der Drehzahl­umschaltpunkt durch die Schraubtiefe bestimmt wird.

[0051] Folgende Überwachungswerte werden zusätzlich eingegeben
Drehmoment
M_OG = 31,5 Nm (± 5 % Toleranz)
M_UG = 28,5 Nm
Drehwinkel
_ωOG = 28° (± 10 % Toleranz)
_ωUG = 22°.

[0052] Es zeigt sich also, daß das Schraubverfahren nur durch­führbar ist, wenn der Schrauber mit einem Sensor zur Erfassung der Schraubtiefe ausgerüstet ist. Ist das nicht der Fall, müßte die Drehzahl auf f′₁ = 167 Hz verringert werden. Für diesen Fall ergibt sich eine Abbremszeit des Schraubers, die so kurz ist, daß auch bei drehmomentgesteuertem Schraubvorgang das gewünschte Drehmoment M_soll nicht überschritten wird.

[0053] Zur Auswertung der bei der Analyse gewonnenen und der vom Anwender eingegebenen Daten können in der Steuerung des Schraubers Vergleichsstufen vorgesehen sein, die die gespeicherten mit den vorgegebenen Drehmoment- ­bzw. Drehwinkelwerten vergleichen und daraus eine auto­matische Umschaltung der Steuerung des Schraubers bewir­ken. Es können auch auf der Anzeige Schaltbefehle an den Anwender gegeben werden, der dann die Steuerung des Schraubers durch die Eingabe der angezeigten Daten umstellt.

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung eines Schraubers zum automa­tischen Anziehen von Schrauben und/oder Muttern, gekenn­zeichnet durch eine Schraubfallanalyse, bei welcher während eines streckgrenzengesteuerten Schraubvorgangs der Verlauf des zum Anziehen einer Schraube oder einer Mutter notwendige Drehmoment ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Drehmomentswert (M_min) bei Anliegen der Schraube oder der Mutter auf der Unterlage sowie ein zweiter Drehmomentswert (M_max) bei Erreichen der Streck­grenze der Schraube ermittelt und gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Zeitpunkt (T_min) bei Erreichen des ersten Drehmomentswerts (M_min) und der Zeitpunkt (T_max) bei Erreichen des zweiten Drehmomentswerts (M_max) ermit­telt und gespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer bekannten oder aus einem Probelauf ermittelten Abbremszeitkonstanten (T_f1) ein Drehmomentgrenzwert (M_Gr) bestimmt und gespeichert wird, welcher zur Zeit (T_min + T_f1) gegeben ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem zweiten Drehmomentswert (M_max) ein dritter Drehmomentswert (M_p) berechnet und gespeichert wird, der kleiner als der zweite Drehmo­mentswert (M_max) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster bei Erreichen der Fließgrenze gegebener Drehwinkelwert (ω_max) gespeichert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Drehwinkelwert (ω_p), der kleiner ist als der erste Drehwinkelwert (ω_max), berechnet und gespeichert wird.

8. Steuerung eines Schraubers zum automatischen Anzie­hen von Schrauben und/oder Muttern, gekennzeichnet durch einen Speicher, in dem die bei der Schraubfallana­lyse gem. einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelten Werte speicherbar sind.

9. Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Anziehen der Schraube oder Mutter gewünsch­te Drehmoment eingebbar ist und dann automatisch das für dieses Drehmoment geeignete Schraubverfahren einge­stellt wird.

10. Steuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Anziehen der Schraube gewünschte Drehwinkel­wert eingebbar ist und dann automatisch das für diesen Drehwinkel geeignete Schraubverfahren eingestellt wird.

11. Steuerung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekenn­zeichnet durch eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der bei der Schraubfallanalyse erhaltenen und/oder der eingegebenen Werte.

Zeichnung