DE102020211666A1 - Method and device for performing a screwing process using methods of artificial intelligence - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zum Durchführen eines Furchschraubprozesses mit einer vorgegebenen Vorspannkraft (F), mit folgenden Schritten:
- Einschrauben (S2) einer Schraube (3) in ein Werkstück (4), insbesondere bis zum Erreichen eines vorgegebenen ersten maximalen Schraubmoments;
- Aufzeichnen (S3) des Schraubmomentenverlaufs während des Schraubvorgangs;
- Ermitteln (S4, S5) eines insbesondere zweiten maximalen Schraubmoments (Tmax) abhängig von dem Schraubmomentenverlauf und abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft (F) mithilfe mindestens eines trainierten, datenbasierten Parametermodells;
- Einschrauben (S6) der Schraube (3) mit einem Schraubmoment (T), das auf das maximale Schraubmoment (Tmax) begrenzt ist.
The invention relates to a computer-implemented method for carrying out a self-tapping process with a predetermined preload force (F), with the following steps:
- Screwing (S2) a screw (3) into a workpiece (4), in particular until a predetermined first maximum screwing torque is reached;
- Recording (S3) of the course of the screwing torque during the screwing process;
- Determining (S4, S5) an in particular second maximum screwing torque (T max ) depending on the screwing torque curve and depending on the predetermined prestressing force (F) using at least one trained, data-based parameter model;
- Screw in (S6) the screw (3) with a screwing torque (T) that is limited to the maximum screwing torque (T max ).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Durchführen eines mechanischen Einschraubprozesses und insbesondere Verfahren zum Durchführen eines Furchschraubprozesses.The invention relates to methods for performing a mechanical screwing process and in particular to methods for performing a self-tapping process.
Technischer HintergrundTechnical background
Beim Furchschrauben wird eine selbstfurchende Schraube in ein insbesondere mit einer Vorbohrung versehenes Material eines Fügepartners eingeschraubt. Dabei schneidet die selbstfurchende Schraube das Gegengewinde in das Material des Fügepartners bei einem ersten Einschrauben. In der Regel wird die selbstfurchende Schraube nach einem ersten Anziehen, bei dem der Schraubenkopf mit dem Kinn an das Material des Fügepartners angepresst wird, wieder gelöst und anschließend final mit einem vorbestimmten Schraubenmoment angezogen, wobei beim zweiten Anziehen das Schraubmoment auf ein maximales Schraubmoment begrenzt wird.In the case of self-tapping screws, a self-tapping screw is screwed into a material of a joining partner that is in particular provided with a pre-drilled hole. The self-tapping screw cuts the mating thread in the material of the joining partner when it is screwed in for the first time. As a rule, the self-tapping screw is loosened again after a first tightening, in which the screw head is pressed with the chin against the material of the joining partner, and then finally tightened with a predetermined screw torque, whereby the screw torque is limited to a maximum screw torque during the second tightening .
Aus dem Stand der Technik, wie z. B. aus Seneviratne, L. D. et al., „Theoretical modelling of self-tapping screw fastening process“, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, Seiten 135 bis 154, sind physikalische Modelle bekannt, um das Schraubmoment, mit dem eine selbstfurchende Schraube beim finalen Anziehen eingeschraubt werden darf, zu ermitteln. Die dort angegebenen Formeln sind jedoch nicht auf veränderte Bedingungen, wie beispielsweise andere Materialien, anwendbar.From the prior art, such. B. from Seneviratne, LD et al., "Theoretical modeling of self-tapping screw fastening process", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, pages 135 to 154, physical models are known to to determine the screwing torque with which a self-tapping screw may be screwed in during final tightening. However, the formulas given there are not applicable to changed conditions, such as other materials.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Durchführen eines Einschraubprozesses gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.According to the invention, a method for carrying out a screwing process according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Durchführen eines Einschraubprozesses, insbesondere eines Furchschraubprozesses, mit einer vorgegebenen Vorspannkraft vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Einschrauben einer Schraube in ein Werkstück, insbesondere bis zum Erreichen eines vorgegebenen ersten maximalen Schraubmoments;
- - Aufzeichnen des Schraubmomentenverlaufs während des Schraubvorgangs;
- - Ermitteln eines, insbesondere zweiten, maximalen Schraubmoments abhängig von dem Schraubmomentenverlauf und abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft mithilfe mindestens eines trainierten datenbasierten Parametermodells;
- - Einschrauben der Schraube mit einem Schraubmoment, das auf das maximale Schraubmoment begrenzt ist.
- - Screwing a screw into a workpiece, in particular until a predetermined first maximum screwing torque is reached;
- - Recording of the course of the screwing torque during the screwing process;
- - Determining a, in particular second, maximum screwing torque as a function of the screwing torque curve and as a function of the predetermined prestressing force using at least one trained data-based parameter model;
- - Screw in the screw with a screwing torque that is limited to the maximum screwing torque.
Insbesondere können Schraubmomentenverlaufsmerkmale abhängig von dem Schraubmomentenverlauf ermittelt werden, wobei das mindestens eine datenbasierte Parametermodell trainiert ist, um abhängig von den Schraubmomentenverlaufsmerkmalen einen Schraubprozessparameter bereitzustellen, wobei das maximale Schraubmoment abhängig von dem mindestens einen Schraubprozessparameter und abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft ermittelt wird.In particular, screwing torque curve characteristics can be determined depending on the screwing torque curve, with the at least one data-based parameter model being trained to provide a screwing process parameter depending on the screwing torque curve characteristics, with the maximum screwing torque being determined as a function of the at least one screwing process parameter and as a function of the predetermined preload force.
Beim Prozess des Furchschraubens wird bei einem ersten Anziehen eine selbstfurchende Schraube in eine Vorbohrung eines Materials eingeschraubt, wobei die Schraube ihr eigenes Gegengewinde schneidet. Anschließend wird die Schraube um etwa eine Viertel bis ganze Umdrehung gelöst und mit einem vorgegebenen maximalen Schraubmoment final angezogen. Das aufzuwendende Schraubmoment steigt steil an, sobald das Kinn der Schraube auf dem Fügepartner aufliegt, sodass die Vorspannkraft, die zwischen dem Schraubkopf und dem Fügepartner wirkt, aufgebaut wird.In the self-tapping process, an initial tightening is a self-tapping screw that is threaded into a pilot hole in a material, with the screw tapping its own mating thread. The screw is then loosened by about a quarter to a full turn and finally tightened with a specified maximum screwing torque. The tightening torque to be applied increases sharply as soon as the chin of the screw rests on the joining partner, so that the preload force acting between the screw head and the joining partner is built up.
Die Vorspannkraft, die zwischen dem Schraubkopf und dem Fügepartner wirkt, wird nicht direkt gemessen, da ein Sensor zum Realisieren einer Messung in der Serienproduktion nicht oder nur schwierig zu implementieren ist. Eine Kalibrierung der Vorspannkraft ist zudem aufgrund von Fertigungstoleranzen der Schrauben, der Vorbohrung und dem Werkstückmaterial bei gleichbleibenden Parametern des Schraubprozesses schwierig, da diese mit einer signifikanten statischen Unsicherheit behaftet ist. Jedoch ist der Erwartungswert der erzielten axialen Vorspannkraft umso größer, je größer das beim Einschrauben eingestellte maximale Schraubmoment ist.The preload force that acts between the screw head and the joining partner is not measured directly, since a sensor for realizing a measurement in series production is difficult or impossible to implement. A calibration of the preload force is also difficult due to manufacturing tolerances of the screws, the pilot hole and the workpiece material with constant parameters of the screwing process, since this is subject to a significant static uncertainty. However, the expected value of the axial preload force achieved is the greater, the greater the maximum screwing torque set when screwing in.
Eine Möglichkeit, um eine bestimmte Mindestvorspannkraft der Schraubverbindung zu gewährleisten, ist herkömmlich eine großzügige Bemessung des aufgewendeten Schraubmoments beim finalen Anziehen der Schraube, so dass auch die im Rahmen der statistischen Unsicherheit kleinsten Vorspannkräfte noch oberhalb der geforderten Mindestvorspannkraft liegen. Falls die angestrebte Mindestvorspannkraft in einer Größenordnung liegt, die nahe der Belastungsgrenze der Schraube ist, so ist ein solcher Ansatz nur möglich, wenn die Varianz der eingestellten Vorspannkraft entsprechend klein ist. Daher werden die in Fertigungsprozessen verwendeten selbstfurchenden Schrauben in der Regel so ausgelegt, dass die einzustellende Mindestvorspannkraft einen ausreichenden Abstand zur Belastungsgrenze aufweist. Dadurch werden in vielen Fällen die verwendeten Schrauben zu groß ausgelegt oder eine größere Anzahl von Schrauben, die jeweils eine geringere Vorspannkraft aufnehmen, verwendet, was sich negativ hinsichtlich Produktgewicht und Produktkosten auswirkt.One way to ensure a certain minimum preload force of the screw connection is conventionally a generous dimensioning of the screwing torque used when finally tightening the screw, so that even the smallest preload forces within the framework of statistical uncertainty are still above the required minimum preload force. If the desired If the minimum preload force is in a range that is close to the load limit of the screw, such an approach is only possible if the variance of the set preload force is correspondingly small. Therefore, the self-tapping screws used in manufacturing processes are usually designed in such a way that the minimum preload force to be set is far enough away from the load limit. As a result, in many cases the screws used are designed too large or a larger number of screws, each of which absorbs a lower preload force, is used, which has a negative effect on the product weight and product costs.
Der mindestens eine Schraubprozessparameter kann ein vorgegebenes physikalisches Schraubmodell definieren, das ausgelegt ist, abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft das maximale Schraubmoment auszugeben. Das obige Verfahren sieht somit die Nutzung eines physikalischen Schraubmodells zur Ermittlung eines maximalen Schraubmoments für das insbesondere zweite Anziehen vor, das mithilfe eines oder mehrerer datenbasierter, probabilistischer Parametermodelle, die beispielsweise als Regressionsmodelle, insbesondere als Gauß-Prozess-Modelle, ausgebildet sein können, parametrisiert ist. Dazu wird zunächst während einer oder mehrerer vorangehender Schraubphasen, die vor dem finalen Anziehen der Schraube in einer insbesondere zweiten Anziehphase durchgeführt werden, eine Schraubmomentkurve aufgezeichnet, die den Verlauf des aufgewendeten Drehmoments über einen Drehwinkel der Schraube oder über einer Einschraubzeit, insbesondere bis zum Ende des ersten Anziehens, umfasst.The at least one screwing process parameter can define a predefined physical screwing model that is designed to output the maximum screwing torque as a function of the predefined preload force. The above method thus provides for the use of a physical screwing model to determine a maximum screwing torque for the second tightening in particular, which is parameterized using one or more data-based, probabilistic parameter models, which can be configured, for example, as regression models, in particular as Gaussian process models is. For this purpose, a screwing torque curve is first recorded during one or more preceding screwing phases, which are carried out before the final tightening of the screw in a second tightening phase in particular, which shows the course of the applied torque over a rotation angle of the screw or over a screwing-in time, in particular up to the end of the first tightening.
Merkmale der Schraubmomentkurve werden extrahiert und aus dem einen oder mehreren probabilistischen Parametermodellen ein oder mehrere Schraubmodellparameter für das physikalische Schraubmodell bestimmt. Die so ermittelten Schraubmodellparameter werden in dem physikalischen Schraubmodell genutzt, um unter Vorgabe einer gewünschten Vorspannkraft das notwendige maximale Schraubmoment für das zweite Anziehen zu berechnen.Features of the screwing torque curve are extracted and one or more screwing model parameters for the physical screwing model are determined from the one or more probabilistic parameter models. The screw model parameters determined in this way are used in the physical screw model in order to calculate the necessary maximum screw torque for the second tightening, given a desired preload force.
Die Nutzung des datenbasierten, probabilistischen Parametermodells ermöglicht die Auswertung zahlreicher Messreihen von Schraubmomenten während einer oder mehrerer vorangehender Schraubphasen, um mithilfe geeigneter physikalischer Modelle, die in den vorangehenden Schraubphasen anwendbar sind, die für die zweite Anziehphase nutzbaren Schraubmodellparameter zu bestimmen.The use of the data-based, probabilistic parameter model enables the evaluation of numerous measurement series of tightening torques during one or more preceding tightening phases in order to determine the tightening model parameters that can be used for the second tightening phase with the help of suitable physical models that can be used in the preceding tightening phases.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren mindestens eines datenbasierten Parametermodells zum Bereitstellen mindestens eines Schraubmodellparameters für ein physikalisches Schraubmodell vorgesehen, wobei das physikalische Schraubmodell eine Beziehung zwischen einer Vorspannkraft und einem Schraubmoment abhängig von dem mindestens einen Schraubmodellparameter angibt, mit folgenden Schritten:
- - Einschrauben einer Vielzahl von Schrauben in ein Werkstück, insbesondere bis zum Erreichen eines vorgegebenen ersten maximalen Schraubmoments;
- - Aufzeichnen der Schraubmomentenverläufe;
- - Ermitteln von mindestens einem Schraubmodellparameter mithilfe von mindestens einem weiteren physikalischen Schraubmodell, das durch den mindestens einen Schraubmodellparameter definiert ist, für jeden der
- - Trainieren des mindestens einen datenbasierten Parametermodells abhängig von den jeweiligen Trainingsdatensätzen.
- - Screwing a plurality of screws into a workpiece, in particular until a predetermined first maximum screwing torque is reached;
- - Recording of the screw torque curves;
- - determining at least one screw model parameter using at least one further physical screw model, which is defined by the at least one screw model parameter, for each of the
- - Training the at least one data-based parameter model depending on the respective training data sets.
Weiterhin kann das mindestens eine datenbasierte Parametermodell trainiert werden, um Schraubmomentenverlaufsmerkmale einem Schraubmodellparameter zuzuordnen, wobei die Schraubmomentenverlaufsmerkmale abhängig von dem Schraubmomentenverlauf ermittelt werden.Furthermore, the at least one data-based parameter model can be trained in order to assign features of the course of the screwing torque to a parameter of the screwing model, with the features of the course of the screwing torque being determined as a function of the course of the screwing torque.
Zum Training der datenbasierten Parametermodelle werden aus dem Verlauf des Schraubmoments in jeder der vorangehenden Schraubphasen durch Anpassung des in der jeweiligen Schraubphase geltenden physikalischen Schraubmodells an die Schraubmomentkurve die Schraubmodellparameter durch Anfitten bzw. Ausgleichsrechnung ermittelt. Anschließend werden Schraubmomentverlaufsmerkmale des Verlaufs des Schraubmoments in den vorangehenden Schraubphasen extrahiert, die beispielsweise Absolutwerte des Schraubmoments zu einem oder mehreren bestimmten Zeitpunkten oder Drehwinkeln, Gradienten des Schraubmoments zu einem oder mehreren bestimmten Zeitpunkten oder Drehwinkeln und Integralwerte des Schraubmoments in bestimmten Zeitfenstern bzw. Drehwinkelbereichen sein können. Das Training erfolgt für ein Parametermodell basierend auf Trainingsdatensätzen, die jeweils die Schraubmomentverlaufsmerkmale eines Schraubmomentenverlaufs und dem oder einem der zugeordneten Schraubmodellparameter umfassen. Für mehrere Schraubmodellparameter kann ein jeweils separates Parametermodell trainiert werden.To train the data-based parameter models, the screwing model parameters are determined from the course of the screwing torque in each of the preceding screwing phases by adapting the physical screwing model applicable in the respective screwing phase to the screwing torque curve by fitting or compensating calculations. Subsequently, characteristics of the course of the screwing torque in the previous screwing phases are extracted, which can be, for example, absolute values of the screwing torque at one or more specific points in time or angles of rotation, gradients of the screwing torque at one or more specific points in time or angles of rotation and integral values of the screwing torque in specific time windows or angles of rotation . The training takes place for a parameter model based on training data sets, each of which includes the characteristics of a screwing torque curve and the or one of the associated screwing model parameters. A separate parameter model can be trained for several screw model parameters.
Als zusätzliche Eingangsgröße für das datenbasierte Parametermodell kann die jeweilige Schraubprozessphase, aus der die Schraubmomentverlaufsmerkmale extrahiert wurden, berücksichtigt werden, wie beispielsweise eine Ansetzphase, in der die Schraubenspitze in die Bohrung eingesetzt ist und das Schraubengewinde noch nicht eingreift, eine Einschraubphase, in der die Schraubengewinde in die Innenwand der Bohrung eingreift und ein Innengewinde schneidet, und eine erste Anziehphase, in der der Schraubenkopf auf dem Fügepartner aufsitzt und eine Vorspannkraft auf den Fügepartner ausübt, eine Rückdrehphase, während der die Schraube wieder ausgedreht wird, eine zweite Einschraubphase und eine zweite Anziehphase. Dazu wird der Schraubmomentenverlauf zeitlich aufgeteilt, um die Bereiche der Schraubmomentkurve der entsprechenden Schraubprozessphase zuordnen zu können.As an additional input variable for the data-based parameter model, the respective screwing process phase, from which the screwing torque characteristics were extracted, can be taken into account, such as an attachment phase in which the screw tip is inserted into the hole and the screw thread is not yet engaged, a screwing-in phase in which the screw thread engages in the inner wall of the bore and cuts an internal thread, and a first tightening phase, in which the screw head sits on the joining partner and exerts a pretensioning force on the joining partner, an unscrewing phase, during which the screw is unscrewed again, a second screwing-in phase and a second tightening phase . For this purpose, the course of the screwing torque is divided over time in order to be able to assign the areas of the screwing torque curve to the corresponding screwing process phase.
Auf diese Weise kann bei einem mehrstufigen Einschraubprozess eine maßgeschneiderte Prozessführung auch bei unterschiedlichen Konfigurationen der Schraube und des Fügepartners kontrolliert durchgeführt werden.In this way, a tailor-made process control can be carried out in a multi-stage screwing process, even with different configurations of the screw and the joining partner.
Das obige Verfahren ist jedoch nicht auf den zweistufigen Einschraubprozess beschränkt, sondern kann auch für Einschraubprozesse mit nur einer Anziehphase angewendet werden.However, the above method is not limited to the two-stage screwing process, but can also be applied to screwing processes with only one tightening phase.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Furchschraubsystems zum Einschrauben einer selbstfurchenden Schraube in ein Werkstück; -
2 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs eines Schraubmoments während verschiedener Schraubphasen des Schraubvorgangs in das Werkstück; -
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Durchführen eines Furchschraubprozesses in dem Schraubsystems der1 ; und -
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Trainieren des mindestens einen Parametermodells zur Ermittlung von Schraubprozessparametern für das physikalische Schraubmodell.
-
1 a schematic representation of a tapping screw system for screwing a self-tapping screw into a workpiece; -
2 a diagram showing the course of a screwing torque during different screwing phases of the screwing process into the workpiece; -
3 a flowchart to illustrate a method for performing a tapping screwing process in the screwingsystem 1 ; and -
4 a flowchart to illustrate a method for training the at least one parameter model for determining screwing process parameters for the physical screwing model.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Das Einschrauben der Schraube 3 erfolgt in der Regel gemäß einem sogenannten Furchschraubprozess, der durch eine Steuereinheit 6 durchgeführt wird, indem die Schraubvorrichtung 2 in entsprechender Weise angesteuert wird.The
Der Furchschraubprozess erfolgt in mehreren Schraubphasen, die beispielhaft in dem Diagramm der
Die Schraubphasen umfassen: eine Ansetzphase e, in der die Schraubenspitze 33 in die Bohrung 5 eingesetzt ist und das Schraubengewinde 34 noch nicht vollständig eingreift, eine Einschraubphase a, in der das Schraubengewinde 34 in die Innenwand der Bohrung 5 eingreift und ein Innengewinde schneidet, eine erste Anziehphase t, in der die Schraube 3 mit einem vorbestimmten (ersten) maximalen Schraubmoment angezogen wird, so dass der Schraubenkopf 31 mit seinem Kinn 32 auf dem Werkstück 4 aufliegt und eine Vorspannkraft ausübt, eine Rückdrehphase r, während der die Schraube 3 wieder um eine Viertel bis ganze Umdrehung ausgedreht wird, eine zweite Einschraubphase a* und eine zweite Anziehphase t*, in der die Schraube 3 mit einem vorgegebenen maximalen Schraubmoment angezogen wird.The screwing phases include: an application phase e, in which the screw tip 33 is inserted into the
Man erkennt, dass in der ersten Anziehphase die Vorspannkraft ansteigt, sobald das Kinn 32 des Schraubenkopfs 31 auf dem Werkstück 4 aufliegt. Gleichzeitig steigt auch das aufzuwendende Schraubmoment T stark an und wird durch ein vorgegebenes maximales Schraubmoment T für das erste Anziehen begrenzt. In der Rückdrehphase wird die Schraube 3 zurückgedreht, die Vorspannkraft F reduziert sich wieder auf null und das aufgewendete Schraubmoment T wird negativ.It can be seen that in the first tightening phase the pretensioning force increases as soon as the
Der zweistufige Prozess des Anziehens der Schraube 3 in diesem Ausführungsbeispiel dient dazu, die Schraubmodellparameter zum Bestimmen des aufzuwendenden Schraubmoments für eine definierte Vorspannkraft genauer bestimmen zu können, so dass die Vorspannkraft zwischen dem Werkstück 3 und dem Schraubenkopf 31 genauer eingestellt werden kann.The two-stage process of tightening the
Die einzelnen Prozessphasen des Schraubvorgangs folgen entsprechend unterschiedlichen Funktionen, wobei insgesamt das Schraubmoment T definiert ist als
Das physikalische Schraubmodell Tt* soll für das zweite Anziehen verwendet werden, um ohne eine Messmöglichkeit der Vorspannkraft in der Fertigungslinie die spezifizierte Vorspannkraft F einzustellen. Mit dem Schraubmodell wird das dazu notwendige maximale Schraubmoment Tmax berechnet und dann die Schraube 3 entsprechend angezogen, bis dieses Schraubmoment T (in Nm) bei angehaltener Schraubendrehung erreicht wird.The physical screw model T t* is to be used for the second tightening in order to set the specified preload force F without being able to measure the preload force on the production line. The maximum screwing torque T max required for this is calculated with the screwing model and the
Grundsätzlich ist das Verfahren auch für einen einstufigen Schraubprozess verwendbar, bei dem lediglich die Schraubphasen e, a, t betrachtet werden. Die Anziehphase stellt dabei das finale Anziehen der Schraube dar. Die benötigten Schraubmodellparameter werden dabei durch die Beobachtungen in der Ansetzphase und in der Einschraubphase erfasst und für die Ermittlung des aufzuwendenden Schraubmoments T in der (ersten) finalen Anziehphase verwendet.In principle, the method can also be used for a single-stage screwing process in which only the screwing phases e, a, t are considered. The tightening phase represents the final tightening of the screw. The required screw model parameters are recorded through the observations in the attachment phase and in the screwing-in phase and are used to determine the screwing torque T to be applied in the (first) final tightening phase.
In dem Flussdiagramm der
In Schritt S1 wird eine gewünschte Vorspannkraft F entsprechend angegeben.In step S1, a desired prestressing force F is indicated accordingly.
Anschließend wird in Schritt S2 der Einschraubprozess gestartet. Dazu wird die Schraube 3 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bzw. einem vorgegebenen Geschwindigkeitsverlauf gedreht und mit definierter, vorgegebener Aufpresskraft auf die Vorbohrung 5 aufgesetzt. In der Eingriffsphase e greift das Gewinde der Schraube 3 noch nicht vollständig in die Vorbohrung 5 ein und sucht sich einen Eingriffspunkt, um in das Material des Werkstücks 4 einzuschneiden. Nachfolgend wird die Schraube 3 während der Einschraubphase a eingeschraubt. Dabei schneidet sich das Gewinde der Schraube 3 in die Wand der Vorbohrung 5 ein und bildet so ein Schraubgewinde aus.The screwing-in process is then started in step S2. For this purpose, the
Die nachfolgende erste Anziehphase t betrifft die Phase ab dem Aufsetzen des Schraubkopfes auf das Werkstück und dauert bis zum Erreichen eines ersten vorgegebenen maximalen Schraubmoments Tmax. Das erste vorgegebene maximale Schraubmoment Tmax entspricht einem maximalen Schraubmoment, das mit einem Sicherheitsabstand zu einem Schraubmoment gewählt ist, bei dem ein Abriss des Schraubenkopfes wahrscheinlich oder sicher ist. Zusätzlich sollte das erste vorgegebene maximale Schraubmoment größer sein als ein zweites vorgegebenes maximales Schraubmoment Tmax für das nachfolgende zweite Anziehen, damit es beim zweiten Anziehen nicht erneut zu einem Gewindeschneiden kommen kann.The subsequent first tightening phase t relates to the phase from when the screw head is placed on the workpiece and lasts until a first predetermined maximum screw torque T max is reached. The first predetermined maximum screwing torque T max corresponds to a maximum screwing torque that is selected with a safety margin to a screwing torque at which tearing off of the screw head is likely or certain. In addition, the first specified maximum screwing torque should be greater than a second specified maximum screwing torque T max for the subsequent second tightening, so that thread cutting cannot occur again during the second tightening.
Während des Einschraubprozesses wird der Verlauf des Schraubmoments T erfasst.The course of the screwing torque T is recorded during the screwing process.
In Schritt S3 werden aus den Schraubmomentenverläufen für eine oder mehrere der Schraubphasen e, a, t Schraubmomentenverlaufsmerkmale ermittelt, die beispielsweise Absolutwerte des Schraubmoments zu einem oder mehreren bestimmten Zeitpunkten, Gradienten des Schraubmoments zu einem oder mehreren bestimmten Zeitpunkten und Integralwerte des Schraubmoments in bestimmten Zeitfenstern während der Schraubphasen e, a, t ermittelt.In step S3, the screwing torque profiles for one or more of the screwing phases e, a, t are used to determine screwing torque profile features that determine, for example, absolute values of the screwing torque at one or more specific points in time, gradients of the screwing torque at one or more specific points in time, and integral values of the screwing torque th time windows during the screwing phases e, a, t determined.
In Schritt S4 wird nun aus den Schraubmomentmerkmalen mithilfe von mindestens einem datenbasierten Parametermodell mindestens ein Schraubmodellparameter v1, ..., vn bestimmt. Die Schraubmodellparameter entsprechen Parametern eines physikalischen Schraubmodells und stellen veränderliche Größen dar, die während des Schraubprozess variieren können, wie beispielsweise den Durchmesser der Vorbohrung oder auch die notwendige Energie, um die Schraube ausgehend von einem Drehwinkel ϕ1 zu einem Drehwinkel ϕ2 zu drehen.In step S4, at least one screw model parameter v 1 , . . . , v n is now determined from the screw torque characteristics using at least one data-based parameter model. The screw model parameters correspond to parameters of a physical screw model and represent variables that can vary during the screwing process, such as the diameter of the pilot hole or the energy required to turn the screw from a rotation angle ϕ1 to a rotation angle ϕ2.
Sind die entsprechenden Schraubmodellparameter ermittelt, wird die Schraube 3 in Schritt S5 in der Rückdrehphase r und einer zweiten Einschraubphase a* weiter eingedreht.Once the corresponding screwing model parameters have been determined, the
Zum Festlegen des maximalen Schraubmoments Tmax für das zweite Anziehen wird das physikalische Schraubmodell Tt* für das zweite Anziehen mit dem mindestens einen, zuvor aus dem datenbasierten Parametermodell ermittelten Schraubmodellparameter v1, ..., vn bestimmt.To set the maximum screwing torque T max for the second tightening, the physical screwing model T t * for the second tightening is determined using the at least one screwing model parameter v 1 , . . . , v n previously determined from the data-based parameter model.
Anschließend wird die Schraube 3 in Schritt S6 in der zweiten Anziehphase mit dem entsprechenden maximalen Schraubmoment Tmax für das zweite Anziehen angezogen.The
Das Schraubmodell kann beispielsweise einem Modell aus der eingangs genannten Druckschrift entsprechen, wie folgt
Die Ansetzphase e entspricht in der Regel drei Umdrehungen, während denen der das Gewinde im Bereich des konischen Zulaufs der Schraube 3 in Eingriff gelangt. Anschließend beginnt die Einschraubphase a. Die einzelnen Schraubphasen e, a, t können aus dem Verlauf des Schraubmoments identifiziert werden. Dabei kann der Übergang zwischen der Ansetzphase e und der Einschraubphase a durch einen Anstieg des Schraubmoments mit einem Gradienten über einem vorgegebenen ersten Schraubmomentengradientenschwellenwert festgestellt werden. Der Übergang von der Einschraubphase a zu der ersten Anziehphase t kann durch einen entsprechenden weiteren Anstieg des aufzuwendenden Schraubmoments mit einem Gradienten über einen vorgegebenen zweiten Schraubmomentengradientenschwellenwert festgestellt werden.The attachment phase e usually corresponds to three turns during which the thread in the area of the conical inlet of the
Das Parametermodell ist ein datenbasiertes, probabilistisches Modell, insbesondere ein Regressionsmodell, wie z. B. ein Gauß-Prozess-Modell oder dergleichen. Für die Vorhersage eines der Schraubmodellparameter v1, ..., vn der Funktionsauswertung bei einem Satz von Schraubmomentmerkmalen der Schraubmomentkurve xN+1 wird der Erwartungswert µ des Gauß-Prozesses
Das Skalar c ist normalerweise durch c = k(xN+1, xN+1) + β-1 gegeben. Der Vektor t beinhaltet zu den einzelnen Merkmalssätzen xi die jeweiligen Resultate. Der Vektor k beinhaltet die Werte der Kernelfunktion, welche die Information codiert, inwieweit das Ergebnis der Kombination aus den Merkmalen xn noch einen Einfluss auf das Ergebnis der Merkmale xm besitzt. Große Werte stehen dabei für einen hohen Einfluss. Wenn der Wert 0 beträgt, ist kein Einfluss vorhanden. Für die Vorhersage des Erwartungswertes µ und der Varianz σ in obiger Formel wird k dazu aus allen Merkmalssätzen xi (i=1 ... N) und dem zu untersuchenden Merkmalssatz xN+1 berechnet. Für die im konkreten Fall zu verwendende Kernelfunktion kann vorzugsweise ein exponentieller Kernel verwendet werden
Aus diesem Modell lassen sich für jede Schraubenmomentkurve und den daraus ermittelten Schraubenmomentmerkmalen xN+1 für einen entsprechenden Schraubmodellparameter v1, ..., vn der Erwartungswert E(vN+1) = µ(xN+1) sowie die Varianz Var(vN+1) = σ2(xN+1) ermitteln.The expected value E(v N+1 )=µ(x N+1 ) and the variance can be derived from this model for each bolt torque curve and the bolt torque characteristics x N+1 determined from it for a corresponding bolt model parameter v 1 , ..., v n Determine Var(v N+1 ) = σ 2 (x N+1 ).
Das Training des Parametermodells kann gemäß einem Verfahren, wie es durch das Flussdiagramm der
Dazu werden in Schritt S11 Schraubmomentenverläufe von der zweiten Anziehphase vorangehenden Schraubmomentenverläufen, insbesondere der Eingriffsphase e, der ersten Einschraubphase a und der ersten Anziehphase t ermittelt.For this purpose, in step S11 screwing torque profiles are determined from the screwing torque profiles preceding the second tightening phase, in particular the engagement phase e, the first screwing-in phase a and the first tightening phase t.
Die Schraubmomentenverläufe werden in Schritt S12 jeweils schraubphasenweise an das der jeweiligen Schraubphase zugrundeliegende physikalische Modell gefittet, um jeweils zumindest einen Teil der Schraubmodellparameter v1, ..., vn, die für das physikalische Modell der zweiten Anziehphase benötigt werden, zu ermitteln.In step S12, the screwing torque curves are fitted in each screwing phase to the physical model on which the respective screwing phase is based, in order to determine at least part of the screwing model parameters v 1 , . . . , v n that are required for the physical model of the second tightening phase.
So können die Schraubmomentenverläufe physikalischen Modellen für die verschiedenen Schraubphasen zugeordnet werden wie beispielsweise:
- In Schritt S13 werden jedem der Schraubmomentenverläufe Schraubmomentenverlaufsmerkmale zugeordnet. Die Schraubmomentenverlaufsmerkmale können Gradienten, Integralen, Absolutwerten jeweils an ausgewählten Winkelabschnitten entsprechen.
- In step S13, each of the screwing torque profiles are assigned screwing torque profile features. The characteristics of the screw torque course can correspond to gradients, integrals, absolute values, each at selected angle sections.
In Schritt S14 wird für jeden der ermittelten Schraubmodellparameter ein separates Parametermodell trainiert, um die zugeordneten Schraubmomentverlaufsmerkmale eines Einschraubprozesses den jeweiligen Schraubmodellparametern zuzuordnen.In step S14, a separate parameter model is trained for each of the determined screwing model parameters in order to assign the assigned screwing torque characteristics of a screwing process to the respective screwing model parameters.
Somit kann das Trainieren des Parametermodells basierend auf den Schraubmomentverlaufsmerkmalen und basierend auf den Schraubmodellparametern durchgeführt werden, die sich basierend auf den zugrundliegenden physikalischen Modellen für die einzelnen Schraubphasen ergeben.In this way, the parameter model can be trained based on the characteristics of the course of the screwing torque and based on the screwing model parameters that result from the underlying physical models for the individual screwing phases.
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