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DE102020211666A1 - Method and device for performing a screwing process using methods of artificial intelligence - Google Patents

Method and device for performing a screwing process using methods of artificial intelligence Download PDF

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Publication number
DE102020211666A1
DE102020211666A1 DE102020211666.0A DE102020211666A DE102020211666A1 DE 102020211666 A1 DE102020211666 A1 DE 102020211666A1 DE 102020211666 A DE102020211666 A DE 102020211666A DE 102020211666 A1 DE102020211666 A1 DE 102020211666A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
screwing
screw
model
torque
screwing torque
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020211666.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Rainer Schwarz
Lothar Backes
Martin Lustfeld
Isabella Reuss
Tsvetelina Yordanova
Achim Romer
Andreas Michalowski
Sinan Yalcin
Michael Schaenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102020211666.0A priority Critical patent/DE102020211666A1/en
Priority to CN202111085802.3A priority patent/CN114193141A/en
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P19/06Screw or nut setting or loosening machines
    • B23P19/065Arrangements for torque limiters or torque indicators in screw or nut setting machines
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)

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.

Figure DE102020211666A1_0000
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 ).
Figure DE102020211666A1_0000

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 claim 1 and a device according to the independent claim are provided.

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.
According to a first aspect, a computer-implemented method for carrying out a screwing process, in particular a screw-forming process, with a predetermined preload force is provided, with the following steps:
  • - 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
Schraubmomentenverläufe, insbesondere durch Anfitten oder eine Ausgleichsrechnung, um einen jeweiligen Trainingsdatensatz zu erhalten, der den Schraubmomentenverlauf dem mindestens einen ermittelten Schraubmodellparameter zuordnet;
  • - Trainieren des mindestens einen datenbasierten Parametermodells abhängig von den jeweiligen Trainingsdatensätzen.
According to a further aspect, a computer-implemented method for training at least one data-based parameter model for providing at least one screw model parameter for a physical screw model is provided, the physical screw model specifying a relationship between a preload force and a screw torque depending on the at least one screw model parameter, with the following steps:
  • - 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
Screwing torque curves, in particular by fitting or a compensation calculation, in order to obtain a respective training data record which assigns the screwing torque curve to the at least one determined screwing model parameter;
  • - 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 der 1; und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Trainieren des mindestens einen Parametermodells zur Ermittlung von Schraubprozessparametern für das physikalische Schraubmodell.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 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 screwing system 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

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schraubsystems 1 als Teil eines Fertigungssystems für ein Produkt. Das Schraubsystem 1 weist eine Schraubvorrichtung 2 auf, die in an sich bekannter Weise in der Lage ist, eine Schraube 3 zu greifen und diese durch Aufbringen eines Schraubmoments in ein Werkstück 4 einzuschrauben. Das Werkstück 4 ist dazu vorzugsweise mit einer Bohrung 5 vorgebohrt, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Gewindeteils der Schraube 3. Insbesondere kann der Durchmesser der Vorbohrung größer sein als der Schraubendurchmesser ohne die Gewindeflanke, jedoch kleiner sein als der Schraubendurchmesser einschließlich der Gewindeflanke. 1 shows a schematic representation of a screwing system 1 as part of a manufacturing system for a product. The screwing system 1 has a screwing device 2 which, in a manner known per se, is capable of gripping a screw 3 and screwing it into a workpiece 4 by applying a screwing torque. For this purpose, the workpiece 4 is preferably pre-drilled with a bore 5, the diameter of which is smaller than the diameter of the threaded part of the screw 3. In particular, the diameter of the pre-bore can be larger than the screw diameter without the thread flank, but smaller than the screw diameter including the thread flank.

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 screw 3 is usually screwed in according to a so-called self-tapping screwing process, which is carried out by a control unit 6 in that the screwing device 2 is controlled in a corresponding manner.

Der Furchschraubprozess erfolgt in mehreren Schraubphasen, die beispielhaft in dem Diagramm der 2 dargestellt sind. Der hierin beispielhaft dargestellte Schraubprozess erfolgt zweistufig mit einem ersten Anziehen und einem zweiten, abschließenden Anziehen. Das Verfahren ist jedoch ohne Einschränkung auch für einstufige Schraubprozesse anwendbar. Gezeigt sind in 2 die Verläufe des Schraubmoments T und der Vorspannkraft F über der Zeit.The self-tapping process takes place in several screwing phases, which are shown in the diagram in Fig 2 are shown. The screwing process shown here as an example takes place in two stages with a first tightening and a second, final tightening. However, the method can also be used without restriction for single-stage screwing processes. are shown in 2 the curves of the screw torque T and the preload force F over time.

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 bore 5 and the screw thread 34 is not yet fully engaged, a screwing-in phase a, in which the screw thread 34 engages the inner wall of the bore 5 and cuts an internal thread, a first tightening phase t, in which the screw 3 is tightened with a predetermined (first) maximum screwing torque, so that the screw head 31 rests with its chin 32 on the workpiece 4 and exerts a pretensioning force, a reverse rotation phase r, during which the screw 3 turns again is unscrewed a quarter to a full turn, a second screwing-in phase a* and a second tightening phase t*, in which the screw 3 is tightened with a predetermined maximum screwing torque.

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 chin 32 of the screw head 31 rests on the workpiece 4 . At the same time, the screwing torque T to be applied increases sharply and is limited by a predetermined maximum screwing torque T for the first tightening. In the reverse phase, the screw 3 is turned back, the preload force F is reduced to zero again and the screwing torque T used becomes negative.

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 screw 3 in this exemplary embodiment serves to be able to more precisely determine the screw model parameters for determining the screw torque to be applied for a defined preload force, so that the preload force between the workpiece 3 and the screw head 31 can be set more precisely.

Die einzelnen Prozessphasen des Schraubvorgangs folgen entsprechend unterschiedlichen Funktionen, wobei insgesamt das Schraubmoment T definiert ist als T ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k , i ) = { T e ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 1 : Ansetzen T a ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 2 : erstes Einschrauben T t ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 3 : erstes Anziehen T r ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 4 : R u ¨ ckdrehen T a * ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 5 : zweites Einschrauben T t * ( ϕ , F , v 1 , , v n , k 1 , k ) , i = 6 : zweites Anziehen

Figure DE102020211666A1_0001
wobei jede Schraubphase i des Schraubprozesses e, a, t, r, a*, t* durch einen Startwinkel und einen Endwinkel definiert ist. In der Rückdrehphase r ist der Endwinkel kleiner als der Startwinkel, da die Schraube 3 hier in entgegengesetzter Richtung gedreht wird. Man erkennt, dass die zugrundeliegenden Schraubmodelle zwar unterschiedlich sind, jedoch durch identische Parameter v1,...,vn, k1, ..., kr die Vorspannkraft F und den Drehwinkel ϕ definiert sind. Während die Schraubprozessparameter v1, ..., vn Modellparameter sind, die für jeden Schraubprozess veränderlich sein können, wie beispielsweise der Durchmesser der Vorbohrung 5 oder auch die notwendige Energie, um die Schraube 3 ausgehend von einem Drehwinkel 41 bis zum einem Drehwinkel 42 zu drehen, stellen die Modellparameter k1, ..., kr Parameter dar, welche sich innerhalb einer Serie von Verschraubungen nicht ändern und deren Werte daher für eine Serie nur einmalig bestimmt werden müssen. Beispielsweise können die Modellparameter k1, ..., kr relevante Materialeigenschaften der Schraube 3 und/oder des Werkstücks umfassen.The individual process phases of the screwing process follow different functions, with the overall screwing torque T being defined as T ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k , i ) = { T e ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 1 : attachment T a ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 2 : first screwing T t ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 3 : first dressing T right ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 4 : R and ¨ turn back T a * ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 5 : second screwing T t * ( ϕ , f , v 1 , ... , v n , k 1 , ... k ) , i = 6 : second dressing
Figure DE102020211666A1_0001
where each screwing phase i of the screwing process e, a, t, r, a*, t* is defined by a start angle and an end angle. In the reverse turning phase r, the end angle is smaller than the starting angle, since the screw 3 is turned in the opposite direction here. It can be seen that the underlying screw models are different, but the preload force F and the angle of rotation ϕ are defined by identical parameters v 1 ,...,v n , k 1 ,..., k r . While the screwing process parameters v 1 , ..., v n are model parameters that can be changed for each screwing process, such as the diameter of the pilot hole 5 or the energy required to turn the screw 3 starting from a rotation angle 41 to a rotation angle 42 to rotate, the model parameters k 1 , ..., k r represent parameters which do not change within a series of screw connections and whose values therefore only have to be determined once for a series. For example, the model parameters k 1 , . . . , k r can include relevant material properties of the screw 3 and/or the workpiece.

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 screw 3 is then tightened accordingly until this screwing torque T (in Nm) is reached with the screw rotation stopped.

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 3 ist ein Prozess dargestellt, der in dem Schraubsystem 1 als Software oder Hardware implementiert sein kann. Das Verfahren sieht vor, eine Schraube in ein Werkstück einzudrehen, sodass der Schraubkopf 31 mit einer definierten Vorspannkraft F (in N) auf das Werkstück 4 drückt.In the flow chart of 3 a process is shown which can be implemented in the screwing system 1 as software or hardware. The method provides for screwing a screw into a workpiece so that the screw head 31 presses onto the workpiece 4 with a defined preload force F (in N).

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 screw 3 is rotated at a predetermined speed or a predetermined speed profile and placed on the pilot hole 5 with a defined, predetermined press-on force. In the engagement phase e, the thread of the screw 3 is not yet fully engaged in the pilot hole 5 and is looking for an engagement point in order to cut into the material of the workpiece 4 . Subsequently, the screw 3 is screwed in during the screwing-in phase a. The thread of the screw 3 cuts into the wall of the pilot hole 5 and thus forms a screw thread.

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 screw 3 is screwed in further in step S5 in the reverse rotation phase r and a second screwing-in phase a*.

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 screw 3 is then tightened in step S6 in the second tightening phase with the corresponding maximum screw torque T max for the second tightening.

Das Schraubmodell kann beispielsweise einem Modell aus der eingangs genannten Druckschrift entsprechen, wie folgt T = F ( p 2 π + μ 1 c o s β ( D s + D h 4 ) + μ 2 ( D n + D s h 4 ) )

Figure DE102020211666A1_0002
wobei p der Gewindesteigung, µ1 einem Reibungskoeffizienten zwischen Schraube und Bohrung, Ds größter Durchmesser der Schraube, Dh Durchmesser der Bohrung, µ2 einem Reibungskoeffizienten zwischen Schraubenkopf und Werkstück, Dsh dem Durchmesser des Schraubenkopfes, Dn dem Durchmesser der Schraube ohne Gewinde entsprechen. Diese Größen entsprechen den Schraubmodellparametern v1, ..., vn.The screw model can, for example, correspond to a model from the document mentioned at the outset, as follows T = f ( p 2 π + µ 1 c O s β ( D s + D H 4 ) + µ 2 ( D n + D s H 4 ) )
Figure DE102020211666A1_0002
where p is the thread pitch, µ 1 is the coefficient of friction between the screw and the hole, D s is the largest diameter of the screw, D h is the diameter of the hole, µ 2 is the coefficient of friction between the screw head and the workpiece, D sh is the diameter of the screw head, D n is the diameter of the screw without match thread. These quantities correspond to the screw model parameters v 1 , ..., v n .

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 screw 3 comes into engagement. The screwing-in phase a then begins. The individual screwing phases e, a, t can be identified from the course of the screwing torque. The transition between the attachment phase e and the screwing phase a can be determined by an increase in the screwing torque with a gradient above a predetermined first screwing torque gradient threshold value. The transition from the screwing-in phase a to the first tightening phase t can be determined by a corresponding further increase in the screwing torque to be applied with a gradient above a predetermined second screwing-torque gradient threshold value.

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 μ ( x N + 1 ) = k T C N 1 t

Figure DE102020211666A1_0003
mit der Varianz σ 2 ( x N + 1 ) = c k T C N 1 k
Figure DE102020211666A1_0004
ausgegeben. Hier bedeutet CN die Kovarianzmatrix, welche gegeben ist durch C(xn, xm) = k(xn,xm) + β-1δnm, wobei xn bzw. xm Kombinationen von Merkmalen sind, die bereits in das Parametermodell aufgenommen wurden. Die Größe β stellt die Präzision (Kehrwert der Varianz) der Normalverteilung dar, welche für die Reproduzierbarkeit von Experimenten bei gleichem Satz von Merkmalen steht. δnm ist das Kronecker-Symbol.The parameter model is a data-based, probabilistic model, in particular a regression model, such as B. a Gaussian process model or the like. The expected value μ of the Gaussian process is used for the prediction of one of the screwing model parameters v 1 , µ ( x N + 1 ) = k T C N 1 t
Figure DE102020211666A1_0003
with the variance σ 2 ( x N + 1 ) = c k T C N 1 k
Figure DE102020211666A1_0004
issued. Here, C N means the covariance matrix, which is given by C(x n , x m ) = k(x n ,x m ) + β -1 δ nm , where x n and x m are combinations of features already mentioned in the parameter model were included. The quantity β represents the precision (reciprocal of the variance) of the normal distribution, which stands for the reproducibility of experiments with the same set of characteristics. δ nm is the Kronecker symbol.

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 k ( x n , x m ) = Θ 0 exp ( Θ 1 x n x m )

Figure DE102020211666A1_0005
mit den wählbaren Hyperparametern Θ0 und Θ1. Θ1 ist entscheidend für den Einfluss des Abstandes zwischen den Funktionswerten bei den Merkmalssätzen xn und xm, weil die Funktion für große Werte von Θ1 gegen null geht.The scalar c is usually given by c = k(x N+1 , x N+1 ) + β -1 . The vector t contains the respective results for the individual feature sets x i . The vector k contains the values of the kernel function, which encodes the information to what extent the result of the combination of the features xn still has an influence on the result of the features xm . Large values stand for a high influence. If the value is 0, there is no influence. To predict the expected value µ and the variance σ in the above formula, k is calculated from all feature sets x i (i=1 ... N) and the feature set x N+1 to be examined. An exponential kernel can preferably be used for the kernel function to be used in the specific case k ( x n , x m ) = θ 0 ex ( θ 1 x n x m )
Figure DE102020211666A1_0005
with the selectable hyperparameters Θ 0 and Θ 1 . Θ 1 is crucial to the influence of the distance between the function values in the feature sets x n and x m , because the function tends to zero for large values of Θ 1 .

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 4 dargestellt ist, durchgeführt werden.The training of the parametric model can be carried out according to a method as illustrated by the flow chart of FIG 4 is shown to be carried out.

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 this way, the tightening torque curves can be assigned to physical models for the various tightening phases, such as:
  • 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.

Claims (10)

Computerimplementiertes Verfahren zum Durchführen eines Einschraubprozesses, insbesondere 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.Computer-implemented method for carrying out a screwing process, in particular a self-tapping screwing process, with a predetermined prestressing 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 (Tmax) 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 ). Verfahren nach Anspruch 1, wobei 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 (Tmax) abhängig von dem mindestens einen Schraubprozessparameter und abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft (F) zu ermitteln ist.procedure after claim 1 , where screwing torque curve characteristics are determined depending on the screwing torque curve, the at least one data-based parameter model being trained to provide a screwing process parameter depending on the screwing torque curve characteristics, the maximum screwing torque (T max ) depending on the at least one screwing process parameter and depending on the specified preload force (F ) is to be determined. Verfahren nach Anspruch 2, wobei aus dem Schraubmomentenverlauf eine oder mehrere der folgenden Größen als Schraubmomentenverlaufsmerkmale ermittelt werden: 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 oder bestimmten Drehwinkelbereichen.procedure after claim 2 , whereby one or more of the following variables are determined from the course of the screwing torque as features of the course of the screwing torque: 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 specific angles of rotation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine datenbasierte Parametermodell ein Regressionsmodell, insbesondere ein Gauß-Prozess-Modell, umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , wherein the at least one data-based parameter model comprises a regression model, in particular a Gaussian process model. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Schraubprozessparameter ein vorgegebenes physikalisches Schraubmodell definiert, das ausgelegt ist, abhängig von der vorgegebenen Vorspannkraft (F) das maximale Schraubmoment (Tmax) auszugeben.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , wherein the at least one screwing process parameter defines a predetermined physical screwing model that is designed to output the maximum screwing torque (T max ) as a function of the predetermined preload force (F). Computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren mindestens eines datenbasierten Parametermodells zum Bereitstellen mindestens eines Schraubmodellparameters für ein physikalisches Schraubmodell, 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 (S11) der Schraubmomentenverläufe; - Ermitteln (S12) von mindestens einem Schraubmodellparameter mithilfe von mindestens einem weiteren physikalischen Schraubmodell, das durch den mindestens einen Schraubmodellparameter definiert ist, für jeden der Schraubmomentenverläufe, insbesondere durch Anfitten oder eine Ausgleichsrechnung, um einen jeweiligen Trainingsdatensatz zu erhalten, der den Schraubmomentenverlauf dem mindestens einen ermittelten Schraubmodellparameter zuordnet; - Trainieren (S14) des mindestens eines datenbasierten Parametermodells abhängig von den jeweiligen Trainingsdatensätzen; - Verwenden des mindestens einen datenbasierten Parametermodells in einem Einschraubprozess.Computer-implemented method for training at least one data-based parameter model for providing at least one screw model parameter for a physical screw model, wherein the physical screw model specifies a relationship between a preload force and a screw torque depending on the at least one screw model parameter, with the following steps: - screwing a plurality of screws into one Workpiece, in particular until a predetermined first maximum screwing torque is reached; - Recording (S11) of the screw torque curves; - Determination (S12) of 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 screw torque curves, in particular by fitting or a compensation calculation, to a respective training data to obtain a data set that assigns the screwing torque curve to the at least one determined screwing model parameter; - Training (S14) of the at least one data-based parameter model depending on the respective training data sets; - Using the at least one data-based parameter model in a screwing process. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine datenbasierte Parametermodell trainiert wird, um Schraubmomentenverlaufsmerkmale einem Schraubmodellparameter zuzuordnen, wobei die Schraubmomentenverlaufsmerkmale abhängig von dem Schraubmomentenverlauf ermittelt werden.procedure after claim 6 , wherein the at least one data-based parameter model is trained in order to assign screwing torque curve features to a screwing model parameter, the screwing torque curve features being determined as a function of the screwing torque curve. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche.Device for carrying out a method according to one of the preceding claims. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.Computer program product, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to carry out the steps of the method according to one of Claims 1 until 7 to execute. Maschinenlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.A machine-readable storage medium comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform the steps of the method of any one of Claims 1 until 7 to execute.
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