DE19944717A1

DE19944717A1 - Verfahren zum Betrieb einer Schraubvorrichtung

Info

Publication number: DE19944717A1
Application number: DE1999144717
Authority: DE
Inventors: Michael Klos; Reiner Ade; Robert Klingel
Original assignee: Weber Schraubautomaten GmbH
Current assignee: Weber Schraubautomaten GmbH
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-22
Also published as: WO2001021965A1; AU7657300A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einschraubvorrichtung zur Herstellung einer definierten Schraubverbindung, über die zumindest zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Klemmkraft aneinandergepreßt werden, mit den folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A - Erfassen der akustischen Emission, die während zumindest eines Referenz-Schraubvorgangs in einer Schraube und/oder den zu verspannenden Bauteilen entsteht und Erzeugung eines entsprechenden elektrischen oder optischen Signals, DOLLAR A - Extraktion von zumindest zwei Merkmalen aus dem elektrischen oder optischen Signal mittels mathematischer Methoden, DOLLAR A - Ermitteln desjenigen Merkmals, dessen Verlauf am besten mit der Klemmkraft der Schraubverbindung korreliert, DOLLAR A - Aufstellen der Kennlinie zwischen der Klemmkraft und dem ermittelten Merkmal, DOLLAR A - Konfiguration einer Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung, derart, daß das ermittelte Merkmal direkt aus dem elektrischen oder optischen Signal berechenbar ist, und DOLLAR A - Steuerung und/oder Überwachung und/oder Prozeßbewertung des Schraubvorgangs in Abhängigkeit von der ermittelten Kennlinie und dem von der Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung gelieferten Signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Schraubvorrichtung zur Herstellung einer definierten Schraubverbindung, über die zumindest zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Klemmkraft aneinandergepreßt werden.

In der industriellen Produktion werden häufig elektronisch gesteuerte Schraubsysteme verwendet, die über eine Antriebseinheit und eine Werk zeugspindel mit einem Schraubwerkzeug eine Schraube mit einem vorbe stimmten Drehmoment einschrauben, um miteinander zu verbindende Teile mit einer bestimmten Klemmkraft aneinanderzupressen. Diese Kraft wird auch als Vorspannkraft bezeichnet und entsteht durch die elastische Längenänderung des Schraubenschaftes. In vielen Anwendungsfällen ist es nötig, die Klemmkraft der Schraubverbindung möglichst genau auf ei nen vorbestimmten Wert einzustellen. Dazu ist es erforderlich, während des Schraubvorgangs die Klemmkraft der Schraubverbindung zu ermit teln.

Es ist bekannt, die Vorspannkraft indirekt über die Messung des Drehmoments während des Einschraubvorgangs zu bestimmen, wobei aus dem in die Schraubverbindung eingeleiteten Drehmoment auf die Vor spannkraft der Schraubverbindung geschlossen wird. Bei dieser indirek ten Bestimmung der Vorspannkraft tritt jedoch das Problem auf, daß beim Anziehen einer Schraube das aufgebrachte Drehmoment nur zu einem Teil die Längenänderung der Schraube und damit die Erzeugung der Vor spannkraft bewirkt, während der andere Teil des Drehmoments durch die Reibung von Schraubengewinde und Schraubenkopf aufgenommen wird. Da diese Reibwerte jedoch starken Schwankungen unterworfen sind, ist das Drehmoment nur bedingt zur Erzeugung einer reproduzierbaren Vor spannkraft geeignet.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannkraft ist in der Offenlegungsschrift DE 40 17 726 A1 offenbart, bei der mittels Ultra schall die Längenänderung und damit die Vorspannkraft einer Schraube gemessen wird. Dazu wird über ein Piezo-Element, das zuvor auf die Schraube aufgebracht wurde, ein Ultraschall-Impuls in die Schraube ein geleitet, welcher durch eine externe Quelle erzeugt wird. Die Ultraschall wellen werden vom Ende der Schraube reflektiert, und mittels des Piezo- Elements kann die Laufzeit der Ultraschallwellen in der Schraube be stimmt werden. Aufgrund der Laufzeit ist es möglich, die Länge der Schraube zu ermitteln, die im wesentlichen proportional zur Klemmkraft ist. Die Bestimmung der Längenänderung der Schraube mittels Ultra schall ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die Schalleinleitungsflä chen und die Reflexionsflächen mit hoher Präzision ausgebildet und zu dem mit einem Ultraschall-Sensor versehen werden müssen. Die Ferti gungskosten für solche Spezialschrauben sind daher verhältnismäßig hoch.

Es besteht daher das Bedürfnis, ein Verfahren zur direkten Bestimmung der Klemmkraft an Schraubverbindungen zu schaffen, das die oben be schriebenen Probleme überwindet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Schraubvorrichtung bereitzustel len, mit dem die Klemmkraft (Vorspannkraft) einer Schraubverbindung zuverlässig und reproduzierbar bestimmt und eingestellt sowie der Schraubvorgang überwacht werden kann.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 prinzipiell da durch gelöst, daß mittels einer Schraubvorrichtung eine definierte Schraubverbindung hergestellt wird, über die zumindest zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Klemmkraft aneinandergepreßt werden, wobei die akustischen Emissionen, die während zumindest eines Referenz- Schraubvorgangs in einer Schraube und/oder den zu verspannenden Bauteilen entstehen, erfaßt und in ein entsprechendes elektrisches oder optisches Signal gewandelt werden, um daraus die Klemmkraft der Schraubverbindung direkt zu ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im einzelnen durch die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnet:

- Extraktion von zumindest zwei Merkmalen aus dem elektrischen oder optischen Signal mittels mathematischer Methoden,
- Ermitteln desjenigen Merkmals, dessen Verlauf am besten mit der Klemmkraft der Schraubverbindung korreliert,
- Aufstellen der Kennlinie zwischen der Klemmkraft und dem ermit telten Merkmal,
- Konfiguration einer Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung derart, daß das ermittelte Merkmal direkt aus dem elektrischen oder optischen Signal berechenbar ist, und
- Steuerung und/oder Überwachung und/oder Prozeßbewertung des Schraubvorgangs in Abhängigkeit von der ermittelten Kennlinie und dem von der Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung gelieferten Signal.

Durch die Längenveränderung der Schraube während des Schraubvor gangs entsteht aufgrund von Verformungsvorgängen in der Schraube und/oder ihrer Umgebung eine akustische Emission. Mit dieser akusti schen Emission ist eine Meßgröße verfügbar, die einen direkten Rück schluß auf die in der Schraube herrschende Belastung und damit auf die zwischen den beiden Bauteilen herrschende Klemmkraft ermöglicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieser Effekt auf vorteilhafte Weise ausgenutzt, indem aus der akustischen Emission ein mit der Klemmkraft eng korrelierendes Merkmal gewonnen wird, das von Reibef fekten im Gewinde bzw. am Schraubenkopf unabhängig ist und zur Steue rung des Schraubvorgangs herangezogen werden kann. Damit steht ein Verfahren zur Verfügung, mit dem die tatsächliche Klemmkraft einer Schraube in einer Schraubverbindung direkt und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den Vorteil, daß es für übliche Schrauben und Schraubverbindungen ange wendet werden kann, ohne daß diese eine bestimmte Modifizierung erfah ren müssen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in der Beschreibung und in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Verfahrens wird

- im Rahmen der Merkmalsextraktion eine Frequenzanalyse des er zeugten elektrischen oder optischen Signals durchgeführt,
- dasjenige Frequenzband ermittelt, in dem die beste Korrelation zwi schen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vorliegt,
- die Kennlinie zwischen der Klemmkraft und demjenigen Signalan teil, der in dem ermittelten Frequenzband liegt, aufgestellt,
- ein die Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung bildendes Band paß-Filter entsprechend dem ermittelten Frequenzband eingestellt, und
- die Steuerung und/oder Überwachung und/oder Prozeßbewertung des Schraubvorgangs in Abhängigkeit von der ermittelten Kennlinie und dem vom Bandpaß-Filter gelieferten Signal durchgeführt.

Da die akustische Emission je nach Einsatzfall der Schraubverbindung variiert und von einer Vielfalt von Störgeräuschen überlagert ist, ist es vorteilhaft, wenn das elektrische oder optische Signal nicht direkt für die Steuerung einer Schraubvorrichtung verwendet wird, sondern wenn eine Trennung von Nutzanteil und Störsignal erfolgt. Zu diesem Zweck kann gemäß der letztgenannten Verfahrensvariante im Rahmen eines dem Pra xiseinsatz vorgeschalteten Eichverfahrens das von zumindest einem Refe renz- oder Eich-Schraubvorgang abgeleitete elektrische oder optische Si gnal in seinen Frequenzbereich transformiert werden, woraufhin als Si gnalmerkmal dasjenige Frequenzband des Signals ermittelt wird, das die beste Korrelation zu der erzeugten Klemmkraft aufweist. Bei den folgenden Schraubvorgängen wird dann aufgrund des vorgesehenen Bandpaß-Filters nur noch der in dem gewählten Frequenzband liegende Signalanteil wei terverarbeitet. Auf diese Weise können Störeinflüsse stark verringert wer den und es ist insbesondere auch möglich, jeweils für jeden individuellen Schraubvorgang das geeignetste Frequenzband und somit die effektivste Störunterdrückung auszuwählen.

Dabei kann die Signalverarbeitung alternativ im Schraubwerkzeug oder extern erfolgen. Die Vorverstärkung findet vorzugsweise bereits im Schraubwerkzeug statt, da das elektrische oder optische Signal sehr klein und deshalb gegenüber Störeinflüssen anfällig ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aktuell von der Signal- und Datenverarbeitungseinrichtung ge lieferte Signal in einer Auswerteeinheit mit der während des Eichverfah rens ermittelten Kennlinie verglichen und aufgrund des Vergleichsergeb nisses der aktuelle Schraubvorgang beendet, sobald die Schraubverbin dung die gewünschte Klemmkraft erreicht hat. Außerdem kann der Schraubvorgang durch die Auswerteeinheit gesteuert, bewertet und/oder dokumentiert werden.

Das Eichverfahren gemäß Anspruch 1 wird mit einer besonderen Meßvor richtung durchgeführt, so daß die tatsächliche Klemmkraft einer Schraubverbindung zusammen mit der beim Schraubvorgang entstehen den akustischen Emission synchron gemessen werden kann. Während des Eichverfahrens wird die Klemmkraft der Schraubverbindung zur Bestim mung der Kennlinie vorzugsweise über einen Kraftsensor ermittelt, der zwischen den beiden miteinander zu verschraubenden Bauteilen angeord net ist.

Alternativ ist es auch möglich, die Kennlinie durch Simulation des Ver haltens der Bauteile und/oder der Schraube, durch Simulation des Schraubvorgangs, durch Finite-Elemente-Methoden und/oder durch Boundary-Element-Methoden zu ermitteln.

Sowohl beim Eichverfahren als auch beim praktischen Einsatz der Schraubvorrichtung kann die Erfassung der akustischen Emission mit einer Abtastfrequenz zwischen 700 kHz und 1,3 MHz, bevorzugt mit einer Abtastfrequenz von 1 MHz erfolgen.

Besonders wirtschaftlich läßt sich die Erfindung realisieren, wenn die Fre quenzanalyse des elektrischen oder optischen Signals mittels einer Fast- Fourier-Transformation durchgeführt wird. Das dabei ermittelte Fre quenzband, in dem die beste Korrelation zwischen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vorliegt, liegt vorzugsweise zwi schen 100 kHz und 450 kHz, wobei die Breite eines Frequenzbandes be vorzugt etwa 100 kHz beträgt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das aus der akustischen Emission erzeugte elektrische oder optische Signal während des erfindungsgemäßen Eichverfahrens und/oder wäh rend des praktischen Einsatzes der Schraubvorrichtung mittels eines Ver stärkers verstärkt und/oder mittels eines Vorverarbeitungsfilters bearbei tet, wobei bevorzugt eine Effektivwertbildung oder eine RMS-Signalbildung (RMS: root mean square), d. h. die Bildung des quadratischen Mittelwerts des Signals erfolgt. Das Vorverarbeitungsfilter wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit vom Frequenzband eingestellt und kann insbesondere eine Glättung des Signals bewirken. Die Steuerung des Schraubwerkzeugs er folgt dann in Abhängigkeit von der Kennlinie und dem vom Bandpaß, vom Verstärker und/oder vom Vorverarbeitungsfilter gelieferten Signal.

Beim erfindungsgemäßen Eichverfahrens und/oder während des prakti schen Einsatzes der Schraubvorrichtung kann das vom Bandpaß, vom Verstärker und/oder vom Vorverarbeitungsfilter gelieferte Signal zusätz lich integriert werden, wobei die Integralbildung erst nach einem vorbe stimmten Offset beginnt. Dieser Offset kann von Verschraubung zu Ver schraubung variieren.

Die Integralberechnung kann in Abhängigkeit von einer für den jeweiligen Schraubfall charakteristischen Meßgröße bzw. in Abhängigkeit von deren zeitlichen Verlauf beginnen. Dabei kann z. B. das Drehmoment, mit dem die Schraubvorrichtung die Schraubverbindung beaufschlagt, ermittelt und die Integralberechnung in Abhängigkeit von dem zusätzlich ermittel ten Drehmoment begonnen (getriggert) werden. Anschließend wird der Offset vom Integral abgezogen.

Eine Beendigung des Schraubvorgangs kann in Abhängigkeit vom Gra dienten der Integralkurve oder von einer anderen zusätzlichen Meßgröße erfolgen.

Vorzugsweise wird das ermittelte Frequenzband, in dem die beste Korrela tion zwischen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vorliegt, an die Schraubvorrichtung, insbesondere an das Schraubwerk zeug der Schraubvorrichtung übermittelt und dort zur Einstellung des Bandpaß-Filters verwendet. Ebenso kann die ermittelte Kennlinie an die Schraubvorrichtung, insbesondere an eine außerhalb des Schraubwerk zeugs angeordnete Steuereinheit der Schraubvorrichtung übermittelt und dort gespeichert werden. Die Steuereinheit kann jedoch alternativ auch im Schraubwerkzeug selbst untergebracht sein.

Es ist auch möglich, die Steuerung der Schraubvorgänge von weiteren Meßsignalen oder Meßgrößen abhängig zu machen, wie z. B. dem Drehmoment, dem Drehwinkel, dem Erreichen der Streckgrenze oder der Schraubtiefe. Bei Bedarf ist es auch möglich, mehr als zwei Meßgrößen zu kombinieren. Solche Kombinationen von mehreren Parametern können insbesondere bei Schraubverbindungen angewendet werden, bei denen eine Überwachung und Bewertung anhand vorgegebener Qualitätsmerk male erforderlich ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens wird während des praktischen Einsatzes der Schraubvorrichtung das Maximum des elektrischen oder optischen Signals ermittelt, das der Streckgrenze der Schraube beim Schraubvorgang entspricht, und der Schraubvorgang kurz nach Erreichen des Maximums beendet. Da das Maximum im Schallsignal bei einem Schraubvorgang der Streckgrenze der Schraube entspricht, wird der Schraubvorgang kurz nach dem Maximum beendet, um auf diese Weise die maximale Klemmkraft zu erzielen. Für diese Verfahrensvariante ist es nicht nötig, die vorstehenden erwähnte Kennlinie zu ermitteln. Weiterhin kann dieses Verfahren wahlweise auch ohne das vorstehend erläuterte Verfahren zur Merkmalsextraktion bzw. zur Frequenzbandermittlung und ohne den Einsatz eines Bandpaß-Filters zur Anwendung gelangen.

Im folgenden wird eine Schraubvorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Messung von Referenzwerten der Klemmkraft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zur Durchführung des Verfah rens gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Schraubvorrichtung zur Durch führung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Messung von Re ferenzwerten der Klemmkraft im Rahmen der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 3 zwei Diagramme, die jeweils die Zeitverläufe der in einem Eichvorgang gemessenen Klemmkraft der Schraubverbin dung und des während des Schraubvorgangs erzeugten elektrischen oder optischen Signals der akustischen Emis sion darstellen;

Fig. 4 ein Diagramm, das den Zeitverlauf des quadratischen Mit telwerts (RMS) des akustischen Signals für mehrere Fre quenzbereiche zwischen 100 kHz und 450 kHz sowie den Zeitverlauf der gemessenen Klemmkraft darstellt; und

Fig. 5 zwei Diagramme, die jeweils die Zeitverläufe der Klemmkraft der Schraubverbindung sowie des in die Schraubverbin dung eingeleiteten Drehmoments und die Zeitverläufe des RMS-Signals sowie des RMS-Integrals zeigen.

Wie der in Fig. 1 dargestellten Schnittansicht einer Schraubvorrichtung zu entnehmen ist, umfaßt das Schraubwerkzeug 1 eine motorgetriebene Drehantriebswelle 2, durch die eine als Schrauberbit 3 ausgebildete Werk zeugspitze in eine Drehbewegung versetzt wird. Das so erzeugte Drehmo ment wird von der Drehantriebswelle 2 über den Schrauberbit 3 in einen Schraubenkopf 8 einer Schraube 9 eingeleitet, die sich dabei in ein Bauteil 10b einschraubt und dadurch zwei Bauteile 10a und 10b miteinander verbindet.

Der Schrauberbit 3 ist in einer Aufnahme 4 am Ende der Drehantriebs welle 2 gelagert und wird durch eine Überwurfmutter 5 in der Aufnahme 4 gehalten. Der Schrauberbit 3 weist an seinem der Schraube 9 zugewand ten Ende eine dem Kraftangriffsmerkmal des Schraubenkopfes 8 entspre chend gestaltete Form auf. Das andere Ende des Schrauberbits 3 ist mit einem der Aufnahme 4 in der Drehantriebswelle 2 entsprechenden Kraft angriffsmerkmal ausgestattet, um das Drehmoment von der Drehan triebswelle 2 aufzunehmen.

Die Drehantriebswelle 2 beinhaltet einen Hohlraum 6, der sich an die Aufnahme 4 des Schrauberbits 3 in der Drehantriebswelle 2 anschließt. In diesem Hohlraum 6 ist ein Schallsensor 7 untergebracht, der mit dem Schrauberbit 3 über eine ebene, vorzugsweise geschliffene Ankopplungs fläche in Kontakt steht und dadurch mit dem Schrauberbit 3 akustisch gekoppelt ist.

Die beim Anziehen der Schraubverbindung auftretenden akustischen Emissionen werden über den Schraubenkopf 8 zunächst auf den Schrau berbit 3 übertragen. Aufgrund des vom Schraubwerkzeug 1 aufgebrachten Drehmoments und des Anpreßdrucks zwischen Schrauberbit 3 und Schraubenkopf 8 besteht zwischen den Flächen eine hohe Flächenpres sung, wodurch die Flächen derart miteinander gekoppelt sind, daß die akustischen Emission vom Schraubenkopf 8 gut auf den Schrauberbit 3 übertragen werden.

Der Schrauberbit 3 leitet die akustischen Emissionen an den Schallsensor 7 weiter. Der Sensor 7 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Wandler und setzt die vom Schrauberbit 3 übertragenen akustischen Emissionen in elektrische oder optische Signale um. Diese elektrischen oder optischen Signale werden über eine möglichst kurze Übertragungsleitung (nicht dar gestellt) direkt einem Verstärker (nicht dargestellt) zugeführt und dort in Spannungen umgewandelt, die ein transportables und weiterverarbeitba res elektrisches Signal ergeben. Vom Verstärker wird das Signal einer Ver arbeitungseinheit (nicht dargestellt) zugeführt, durch die nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren ein zur Klemmkraft proportionales Signal er zeugt wird. Nach der Verarbeitung wird das Signal an eine in der Zeich nung nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet, welche die Steue rung des Schraubvorgangs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schraubvorrichtung ist sowohl zur Durchführung des im Rahmen der Erfindung beanspruchten Eichverfahrens als auch für die erfindungsgemäß gesteuerte Erzeugung von Schraubverbindungen im Praxiseinsatz geeignet.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung dargestellt, die zur Mes sung von Referenzwerten der Klemmkraft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist. Die dargestellte Meßvorrichtung dient dazu, Refe renzwerte für die Klemmkraft einer Schraubverbindung zu erhalten, mit der zwei Bauteile aneinandergepreßt werden. Die Meßvorrichtung umfaßt ein auf einer Bodenplatte 20 gelagertes unteres Bauteil 11 sowie ein obe res Bauteil 12, die über eine Schraubverbindung 13, 14, 15 miteinander verbunden sind und aneinandergepreßt werden.

Die Schraubverbindung besteht aus einer Schraube 13, 14 die in ein Konterteil 15 eingeschraubt ist. Das Konterteil ist in einer Aussparung des unteren Bauteils 11 gelagert, während die Schraube 13 mit ihrem Schraubenkopf 14 auf dem oberen Bauteil 12 aufsitzt. Auf diese Weise preßt die Schraubverbindung 13, 15 die beiden Bauteile 11, 12 aneinan der, wobei zwischen den Bauteilen 11, 12 Kraftaufnehmer 16, 17 ange ordnet sind, welche die Kraft, mit der die beiden Bauteile 11, 12 aneinan dergepreßt werden, und damit unmittelbar die Klemmkraft der Schraub verbindung 13, 15 messen. Um seitliche Verschiebungen des oberen Bauteils 12 gegenüber dem unteren Bauteil 11 zu verhindern, sind Füh rungsstifte 18, 19 vorgesehen, die in entsprechenden Bohrungen in den beiden Bauteilen 11, 12 zumindest bezüglich eines der beiden Bauteile 11, 12 gleitend gelagert sind, um die Bauteile 11, 12 während des Preßvor gangs in ihrer Bewegung auszurichten.

Die Ermittlung von Referenzwerten der Klemmkraft erfolgt, indem die Schraubverbindung 13, 15 durch ein Schraubwerkzeug, beispielsweise von der in Fig. 1 dargestellten Art, erzeugt wird und während des Schraubvorgangs sowohl die dabei entstehenden akustischen Emission als auch die durch die Kraftaufnehmer 16, 17 gemessene Klemmkraft in zeitlicher Relation zueinander aufgezeichnet wird. Anschließend können die aufgezeichneten Meßwerte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterverarbeitet werden, um aus der Korrelation zwischen der erfaßten akustischen Emission und der gemessenen Klemmkraft der Schraubver bindung Referenzwerte für die Kennlinie bzw. eine Wertetabelle (siehe nachstehende Beschreibung) zu ermitteln.

Im folgenden wird anhand der Fig. 3 bis 5 ein Anwendungsbeispiel be schrieben, wie mittels des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung aus den beim Schraubvorgang entstehenden akustischen Emission die zur exakten Bestimmung der Klemmkraft notwendigen Informationen in einer für die Steuerung einer Schraubvorrichtung geeigneten Form ermit telt werden können.

Zunächst werden in einem Eichvorgang beispielsweise mittels der oben beschriebenen Meßvorrichtung für mehrere Gruppen von Verschraubun gen sowohl die aus den akustischen Emissionen abgeleiteten elektrischen oder optischen Signale als auch die Klemmkraft erfaßt, um Referenzwerte zum späteren Vergleich zu generieren. Während Störgrößen (wie z. B. die Reibung) zwischen den Meßgruppen deutlich variieren, werden sie inner halb der einzelnen Meßgruppen möglichst konstant gehalten. Dabei wird für jede Verschraubung eine Wertetabelle angelegt, in der das elektrische oder optische Signal und die synchron gemessenen Werte der Klemmkraft abgelegt werden.

In Fig. 3 sind zwei Diagramme dargestellt, von denen das obere Diagramm den Zeitverlauf der über die Kraftsensoren in einem Schritt eines Eichvor gangs gemessenen Klemmkraft der Schraubverbindung und das untere Diagramm den Zeitverlauf des während des Schraubvorgangs erzeugten elektrischen oder optischen Signals der akustischen Emission zeigt. Darin ist deutlich zu erkennen, daß das Maximum der akustischen Emission zu dem Zeitpunkt auftritt, wenn die Streckgrenze der Schraube und damit die maximale Klemmkraft der Schraubverbindung erreicht ist.

Für jede einzelne Verschraubung, d. h. für jeden Schritt des Eichvorgangs, wird eine eigene Wertetabelle aufgestellt, in der die Werte der Klemmkraft und die zugehörigen Werte des elektrischen oder optischen Signals oder des - wie nachstehend beschrieben - weiterverarbeiteten elektrischen oder optischen Signals enthalten sind. Auf diese Weise wird für jedes Fre quenzband die Wertetabelle bzw. Kennlinie zwischen der Klemmkraft und dem Signal ermittelt. In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, das den Zeit verlauf des quadratische Mittelwerts (RMS) des elektrischen oder opti schen Signals für mehrere Frequenzbereiche zwischen 100 kHz und 450 kHz in Schritten von 50 kHz zeigt. Zusätzlich ist in Fig. 4 der Verlauf der gemessenen Klemmkraft über die Zeit eingetragen.

Die elektrischen oder optischen Signale der einzelnen Meßreihen werden im Rahmen der Weiterverarbeitung mittels einer Fouriertransformation einer Frequenzanalyse unterzogen und damit aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert, wobei die Breite der zugrundegelegten Fre quenzbänder in Abhängigkeit von der verwendeten Sensorik festzulegen ist. Alternativ kann das elektrische oder optische Signal auch mittels Bandpaß-Filtern in verschiedene Frequenzbereiche zerlegt werden. Dar aufhin wird innerhalb der einzelnen Frequenzbänder das Effektivwert- oder RMS-Signal, d. h. der quadratische Mittelwert des Signals gebildet.

Um eine verbesserte Korrelation des gemessenen elektrischen oder opti schen Signals mit der Klemmkraft zu erreichen, kann das RMS-Signal in tegriert werden.

In Fig. 5 sind zwei Diagramme dargestellt, wobei das obere Diagramm den Zeitverlauf der Klemmkraft der Schraubverbindung sowie des in die Schraubverbindung eingeleiteten Drehmoments und das untere Dia gramm den Zeitverlauf des RMS-Signals sowie des RMS-Integrals zur Festlegung des Startpunktes für eine Offset-Berechnung und die Integral berechnung zeigt. Wie in Fig. 5 zu erkennen, kann der Startpunkt der In tegration des RMS-Signals so festgelegt werden, daß die zu Beginn des Schraubvorgangs durch das Aufsetzen und Einkuppeln des Schraubwerk zeugs verursachten Störgeräusche und die Geräusche, die bis zum Errei chen des sog. Fügepunktes auftreten, bereits abgeklungen sind.

In diesem Fall wird die Integration des RMS-Signals genau dann gestartet, wenn das Anziehdrehmoment, das ebenfalls laufend gemessen wird, in einen vorher definierten Bereich gelangt. Dabei ist es für die Definition des Startpunktes unerheblich, daß infolge schwankender Reibung auch deut liche Schwankungen in der Höhe des Drehmoments relativ zur erreichten Klemmkraft auftreten. Es muß lediglich sichergestellt sein, daß der Füge punkt, d. h. der Zeitpunkt nach dem Aufsetzen und Einkuppeln des Schraubwerkzeugs erreicht ist.

Alternativ kann die Integration des vom Bandpaß gelieferten Signals erst nach einem vorbestimmten Offset beginnen, wobei der Offset vom Integral anschließend abgezogen wird.

Die Integralwerte des elektrischen oder optischen Signals werden in Ver bindung mit den zugehörigen Klemmkraftwerten für jedes Frequenzband und jede Verschraubung gespeichert. Um spätere Vergleiche zwischen den verschiedenen Wertetabellen vornehmen zu können, wird die Klemmkraft vorzugsweise bereits im Vorfeld in geeignete Stufen aufgeteilt. Die Abstu fungen werden dabei so gewählt, daß der maximale Fehler etwa eine Zeh nerpotenz kleiner ist als der für die Verschraubung maximal zulässige Fehler.

Für jede Gruppe von Messungen wird eine Anzahl von Wertetabellen er stellt, die anschließend miteinander verglichen werden. Dazu werden für alle Werte des RMS-Integrals, die einer bestimmten Klemmkraft zugeord net sind, der Mittelwert und die Varianz gebildet. Dabei kann die Varianz mit Hilfe bekannter mathematischer Verfahren abgeschätzt werden. Sollte die geschätzte Varianz höher sein als ein zuvor festgelegter zulässiger Wert, wird mit der Untersuchung eines anderen Frequenzbandes bzw. ei ner anderen Einstellung der Störgrößen fortgefahren und der letzte Si gnalbearbeitungsschritt wiederholt.

Die Wertetabellen werden daraufhin untersucht, in welchem Frequenz band die beste Korrelation zwischen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vorliegt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß dieses Frequenzband je nach Art und Beschaffenheit der Schraube verschiede nen gelegen sein kann. In der Regel liegt das Frequenzband zwischen 100 kHz und 400 kHz. Aus den Werten der RMS-Integrale und der Klemmkraft wird diejenige Wertetabelle ausgewählt, die im Mittel die ge ringste Varianz aufweist. Diese Wertetabelle bzw. Kennlinie wird für die Steuerung der Schraubvorgänge zur Herstellung definierter Schraubver bindungen in der Praxis zugrunde gelegt.

Eine optimale Ermittlung der Referenzwerte kann erreicht werden, wenn die Parameter des Schraubvorgangs, z. B. die später in der Serienver schraubung in der Praxis auftretenden Werte für die Anzugsgeschwindig keit bekannt sind und beim Eichvorgang berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden beim Eichvorgang vorzugsweise diejenigen Störparameter variiert, die auf die Verschraubung in der Praxis einwirken, sofern diese bekannt sind. In jedem Fall ist es wichtig, daß die Störgröße der Reibung variiert wird, wobei die quantitative Veränderung eine untergeordnete Be deutung hat, d. h. sie muß auch in der Praxis nicht zwingend bestimmt werden.

Ein weiterer Abschnitt des Verfahrens bezieht sich auf den Einsatz der Schraubvorrichtung bei der Herstellung von Verschraubungen in der Pra xis:
In der Praxis wird ein Schraubvorgang zur Herstellung einer definierten Schraubverbindung im wesentlichen so wie der oben beschriebene Eich vorgang durchgeführt. Dabei kann die Schraubverbindung beispielsweise mittels einer in Fig. 1 dargestellten Schraubvorrichtung hergestellt wer den. Wie oben beschrieben, ist der Schallaufnehmer vorzugsweise ein pie zoelektrischer Sensor, der mit dem Schrauberbit im Schraubwerkzeug in Kontakt steht und dadurch während des Schraubvorgangs mit dem Schraubenkopf akustisch verbunden ist. Mit Hilfe des piezoelektrischen oder optischen Sensors werden die während des Schraubvorgangs auftre tenden akustischen Emissionen erfaßt.

Aus den bei jeder Verschraubung gemessenen akustischen Emission wird im zuvor ermittelten Frequenzband das RMS-Integral berechnet und der Steuerung der Schraubvorrichtung zugeführt. Anhand des Vergleichs des aktuellen Signals (Ist-Wert) mit dem aus den Referenzdaten ermittelten Referenzwert (Soll-Wert) für die gewünschte Klemmkraft wird der Zeit punkt zur Beendigung des Schraubvorgangs ermittelt.

Nachstehend wird nochmals detailliert erläutert, in welcher Weise der er findungsgemäße Eichvorgang sowie der nachfolgende Praxiseinsatz ab laufen können:
Um das Signal während des Eichvorgangs in seinem kompletten Fre quenzspektrum erfassen zu können, wird beispielsweise ein mehrkanali ger Transientenrekorder zur Aufzeichnung eingesetzt, mit dem bis zu 10⁷ Messungen in der Sekunde durchgeführt und gespeichert werden können. Zur Datenanalyse kann ein Rechner mit geeigneter Analysesoftware ver wendet werden.

Mit einem solchen Meßsystem kann das elektrische oder optische Signal der akustischen Emissionen im Zeitbereich erfaßt werden, das jedoch noch von den beim Schraubvorgang auftretenden Störgeräuschen überla gert ist. In einem ersten Schritt wird das Signal mittels einer Fast-Fourier- Analyse oder entsprechende Bandpaß-Filtern in die verschiedenen Fre quenzbereiche zerlegt, über die dann der Effektivwert bzw. das RMS- Signal und das RMS-Integral gebildet wird.

Im nächsten Schritt wird ein Frequenzband ermittelt, bei dem die ermit telten Wertetabellen eine besonders gute Korrelation zwischen der Klemmkraft und dem Pegel des Integralsignals ergeben. Dazu werden für jedes Frequenzband die Wertetabellen der unter gleichen Bedingungen durchgeführten Verschraubungen analysiert. So entsteht eine neue Wer tetabelle, welche die Varianzen der Klemmkraft enthält. Unter der Voraus setzung, daß der relative Fehler der Klemmkraft im Verhältnis zum zuge ordneten absoluten Wert der Klemmkraft über den gesamten Kraftverlauf konstant gehalten wurde, ist die Varianz der Integralwerte nahezu gleich.

Aufgrund der vorliegenden maximalen Varianz läßt sich abschätzen, ob das untersuchte Frequenzband und die zugeordneten Einstellungen der Störgrößen geeignet sind, die benötigte Korrelation mit der benötigten Ge nauigkeit zu liefern. Die auf der Basis des elektrischen oder optischen Si gnals im entsprechenden Frequenzband ermittelten Klemmkräfte werden mit den im Eichvorgang gemessenen Klemmkräften verglichen. Sollte das Vergleichsergebnis nicht die gewünschte Korrelation erreichen, wird ein anderes Frequenzband oder eine andere Gruppe von Messungen zur Bil dung der Referenzdaten herangezogen. Konnten Referenzwerte mit der ge wünschten Genauigkeit ermittelt werden, so werden diese der Steuerein heit der Schraubvorrichtung übermittelt.

Über eine Eingabe an der Steuerung der Schraubvorrichtung kann beim Praxiseinsatz dann die Klemmkraft ausgewählt werden, die beim Anziehen der Verschraubung erreicht werden soll. Die Steuerung entnimmt aus den als Wertetabelle hinterlegten Referenzdaten den zugehörigen Pegel des vorverarbeiteten elektrischen oder optischen Signals und hinterlegt diesen als Soll-Wert. Nach dem Start des Schraubvorgangs wird das über den Schallaufnehmer ermittelte elektrische oder optische Signal gefiltert und nach Erreichen des Startwertes integriert. Der momentane Integralwert wird der Steuerung als Ist-Wert zugeführt. In der Steuerung wird der Ver gleich zwischen dem Soll-Wert und dem aktuellen Ist-Wert durchgeführt. Sobald der Soll-Wert erreicht oder überschritten ist, wird der Schraubvor gang durch Abschalten der Schraubspindel beendet.

Liste der Bezugszeichen

1

Schraubwerkzeug

2

Drehantriebswelle

3

Schrauberbit

4

Aufnahme des Schrauberbits

5

Überwurfmutter

6

Hohlraum in der Drehantriebswelle

7

Sensor

8

Schraubenkopf

9

Schraube

10

a Bauteil

10

b Bauteil

11

unteres Bauteil

12

oberes Bauteil

13

Schraube

14

Schraubenkopf

15

Konterteil

16

Kraftaufnehmer

17

Kraftaufnehmer

18

Führungsstift

19

Führungsstift

20

Bodenplatte

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Schraubvorrichtung zur Herstellung einer definierten Schraubverbindung (13, 15), über die zumindest zwei Bauteile (11, 12) mit einer vorbestimmten Klemmkraft anein andergepreßt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Erfassen der akustischen Emission, die während zumindest eines Referenz-Schraubvorgangs in einer Schraube und/oder den zu verspannenden Bauteilen (11, 12) entsteht und Erzeu gung eines entsprechenden elektrischen oder optischen Si gnals,
- Extraktion von zumindest zwei Merkmalen aus dem elektri schen oder optischen Signal mittels mathematischer Metho den,
- Ermitteln desjenigen Merkmals, dessen Verlauf am besten mit der Klemmkraft der Schraubverbindung korreliert,
- Aufstellen der Kennlinie zwischen der Klemmkraft und dem ermittelten Merkmal,
- Konfiguration einer Signal- oder Datenverarbeitungseinrich tung derart, daß das ermittelte Merkmal direkt aus dem elek trischen oder optischen Signal berechenbar ist, und
- Steuerung und/oder Überwachung und/oder Prozeßbewer tung des Schraubvorgangs in Abhängigkeit von der ermittelten Kennlinie und dem von der Signal- oder Datenverarbeitungs einrichtung gelieferten Signal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß im Rahmen der Merkmalsextraktion eine Frequenzanaly se des erzeugten elektrischen oder optischen Signals durch geführt wird,
- daß dasjenige Frequenzband ermittelt wird, in dem die beste Korrelation zwischen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vorliegt,
- daß die Kennlinie zwischen der Klemmkraft und demjenigen Signalanteil, der in dem ermittelten Frequenzband liegt, auf gestellt wird,
- daß ein die Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung bil dendes Bandpaß-Filter entsprechend dem ermittelten Fre quenzband eingestellt wird, und
- daß die Steuerung und/oder Überwachung und/oder Prozeß bewertung des Schraubvorgangs in Abhängigkeit von der er mittelten Kennlinie und dem vom Bandpaß-Filter gelieferten Signal erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Auswerteeinheit das aktuell von der Signal- oder Da tenverarbeitungseinrichtung gelieferte Signal mit der Kennlinie ver glichen wird und aufgrund des Vergleichsergebnisses der aktuelle Schraubvorgang gesteuert, bewertet und/oder dokumentiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkraft der Schraubverbindung (13, 15) zur Bestim mung der Kennlinie während des Eichverfahrens gemäß Anspruch 1 über einen Kraftsensor (16, 17) ermittelt wird, der zwischen den beiden Bauteilen (11, 12) angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie durch Simulation des Verhaltens der Bauteile (11, 12) und/oder der Schraube (9), durch Simulation des Schraubvor gangs, durch Finite-Elemente-Methoden und/oder durch Boundary- Element-Methoden ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der akustischen Emission mit einer Abtastfre quenz zwischen 700 kHz und 1,3 MHz, bevorzugt mit einer Ab tastfrequenz von 1 MHz erfolgt.

7. Verfahren nach einem Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyse des elektrischen oder optischen Signals mittels einer Fast-Fourier-Transformation durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ermittelte Frequenzband zwischen 100 kHz und 450 kHz liegt, wobei die Breite eines Frequenzbands bevorzugt ungefähr 100 kHz beträgt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische oder optische Signal während des Eichverfah rens gemäß Anspruch 1 und/oder während des praktischen Einsat zes der Schraubvorrichtung mittels eines Verstärkers verstärkt und/oder mittels eines Vorverarbeitungsfilters bearbeitet, insbeson dere geglättet wird, wobei bevorzugt eine Effektivwertbildung oder eine RMS-Signalbildung erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte, die während des Eichverfahrens gemäß Anspruch 1 und/oder während des praktischen Einsatzes der Schraubvorrichtung zum Einsatz ge langen:

- Berechnen des Integrals des vom Bandpaß-Filter gelieferten Signals, wobei die Integralberechnung nach einem vorbe stimmten, von der jeweiligen Verschraubung abhängigen Offset beginnt,
- Subtrahieren des vorbestimmten Offsets von dem berechneten Integral.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte, die während des Eichverfahrens gemäß Anspruch 1 und/oder während des praktischen Einsatzes der Schraubvorrichtung zum Einsatz ge langen:

- Ermitteln einer zusätzlichen, für den jeweiligen Schraubfall charakteristischen Meßgröße,
- Berechnung eines dieser Meßgröße entsprechenden Merk mals,
- Beginnen der Integralberechnung in Abhängigkeit von der er mittelten Meßgröße bzw. in Abhängigkeit von deren zeitlichen Verlauf.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ermittelte Merkmal, bei dem die beste Korrelation zwischen der Klemmkraft und dem elektrischen oder optischen Signal vor liegt, an die Schraubvorrichtung, insbesondere an das Schraub werkzeug (1) der Schraubvorrichtung übermittelt und dort zur Ein stellung der Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtung verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Kennlinie an die Schraubvorrichtung, insbesonde re an eine außerhalb des Schraubwerkzeugs (1) angeordnete Steuer einheit der Schraubvorrichtung übermittelt und dort gespeichert wird.

14. Verfahren zum Betrieb einer Schraubvorrichtung zur Herstellung einer deinierten Schraubverbindung, über die zumindest zwei Bauteile (10a, 10b) mit einer vorbestimmten Klemmkraft aneinan dergepreßt werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte, die während des praktischen Einsatzes der Schraubvorrichtung zum Einsatz ge langen:

- Erfassen der akustischen Emission, die während eines Schraubvorgangs in einer Schraube und/oder den zu ver spannenden Bauteilen (10a, 10b) entsteht und Erzeugung ei nes entsprechenden elektrischen oder optischen Signals,
- Ermitteln des Maximums des elektrischen oder optischen Si gnals, das der Streckgrenze der Schraube beim Schraubvor gang entspricht, und
- Beenden des Schraubvorgangs kurz nach Erreichen des Ma ximums.