-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von
Gegenständen
mit mindestens einer Verschraubung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine Fertigungseinrichtung zum Herstellen eines Gegenstandes
mit mindestens einer Verschraubung gemäß Anspruch 5.
-
Bei
der Handmontage in der Großserienfertigung
z. B. an Verbrennungsmotoren oder Getrieben muß sichergestellt sein, daß die Funktionssicherheit des
Aggregates mitbestimmende Verschraubungen vollständig und mit der geforderten
Festigkeit ausgeführt
sind, bevor der mit der oder den Verschraubungen versehene Gegenstand
zur nächsten
Bearbeitungsstation weitergegeben wird. Zweckmäßigerweise wird dies erreicht,
indem der verwendete Schrauber mit einer Drehmomenterfassung ausgerüstet wird,
die den üblichen
Drehmomentverlauf einer Verschraubung erfaßt und an eine elektronische
Steuerung übermittelt.
Bei der Verwendung druckgasbetriebener Schrauber wird hierzu auf
die Schrauberspindel eine Drehmomenterfassungszelle gesetzt und
neben der Druckgasversorgung eine Elektronikversorgungsleitung zu
dem Schrauber geführt,
die neben der Stromversorgung für
die Meßzelle
auch der Datenübermittlung
dient. Nachteilig ist hierbei, daß so ausgerüstete druckgasbetriebene Schrauber verhältnismäßig schwer
sind, entsprechend ausbalanciert an der Bearbeitungsstation aufzuhängen sind
und außerdem
eine ufwendige zweite Versorungsleitung mit aufwendiger Auswerteeinrichtung benötigen.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen von Gegenständen mit mindestens einer Verschraubung
der eingangs genannten Gattung ist in der älteren, nicht vorveröffentlichten
Anmeldung
DE 196 06
381 A1 Anmelderin beschrieben.
-
Die
US 3,657,964 A beschreibt
ein Verfahren zur Ausführung
mindestens einer Verschraubung an einem Gegenstand, bei dem ein
Schraubelement innerhalb eines Zeitabschnittes mittels eines druckgasbetriebenen
Schraubers eingeschraubt und festgezogen wird, wobei Druckwerte
ermittelt werden und aus diesen ein Druckgasstrom ermittelbar ist.
In diesem bekannten Verfahren wird jedoch keine Auswerteeinheit
verwendet, die ein Bild erzeugt, welches eine Abhängigkeit
eines gemessenen Volumenstromes des Druckgases von der Zeit grafisch
wiedergibt.
-
Die
DE 36 37 236 A1 betrifft
eine Steuerungs- und Überwachungsanordnung
für ein
Werkzeug, mit dem verschiedene Montagevorgänge durchgeführt werden.
Das Werkzeug ist durch Pressluft angetrieben und durch eine Kontrolleinheit,
mit der es über
ein Kabel in Verbindung steht, so steuerbar, dass sich mit ihm für wenigstens
einen Montageparameter gegebenenfalls bei jedem einzelnen Montagevorgang
ein anderer Sollwert erzielen lässt.
In das Werkzeug sind Sensoren eingebaut, mit deren Hilfe der oder
die jeweils interessierenden Montageparameter gemessen werden können. Die
Messwerte werden als Ist-Werte von dem Werkzeug an eine Kontrolleinheit
weitergeleitet. Da verschiedene Montagevorgänge durchgeführt werden
sollen, ist es erforderlich, dass die Kontrolleinheit für jeden
einzelnen Montagevorgang eine Information darüber erhält, an welcher Montagestelle
er durchgeführt
wird. Zu diesem Zweck ist jede der Montagestationen mit einem Sender
ausgerüstet,
der in einem begrenzten Raumbereich ein Signal aussendet, das eine
die betreffende Montagestelle kennzeichnende Information enthält. Das
Werkzeug besitzt einen Empfänger,
der so ausgebildet ist, dass er unabhängig von der jeweiligen momentanen
Lage des Werkzeugs ein von einem Sender ausgesandtes Signal dann
empfangen kann, wenn das Montagewerkzeug zur Durchführung des
betreffenden Montagevorgangs in eine von dem Sender ausgehende Informationsdusche
eintaucht.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen
von Gegenständen
mit mindestens einer Verschraubung, bei dem eine Reihe von Gegenständen, insbesondere
bandgeführten Gegenständen je
mit einer oder mehreren Verschraubungen versehen werden gemäß der eingangs
genannten Gattung zur Verfügung
zu stellen, bei dem mit einfachen Mitteln das Einschrauben und Festziehen
von Verschraubungen mittels eines druckgasbetriebenen Schraubers
qualitativ und quantitativ überprüfbar ist
und eventuelle n. i. O.-Verschraubungen nachgearbeitet werden können.
-
Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Hinsichtlich der Fertigungseinrichtung zum Herstellen eines Gegenstandes
mit mindestens einer Verschraubung wird die Aufgabe gelöst mit den
Merkmalen des Anspruchs 5.
-
Gemäß der Erfindung
ist eine Zentralsteuerung vorgesehen, die die weitere Bearbeitung
der Gegenstände
steuert und dabei berücksichtigt
ob der Gegenstand eine i. O.- oder n. i. O.-Verschraubung erhalten hat. Bei einer
n. i. O.-Verschraubung wird der Gegenstand einer Nachbearbeitungsstation
zugeführt
und/oder der Gegenstand aus der Reihe der Gegenstände ausgeschleust
bzw. es werden weitere Bearbeitungen, die bei i. O.-Verschraubungen
an den Gegenständen
durchgeführt
werden, unterbunden.
-
Das
Verfahren findet vorteilhaft Anwendung an Montagelinien, insbesondere
Endmontagelinien, an denen beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen,
Getriebe oder ähnliche
Gegenstände
montiert werden. Hierbei geht es insbesondere auch um solche Bearbeitungsstationen,
an denen eine Fehlerhäufigkeit
durch lose, vergessene oder fehlerhaft montierte Verschraubungen
nicht ohne weiteres auszuschließen
sind, das heißt
Bearbeitungsstationen, an denen die Verschraubungen von Personen
beeinflußt
(von Hand) durchgeführt
werden.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Herstellen eines Gegenstandes wird während des Zeitabschnittes,
innerhalb dessen die Verschraubung oder Verschraubungen an dem Gegenstand
zur Herstellung desselben erfolgen, der Druckgasstrom, der zu dem
druckgasbetriebenen Schrauber führt
und diesen antreibt, ermittelt. Der druckgasbetriebene Schrauber
hat dabei einen relativ hohen Luftbedarf, wenn der Schrauber mit
hoher Drehzahl arbeitet. Bei Tätigkeit
der Drehmomentkupplung kommt es zu einem geringeren Luftstrom, da
der Schrauber praktisch stillsteht und quasi nur noch für die Kupplungstätigkeit
Luftbedarf vorliegt. Somit gestalten sich die Signale unabhängig von
dem letztlich geforderten Drehmoment, da es sich insbesondere bei
dem Erreichen des Drehmomentes lediglich um das prinzipielle Auswerten
des Luftstromes handelt, welcher sich bei Kupplungstätigkeit
ergibt. Erfindungsgemäß wird aus den
Veränderungen,
Absolut- und/oder Relativwerten des Druckgasstromes ermittelt, ob
das Einschrauben und das Festziehen erfolgt sind. Das Ermitteln
erfolgt hierbei insbesondere auch über die Zeit. Vorteilhaft werden
solche Druckgasschrauber eingesetzt, die ihr vorgegebenes Anziehdrehmoment in
relativ engen Toleranzen halten, so daß eine Prozeßunsicherheit
durch die Druckluftwerkzeuge weitestgehend vermieden wird.
-
Die
Erfindung macht sich ein charakteristisches Verhalten des Druckgases,
insbesondere Druckluft, bei den Schraubvorgängen zu Nutze, wobei man prinzipiell
drei Schraubercharakteristiken unterscheiden kann:
- 1. Eine „Luftschraubung", das heißt der Schrauber dreht
sich entweder frei in der Luft (führt keine Verschraubung aus)
oder dreht eine Verschraubung ein ohne diese festzuziehen (kein
wesentliches Lastmoment an Schrauber).
- 2. Das Schrauben auf einer bereits schon angezogenen Schraube,
hierbei geht der Schrauber nach verhältnismäßig kurzer Zeit auf ein verhältnismäßig hohes
Lastmoment über.
- 3. Eine korrekte Verschraubung, bei der über eine gewisse Zeit (Dauer
des Einschraubens der Schraube) eine Verschraubung mit sehr geringem Lastmoment
und unmittelbar anschließend
(Festziehen der Schraube) ein Verschrauben mit relativ hohem Lastmoment
erfolgt.
-
Die
Unterscheidung erfolgt vorteilhaft durch zwei charakteristische
Merkmale des Luftstroms bei der Verschraubung, wobei bei einem Verschraubungsvorgang
mit geringem Lastmoment ein hoher Luftdurchfluß und bei Verschraubungen mit
hohem Lastmoment ein geringer Luftdurchfluß detektiert wird.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Verschraubung insbesondere auch mit vorbestimmter Festigkeit,
insbesondere vorgegebenem Drehmoment erfolgen, wobei diese an dem
Druckluftschrauber in bekannter Art und Weise vorgegeben wird. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann durch Wahl der Grenzwerte, die die Auswerteelektronik als Luftverschraubung
bzw. als Festziehen interpretiert, weitgehend unabhängig vom
vorgewählten Drehmoment
eine Verschraubung prozeßsicher durchgeführt werden.
Nur bei sehr niedrigen Drehmomenten kann gegebenenfalls eine Feineinstellung des
Schwellwertes notwendig sein. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich
selbst bei Winkelverschraubungen, beispielsweise 90°-Winkelverschraubungen
und auch bei Impulsschraubern einsetzen.
-
Vorteilhaft
erfolgt die Auswertung des ermittelten Druckgasstromes durch einen
Vergleich mit abgelegten Werten, wie es beispielsweise in der Figurenbeschreibung
beschrieben wird. Das Verfahren eignet sich außerdem insbesondere auch für eine prozeßsichere
Montage mehrerer Schrauben an einem Gegenstand, wobei beispielsweise
dieser Gegenstand für
eine weitere Bearbeitung erst dann freigegeben wird, wenn an diesem
die vorgegebene Zahl von korrekten Verschraubungen durchgeführt wurde.
-
Zum
Ermitteln des Druckgasstromes eignet sich insbesondere ein Differenzdruckmesser,
der besonders vorteilhaft außerhalb
des Schraubers, beispielsweise in der Druckluftleitung liegt. Durch
die Bestimmung des Druckgasstromes außerhalb des Schraubers kommt
dieser ohne einen zusätzlichen Anschluß für eine Stromzuführung bzw.
Meßwertübermittlung
aus. Bei der Verwendung eines Differenzdruckermittlers, der bei
einem Gasfluß den
Differenzdruck vor und hinter einer Drosselung bestimmt, kann als
Drosselung beispielsweise auch ein Abschnitt der Druckluftzuleitung
oder eine Steckverbindung der Druckluftleitung dienen. Der Druckgasstrom
bzw. das Ermitteln der zu erwartenden Signale kann auch durch Messungen
des Massen- bzw. Volumenstroms sowie der Gasgeschwindigkeit oder
durch eine Absolutdruckmessung erfolgen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kommt insbesondere an Kraftfahrzeugen oder Teilen von diesen zum
Einsatz.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung eines Gegenstandes mit mindestens einer Verschraubung
ist eine Fertigungseinrichtung und enthält einen Schrauber mit Druckgasversorgung, mittels
dem ein die Verschraubung bewirkendes Schraubelement innerhalb eines
Zeitabschnittes einschraubbar und festziehbar ist. Erfindungsgemäß sind hierbei
Durchflußerfassungsmittel
zum zumindest relativen und/oder quantitativen Erfassen eines Druckgasstromes
in der Druckgasversorgung und Mittel vorgesehen, die innerhalb des
Zeitabschnittes Veränderungen
des erfaßten
Druckgasstromes in eine Information umsetzen, die quantitativ und
gegebenenfalls auch qualitativ das Einschrauben und Festziehen der
Schraubelemente, beispielsweise von Schrauben oder Muttern, beinhaltet.
Die Veränderungen
werden vorteilhaft absolut oder relativ erfaßt, können aber auch über die
Zeit (z. B. Ableitung und/oder Integration) ermittelt werden.
-
In
der Fertigungseinrichtung ist eine Zentralsteuerung vorgesehen,
die die Schraub-Information hinsichtlich der Zuordnung des Gegenstandes,
der eine Verschraubung erhalten hat, zu weiteren Bearbeitungsstationen
auswertet. Im Übrigen
bedient sich die Vorrichtung vorteilhaft der Mittel die auch schon beim
Verfahren beschrieben sind.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen
näher beschrieben.
-
Es
zeigen
-
1 ein
prinzipielles Oszilloskopbild einer Luftverschraubung;
-
2 eine
korrekte Verschraubung;
-
3 das
nochmalige Anziehen einer angezogenen Schraube; und
-
4 ein
Blockschaltbild einer Handschrauberkontrolle über Druckluftauswertung.
-
Der
in 1 dargestellte Schrauber 1 ist mit einer
Druckluftleitung 32 verbunden, in der ein Druckdifferenzsensor 2 sitzt.
Dieser ist wiederum über
eine elektronische Verbindungsleitung 33 mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden,
die im Falle der dargestellten Luftschraubung, das heißt einer
Schraubung des Schraubers 1 ohne nennenswertes Lastmoment, ein
prinzipielles Oszilloskopbild 29 empfängt. Dieses enthält einen
Peak der Fläche
A1, der bei einer Zeit t1 (Einschalten des
Schraubers 1) beginnt und bei einer Zeit t2 (Ausschalten
des Schraubers 1) endet. Die Peakhöhe wächst sehr schnell von V0 (kein oder Grundvolumenstrom in der Druckluftleitung 32)
auf V1 (Leerlaufvolumenstrom) und fällt beim
Ausschalten des Schraubers 1 nahezu ebenso schnell wieder ab.
-
In 2 dreht
der Schrauber 1 eine Schraube in einem Werkstück 3 korrekt
ein, das heißt
es erfolgt ein Einschrauben und Festziehen. Die Meßwertaufnahme
erfolgt analog 1, wobei ein prinzipielles Oszilloskopbild 30 erhalten
wird. Dessen Peak setzt sich zusammen aus einem Peak A1 und einem Peak
A2, wobei der Peak A1 in seinem Volumenstrom V2 in
etwa dem Volumenstrom V1 entspricht und
die Zeit t3 wie auch t1 für das Einschalten
des Schraubers 1 steht. Die abfallende Flanke des Peaks A1 an t4 ist hier
jedoch nicht ein Ausschalten des Schraubers 1 sondern der Übergang
von Einziehen der Schraube 3 zu Festziehen der Schraube 3.
Während
des Festziehvorganges reduziert sich der Volumenstrom auf V3 und bleibt in etwa auf diesem Wert bis
zum Abschalten des Schraubers 1 an t5.
Das prinzipielle Oszilloskopbild 30 enthält somit
in seinem Peak einen breiten und hohen Peak A1, der dem Einschraubvorgang
entspricht, und unmittelbar anschließend einen breiten, aber viel
niedrigeren Peak A2, der dem Festziehen der Verschraubung 3 entspricht.
-
Beim
Festziehen einer angezogenen Schraube 4, wie es in 3 dargestellt
ist, wird wie in 1 und 2 ein prinzipielles
Oszilloskopbild 31 erhalten, das bei der Zeit t6 beginnt, die wiederum für das Einschalten des Schraubers 1 steht.
Da hier der Schrauber 1 auf die festsitzende Verschraubung 4 wirkt,
fehlt der Einschraubvorgang, das heißt nach einem kurzen hohen
Volumenstrom V4, der in etwa dem Beginn
des Volumenstroms V2 aus 2 entspricht,
fällt bei
t7 der Peak (A1) nach kurzer Zeit ab auf
einen Volumenstrom V5, der wie der Volumenstrom
V3 für
den geringen Luftdurch satz im Schrauber 1 bei hohem Lastmoment
steht. Dieser Volumenstrom V5 bleibt bestehen
bis zum Ausschalten des Schraubers bei t8.
-
Anhand
der drei prinzipiellen Oszilloskopbilder 29 bis 31 erkennt
man, daß aufgrund
der unterschiedlichen Volumenströme über die
Zeit die drei dargestellten Verschraubungen leicht voneinander unterscheidbar
sind. Ein Ausführungsbeispiel
zum Ermitteln der unterschiedlichen Verschraubungen ist in 4 dargestellt.
-
Das
von dem Druckdifferenzsensor 2 aufgenommene Signal wird über einen
Tiefpaßfilter 5 (340 Hz)
zu einem Verstärker 6 geführt. Von
dort gelangt das Signal zu einem Komparator 7, der bei
einer bestimmten Peakhöhe
der ansteigenden Flanke A1 einen Nuller 8 ausschaltet,
der bis dahin einen Integrator 9 zurückgesetzt hält. Mit Ausschalten des Nullers 8 beginnt
der Integrator 9 den Peak A1 zu integrieren. Nach Erreichen
eines vorgegebenen Integralwertes schaltet ein Komparator 10 (A1-Integral)
durch und gibt einen in einem Speicher 11 abgelegten Wert.
Sobald der Peak A1 eine bestimmte Höhe unterschreitet, schaltet
ein Komparator 13 ein Nachlaufrelais 14 an, das über einen
Inverter 15 einen Nuller 16 stillsetzt, der bis
dahin einen Integrator 18 zurückgesetzt hält. Der Integrator 18 integriert
nun das von dem Verstärker 6 über eine
Bandsperre 17 geführte
Signal und gibt das Integral an einen A2-Komparator 19 weiter,
der ab einem bestimmten Wert für
A2 ein Signal an einen Speicher 20 weitergibt. Sobald die
beiden Speicher 11 und 20 high-Level haben, wird über funktionsanzeigende
Leuchtmittel 12 und 21 ein AND-Gatter 25 durchgeschaltet.
-
Zur
Vermeidung einer Täuschung
der Auswerteeinrichtung durch kurzes Ein/Ausschalten des Schraubers
während
das Nachlaufrelais 14 läuft (dies
würde dem
Integrator 18 einen A2-Peak vortäuschen, da ein kurzer aber
intensiver A1-Peak entsteht) ist von dem Komparator 7 und
dem Nachlaufrelais 14 je ein Ausgang zu einem AND-Gatter 22 geführt, das
bei dem Vorliegen eines hohen Peak-Levels der Nachlaufzeit durchschaltet
und einen Wert in einen Speicher 23 ablegt, der wiederum
ein rotes Leuchtmittel 24 ansteuert und ein NAND-Gatter 26 durchschaltet,
das ein AND-Gatter 27 sperrt. Bei korrekter Verschraubung
ist der Ausgang des NAND-Gatters 26 auf high, so daß beim Durchschalten
des AND-Gatters 25 auch das AND-Gatter 27 durchschaltet
und ein Leuchtmittel 28 für korrekte Verschraubung ansteuert.
-
Wie
das Beispiel zeigt, kann mit der vorliegenden Erfindung zwischen
einem lastfreien Lauf, einer korrekten Verschraubung und der Betätigung auf einer
angezogenen Schraube unterschieden werden, indem der Durchfluß der Druckgasversorgung
des Schraubers ausgewertet wird. Die Erfindung ermöglicht ein
sehr kostengünstiges
System unter Weiternutzung schon vorhandener druckgasbetriebener Schrauber,
ohne daß eine
Beeinträchtigung
des Schraubers hinsichtlich seiner Handhabung erfolgt, da lediglich
Signale, die irgendwo im Bereich der Druckluftzuführung zu
dem Schrauber abgenommen werden können, verarbeitet werden.
-
Zusätzlich zu
der oben beschriebenen Integration der Signale A1 und A2 ist auch
eine Differentiation der abfallenden Flanken der Signale A1 und A2
sinnvoll, da sich auch hieraus das Vorhandensein einer korrekten
Verschraubung ableiten läßt.
-
Hierdurch
lassen sich weiterhin folgende Fehlermöglichkeiten ausschließen:
- – Der
Mitarbeiter heftet die festzuziehenden Schrauben zunächst, wobei
eigentlich nur die Signale A1 registriert werden dürfen. Die
Ventile der Handschrauber schließen jedoch nicht schlagartig
und verhalten sich eher kontinuierlich zwischen den Zuständen vollkommen
geöffnet
und vollkommen geschlossen. Hierdurch kann es dazu kommen, daß der Mitarbeiter
durch leichte Handanlage am Betätigungshebel
einen Kriechstrom auslöst,
welcher, wenn er dem Signal A1 folgt, das Vorhandensein des Signals
A2 simulieren könnte.
- – Der
Mitarbeiter drückt
den Betätigungshebel komplett
durch und läßt danach
langsam los. Somit kann es dazu kommen, daß das Nachlaufrelais gestartet
wird und der immer kleiner werdende Luftstrom das Signal A2 simuliert.
- – Dem
bekannten Problem des schnellen, wiederholten Ein- und Ausschaltens
des Schraubers kann auf diesem Wege wirkungsvoll begegnet werden.
-
Vorteilhaft
ist auch eine Variante der Elektronik, die so aufgebaut ist, daß die Einheiten,
die jeweils das A1- und A2-Signal detektieren, nicht mehr voneinander
abhängig
sind. Es werden also beide Einheiten permanent das Eingangssignal
verarbeiten und nicht wie bisher nacheinander (der A2-Teil arbeitet
nur dann, wenn der A1-Teil ein korrektes Signal A1 bereits erkannt
hat). Durch einen solchen prinzipiell anderen Aufbau der Elektronik
wird eine differenziertere Auswertung des Eingangssignals ermöglicht. Weiterhin
ist auf diesem Wege dem Problem des schnellen, wiederholten Ein-
und Ausschaltens des Schraubers einfacher zu begegnen.
-
Bisher
stellt das Vorarbeiten das Problem dar, daß dem Mitarbeiter die Verantwortung übertragen
wird, welche Gegenstände
schon bearbeitet worden sind. Das Gerät kann in der Form ausgeführt sein,
daß ein
Vorarbeiten seitens des Mitarbeiters entfällt oder ver hindert wird. Das
Gerät fordert
somit die Freigabe des Gegenstandes oder gibt selber den Gegenstand
frei, nachdem die Arbeiten an der entsprechenden Schraubstation
durchgeführt
worden sind. Ggf. führt
die Zentralsteuerung den bearbeiteten Gegenstand einer Nachbearbeitungsstation
zu.