DE4137750C2 - Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen zur Herstellung von Pressverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Qualitätsüber­ wachung von Fügeprozessen zur Herstellung von Pressverbindungen.

Derartige Prozesse sind insbesondere kraftbehaftete Fügeprozesse, wie Pressverbindungen und Nietverbindun­ gen, aber auch andere kraftbehaftete Prozesse, wie beispielsweise Meißeln, bei denen ein impulsförmiger Antrieb eingesetzt wird.

In zunehmendem Maße gewinnt die Verbindungstechnik "Einpressen" insbesondere in der automatisierten Mon­ tage an Bedeutung, ermöglicht sie doch den Verzicht auf zusätzliche Fügehilfsteile (Schrauben, Muttern, Nieten etc.), wodurch das Einpressen nach dem Schrauben letzt­ lich zur häufigsten in der industriellen Praxis einge­ setzten Verbindungstechnik wurde. Die Verbindung ent­ steht dabei durch Übermaß zwischen Füge- und Basisteil, wodurch zwischen den beiden Fügepartnern ein Fugendruck bzw. eine Normalkraft entsteht, aus der eine kräfte­ übertragende Haltekraft resultiert.

Im Hinblick auf die Prozeßüberwachung unterscheidet sich die Fügetechnik von anderen Fertigungsverfahren dadurch, daß die Qualitätssicherung mit der Prozeßüber­ wachung identisch ist, da eine nachträgliche Untersu­ chung der Fügequalität zerstörungsfrei nicht mehr mög­ lich ist, wie dies insbesondere für Preßverbindungen der Fall ist.

Bestehende Verfahren zur Überwachung von Prozessen mit Kraftbedarf beruhen alle auf dem Prinzip der sensori­ schen Erfassung des Verlaufs der Kraft als Funktion des Weges zur Klassifizierung der Qualität des Prozesses. Der gemessene Istverlauf darf dabei vor dem Prozessbe­ ginn festgelegte Minimal- bzw. Maximalwerte nicht un­ ter- bzw. überschreiten, damit der Prozeß noch in Ord­ nung ist.

Dieses Verfahren ist bei Verwendung von Werkzeugen mit impulsförmigem Antrieb nicht anwendbar, da

• - die sensorische Erfassung von Stoßkräften mit ausrei­ chender Reproduzierbarkeit technisch bisher nicht möglich ist,
• - ein ungeklärter Zusammenhang zwischen Stoßkraft und benötigter quasistatischer Fügekraft besteht,
• - kein kontinuierlicher Kraft-Weg-Verlauf erstellbar ist.

Darüber hinaus liefert die Ermittlung von vorab festge­ legten Schwellwerten bzw. Toleranzbereichen beispiels­ weise auf der Basis von Stichprobenmessungen bei Ver­ bindungstechniken wie Einpressen aufgrund der starken Schwankung der Prozeßparameter keine hinreichend zuver­ lässigen Beurteilungsgrößen.

Aus der DE 33 07 615 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen der Bahn der Schneide eines an einem Werk­ zeughalter angebrachten Werkzeuges in einer Werkzeugmaschine bekannt. Vor dem tatsächlichen Bearbeiten eines Werkstückes wird für einzelne Abtaststellen, die später beim Schneiden des Modells benötigt werden, jeweils ein Toleranzbe­ reich festgelegt und gespeichert. Beim tatsächlichen Schneiden wird dann bei jeder abgetasteten Stellung überprüft, ob sie in dem jeweiligen vorher festgeleg­ ten Toleranzbereich liegt. Die bekannte Vorrichtung weist dazu einen Stellungstaster 2 zum Feststellen der Stellung der Schneide des Werk­ zeugs an dem Werkzeughalter auf sowie Register 3, 6, 8 und einen Speicher 4 zum speichern der Stellungsdaten, eine Recheneinheit 9 zur Berechnung des Ist-Abstandes zwischen einer geraden Linie und der gegenwärtigen Stellung des Werkzeugs und Einrichtungen 10, 11 zur Einstellung eines Toleranzabstandes sowie zum Vergleich von Ist- und Toleranzabstand. Über einen Schaltstromkreis 7 wird ein Alarmsignal AR ausgegeben, wenn der Ist-Abstand von dem vorgege­ benen Toleranzbereich abweicht.

Die Messwertaufnahme zur Erfassung der Stellung der Schneide erfolgt kontinu­ ierlich während des gesamten Schneideprozesses.

Aus der DE 36 37 128 A1 ist eine Einrichtung zur auto­ matischen werkzeugspezifischen Betriebsdateneinstellung eines elektrischen Antriebsgeräts für auswechselbare Werkzeuge bekannt. Am Einsteckschaft 8 des Werkzeugs 7 zwischen dem endseitigen Drehmomentübertragungsbereich und dem eigentlichen Arbeitsbereich ist eine ein- oder mehrspurige Datenmar­ kierung 10 vorgesehen, die aus einer Folge von kerbenartigen Vertiefungen 11 und Stegen 12 besteht. Diese Datenmarkierung 10 wird durch einen induktiven Sensor 6, 13 abgetastet, während sich das Werkzeug 7 dreht. Die Signalaus­ wertung erfolgt durch einen Mikroprozessor 14, der daraus mit Hilfe vorgespei­ cherter Talbellenwerte unter Berücksichtigung eines Toleranzbereiches die für das Werkzeug spezifischen Betriebsdaten, wie Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit und Schlagfrequenz ermittelt. Diese Betriebsdaten werden unmittelbar auf das Antriebsgerät übertragen, in welchem selbsttätig die entsprechenden Einstellungen für die werkzeugspezifischen Be­ triebsparameter vorgenommen werden.

Aus der DE 39 22 066 A1 ist eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen bekannt, wobei die Messung des Relativweges mit Hilfe eines Sensors erfolgt.

Der bisher bekannt gewordene Stand der Technik betrifft somit keine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen, bei welcher während des Fügepro­ zesses das Fügeteil mit Hilfe eines Prozeßwerkzeuges mit Impulsen beauf­ schlagt wird, so dass das Fügeteil im Basisteil pro Krafteinwirkung einen Relativ­ weg zurücklegt. Auch sind keine Messung des Relativweges, den das Fügeteil im Basisteil pro Krafteinwirkung zurücklegt, mit Hilfe eines berüh­ rungslos arbeitenden Sensors am Schlagstößel des Schlagwerkzeuges und kei­ ne Messung des gesamten Fügeweges über einen Induktivsensor angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Füge­ prozessen, bei denen die Prozeßgrößen impulsförmig entstehen, anzugeben, das eine Kontrolle des Prozeßver­ laufes ermöglicht.

Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit schaffen, kraftbehaftete Füge- bzw. Arbeits­ prozessen zu überwachen, bei denen Werkzeuge mit im­ pulsförmigem (schlagendem) Antrieb verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentspruch 1 angegeben. Eine Weiterbildung der Erfin­ dung ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 2.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt der Grundgedanke zugrunde, anstelle der nicht vorhandenen quasistati­ schen Fügekraft als "Meßgröße" den pro Impuls zurückge­ legten Weg des Fügeteils zu verwenden, der unter der Voraussetzung einer (pro Impuls) konstanten Energie­ übertragung des Prozeßwerkzeuges ein Maß für die über­ tragene Energie darstellt.

Dies soll an einem Beispiel erläutert werden:

Der für einen bestimmten Fügevorgang charakteristische Prozeßverlauf des Relativweges Δz des Fügeteils (pro Schlag bzw. Impuls zurückgelegter Weg des Fügeteils) über dem gesamten Fügeweg (Absolutweg) des Fügeteils z kann bei dem für das Beispiel gewählten Fügevorgang durch folgende Glei­ chung gegeben sein:

wobei die pro Impuls mit der Fügekraft F zu einem be­ stimmten Zeitpunkt bzw. erreichten absoluten Fügeweg z_i eingetragene Energie W_i berechnet wird nach der Gleichung

Für W_i/c steht die Konstante k, also k = W_i/c, die vor­ zugsweise im Bereich 1,0. . .1,5 mm² liegt. Der Wert c sei durch die Relation c = F/z vorzugsweise auf einen Bereich 200. . .250 N/mm festgelegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ebenfalls die Festlegung der Toleranzbereiche für den so ermittelten Prozeßverlauf. Das erfolgt in der Weise, daß die erfor­ derlichen Soll-Werte nicht wie beim Stand der Technik vor Prozeßbeginn ermittelt werden, sondern auf der Basis des tatsächlich gemessenen Weges pro Schlag Δz_ist wahrend des Fügeprozesses ein Toleranzband (Hüll­ kurve) generiert wird, innerhalb dessen sich die Meß­ werte bewegen müssen, damit der Prozeß fehlerfrei ist. Zur Berücksichtigung der möglichen zunehmenden Abwei­ chungen der Meßwerte von den durch das Toleranzband vorgegebenen Sollwerten mit zunehmender Fügetiefe wird der zulässige Toleranzbereich für die Weg/Schlag-Werte mit zunehmender Fügetiefe vergrößert; dadurch nimmt das Toleranzband die Form einer "Trompete" an.

Bei der Umsetzung wird dabei mehrstufig vorgegangen. Auf der Basis des theoretisch ermittelten Kurvenver­ laufs wird mit Hilfe der ersten Δz-Werte die Lage des vorliegenden Fügefalles im Toleranzband ermittelt und so die für diesen Fügefall gültige äußere "Toleranz­ trompete" erzeugt. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden während des Fügeprozesses laufend neue Schwellwerte auf der Basis des bisherigen Kurvenverlaufs durch Extrapo­ lieren generiert; die zuletzt erfaßten Meßwerte werden dabei stärker gewichtet als zeitlich länger zurücklie­ gende Werte. Damit wird zusätzlich zur äußeren Hüllkur­ ve eine innere Hüllkurve erzeugt, die sich aus der Aneinanderreihung der so erzeugten Schwellwerte ergibt. Für einen einwandfreien Prozeßverlauf müssen die Meß­ werte wiederum innerhalb dieses Toleranzbandes liegen.

Der Verlauf der Toleranzgrenzen für die äußere und die innere Kurve wird dabei durch folgende Beziehung be­ stimmt:

dabei ist ΔB (z) die Breite des äußeren Toleranzbandes in Abhängigkeit vom Fügeweg.

Für die innere Hüllkurve, die nur zur Toleranzsicherung in einem Teilbereich den Fügeweg z erzeugt wird (Tole­ ranzfenster):

f_1,2 steht für die untere bzw. obere Begrenzungsfunk­ tion im Intervall [z_i; z_j], z_i,j beschreiben die Lage des Toleranzfensters.

Ein Versagensfall liegt dann vor, wenn der gemessene Kurvenverlauf entweder die äußere oder innere Toleranz­ trompete verläßt. An der Art des entsprechenden Signal­ verlaufs läßt sich die Fehlerursache erkennen.

Die nach Eintritt eines Versagensfalles zur Anwendung kommende Störfallstrategie ist abhängig vom konkreten Versagensfall.

Beispielsweise beim Fügeverfahren "Einpressen" treten im wesentliche vier Versagensfälle auf, nämlich kein Eindringen, Durchrutschen, Kaltverschweißen, Spanbil­ dung; z. B. wird beim Erkennen einer zu engen Bohrung der Fügevorgang abgebrochen.

Neben der Kenntnis der Ursache eines möglichen Fehlers ist vor allem auch die Kenntnis des Zeitpunktes seines wahrscheinlichen Eintretens wichtig, um mit Hilfe ent­ sprechender Maßnahmen wie beispielsweise spezieller Störfallstrategien schnell reagieren zu können, bevor eine weitere Fortsetzung des Fügeprozesses zu einer Beschädigung oder eventuell sogar Zerstörung der Füge­ partner führt. Damit ist eine Überwachung beispielswei­ se des Einpreßprozesses bei der Verwendung eines pneu­ matisch-schlagenden Antriebs möglich.

Der Nutzen und die Funktionsweise des beschriebenen Verfahrens werden besonders bei der Erkennung und Klas­ sifizierung von Versagensfällen offensichtlich. Eine eindeutige Zuordnung von Weg/Schlag-Weg-Verlauf zu dem jeweiligen Versagensfall ist realisierbar.

Als weitere Vorteile der Vorrichtung sind zu nennen:

• - Gewährleistung der Prozeßüberwachung auch bei impuls­ förmiger Krafteinleitung,
• - Anwendung verschiedenener an den spezifischen Prozeß angepaßter Algorithmen zur Generierung des Toleranz­ bandes auch im Echtzeitbetrieb,
• - Anwendung verschiedenener im Echtzeitbetrieb zur Veränderung der Prozeßparameter im Sinne einer Störfallstrategie,
• - Reduzierung der Toleranzbreite von Prozeßgrößen mit charakteristischem Grundverlauf, jedoch stark streu­ enden Absolutwerten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung von Fügeprozessen soll nachstehend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher beschrieben werden; die zugehöri­ gen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Weg/Schlag-Weg-Verlauf beim Einpressen eines Zylinderstiftes in eine ent­ sprechende Bohrung,

Fig. 2 das Funktionsprinzip der beschriebenen Prozeßüberwachung.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist ohne Beschränkung der allgemeinen Anwendbarkeit das Einpressen von Zylinder­ stiften in entsprechende Paßbohrungen dargestellt. Dabei wird als Schlagwerkzeug ein an einem Industriero­ boter angebrachtes flexibles Prozeßwerkzeug verwendet, das die erforderlichen Fügekräfte auf der Basis eines pneumatischen Schlaghammers erzeugt.

Der Weg des Fügeteils wird dabei sensorisch erfaßt; die aufgenommenen Sensorsignale werden über eine enspre­ chende Signalverarbeitung (Triggerung, Digitalisierung) verarbeitet und liefern so den Weg bzw. den Ort des Fügeteils nach jedem Schlag. Durch Differenzbildung läßt sich in der Verarbeitungseinheit der Verlauf von z als Funktion von z ermitteln, mit den gegebenen Toleranzen vergleichen und zur Berechnung des weiteren Toleranzverlaufes verwenden. Bei der selbsttätigen Generierung des Toleranzbandes kann prozeßspezifisch zwischen verschiedenen Algorithmen gewählt werden.

Fig. 1 zeigt die für diesen Fügevorgang charakteristi­ schen Prozeßverläufe:

• 1. 1.1: Weg/Schlag-Weg-Verlauf Δz (z) nach Gleichung (1) und
• 2. 1.2: Weg/Kraft-Verlauf F (z) zur Berechnung der pro Impuls übertragenen Energie W_i nach Gleichung (2).

In Fig. 2 ist der Prozeßverlauf für den Momentanwert des Relativweges des Fügeteils Δz_ist (z) innerhalb des äußeren Toleranzbandes nach Beziehung (3) und des inne­ ren Toleranzfensters nach Beziehung (4) dargestellt. Δz_o kennzeichnet den Weg nach dem ersten Schlag.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung von Fügeprozessen zur Herstel­ lung von Pressverbindungen zwischen einem Füge- und einem Basisteil, wobei während des Fügeprozesses das Fügeteil mit Hilfe eines Prozess­ werkzeuges mit Impulsen beaufschlagt wird, so dass das Fügeteil im Basisteil pro Krafteinwirkung einen Relativweg Δz zurücklegt, wobei die Messung des Relativweges Δz mit Hilfe eines berührungslos arbeitenden Sensors insbesondere eines Wir­ belstromsensors, am Schlagstößel des Prozesswerkzeugs erfolgt und der gesamte Füge­ weg z über einen Induktivsensor am Pneumatik­ vorschub des Schlagwerkes gemessen wird, wobei die Aufnah­ me der Messwerte, die einer Recheneinheit zuführbar sind, kontinuierlich während des gesamten Prozesses erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der Messwerte durch Fil­ terung über einen Butterworth-Filter 2. Ordnung mit 5 Hz Grenzfrequenz erfolgt und die Messwerte über einen A/D-Wandler digitalisiert werden, bevor sie an die Recheneinheit angelegt werden, wobei der gewünschte Verlauf des Relativweges Δz über dem gesamten Fügeweg z des Fügeteils durch Differenzierung und Multiplikation mit der Schlagdauer entsteht.