PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60034177T2 20.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001063061
Titel Verfahren zum Feststellen der optimalen Parameter-Werte zum Anziehen einer Schraubverbindung mittels Verfahrens-Simulation
Anmelder Atlas Copco Tools AB, Stockholm, SE
Erfinder Hansson, Gunnar Christer, 114 59 Stockholm, SE
Vertreter Beyer & Jochem Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 60034177
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.06.2000
EP-Aktenzeichen 008501074
EP-Offenlegungsdatum 27.12.2000
EP date of grant 04.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse B25B 23/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B23P 19/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Feststellen der optimalen Parameterwerte zur Betriebssteuerung eines Anziehvorgangs einer Schraubverbindung, der durch einen Motorschrauber ausgeführt wird, welcher durch ein programmierbares Steuersystem im Einklang mit solchermaßen bestimmten optimalen Parameterwerten für die Betriebssteuerung gesteuert wird.

Motorschrauber, die durch programmierbare Steuersysteme gesteuert werden, werden üblicherweise in der Produktion eingesetzt, insbesondere bei Vorgängen in Fertigungsanlagen, wo die Zugänglichkeit des Motorschraubers und die Produktivität eine hohe Priorität haben. Das Programmieren des Steuersystems und Feststellen der optimalen Werte für den Betrieb des Motorschraubers nimmt üblicherweise einige Zeit in Anspruch. Das heutzutage üblicherweise praktizierte Verfahren sieht vor, dass Parameterwerte, die für den vorgesehenen Anziehvorgang als geeignet angesehen werden, in das Steuersystem einprogrammiert werden, und es wird eine Anzahl von Anziehvorgängen durchgeführt. Die Ergebnisse werden ausgewertet, die Parameterwerte eingestellt und eine weitere Serie von Anziehvorgängen wird durchgeführt. Um nicht zuviel Zeit zu verlieren, wird dies üblicherweise während der regulären Montagearbeit durchgeführt, meistens durch Verlangsamen oder Anhalten der Fertigungsanlage.

Diese Art von Iterationsprozess zum Herausfinden der am besten geeigneten Parameterwerte zur Betriebssteuerung ist jedoch nicht nur als solches zeitaufwendig, sondern führt oftmals auch zu Neueinstellungen und in einigen Fällen sogar zum Ersetzen beschädigter Schraubverbindungen, die während des Programmierprozederes angezogen worden sind. Die Wahrscheinlichkeit, die optimalen Anziehparameterwerte mit den zu allererst mehr oder weniger zufällig gewählten Werten herauszufinden, ist sehr klein, was bedeutet, dass eine Anzahl von „Test"-Anziehvorgängen durchgeführt werden muss.

Alternativ kann der Motorschrauber aus der Produktion zum Programmieren und Testanziehen herausgenommen werden. Dies bedeutet jedoch eine höchst unerwünschte Reduzierung der Zugänglichkeit des Motorschraubers und der Produktivität.

Um den Programmiervorgang zu beschleunigen und Neueinstellungen von während des Programmiervorgangs angezogenen Schraubverbindungen zu vermeiden, sieht die Erfindung ein Verfahren zum Berechnen der optimalen Parameterwerte zur Betriebssteuerung vor, um einen Anziehvorgang mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten, einschließlich einer akzeptablen Zielgenauigkeit des Anziehvorgangs. Das Verfahren umfasst eine mathematische Simulation des Anziehens, das die Verwendung von für die jeweilige Art von Schraubverbindung charakteristischen Parameterwerten ebenso wie von Betriebsparameterwerten vorsieht, die für den momentan eingesetzten Motorschrauber charakteristisch sind.

In der WO 98/22263 wird ein Anziehverfahren für eine Schraubverbindung beschrieben, bei welchem die Eigenschaften der Schraubverbindung zum Errechnen eines gewünschten endgültigen Anziehzustandes der Schraubverbindung verwendet werden und die tatsächlich erhaltenen Anziehparameterwerte mit den errechneten Parameterwerten im gewünschten abschließenden Anziehzustand zum Unterbrechen des Anziehvorganges verglichen werden. Dieses bekannte Verfahren schließt keinerlei Simulationssequenz des Anziehens ein, bei welchem die optimalen Parameterwerte zur Betriebssteuerung bestimmt werden.

Weitere Zielsetzungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen in größerem Detail beschrieben. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren darstellt;

2 und 3 Diagramme, die zwei zweistufige Anziehvorgänge mit unterschiedlichen Programmierungen darstellen;

4 ein Diagramm, das einen einstufigen Anziehvorgang darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird geeigneterweise mittels eines elektrischen Motorschraubers durchgeführt, der an ein Steuersystem mit Treibern zum Liefern einer geeigneten Versorgungsspannung für den Motorschrauber angeschlossen ist. Der Spannungsausgang dieser Treiber sollte eine variable Frequenz und Spannungsgröße zum Variieren der Drehzahl und der Drehmomentabgabe des Motorschraubers haben. Das Steuersystem sollte auch programmierbare Mittel zum Verarbeiten und Speichern von Daten aufweisen. Ein zu diesem Zweck geeignetes Steuersystem wird von Atlas Copco Tools AB unter dem Namen POWER FOCUS 2000 vermarktet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem Flussdiagramm in 1 dargestellt, wobei eine Programmeinheit mit für die anzuziehende Schraubverbindung charakteristischen und in einer Datenbank 11 abgespeicherten Parameterwerten, mit für den verwendeten Motorschrauber charakteristischen und in einer Datenbank 12 abgespeicherten Parameterwerten und mit Parameterwerten zur Betriebssteuerung, die aus einer großen Anzahl von in einer Datenbank 13 gespeicherten Werten ausgewählt werden, versorgt wird.

In dem Simulationsschritt wird der Anziehvorgang in einer Datenverarbeitungseinheit 14 auf der Basis der charakteristischen Parameterwerte für die Schraubverbindung und den Motorschrauber, die durch die Datenbanken 11 und 12 zur Verfügung gestellt werden, ebenso wie auf der Basis von Parameterwerten zur Betriebssteuerung mathematisch durchgeführt, die aus der Datenbank 13 zur Verfügung stehen. Das Verfahren zum Bestimmen der optimalen Parameterwerte zur Steuerung des Anziehvorgangs wird in der Weise durchgeführt, dass Steuerparameterwerte, von denen angenommen wird, dass sie zu einem akzeptablen Ergebnis des Anziehvorgans führen, aus der Datenbank 13 vorausgewählt und für die erste Simulation verwendet werden.

Das Ergebnis der Simulation wird durch eine Vergleichseinheit 16 ausgewertet, in welcher Daten, die die gewünschten, für den momentanen Anziehvorgang ausgewählten und in dem Speicher 17 gespeicherten Kriteriumswerte repräsentieren mit dem Simulationsergebnis verglichen werden. Solche Auswertungskriterien können die Anzugsgenauigkeit im Hinblick auf den Anzugszielwert, die Dauer des Anziehvorganges, ergonomisch vorteilhafte Reaktionskräfte und dergleichen sein.

Wenn das Ergebnis der ersten Simulation im Hinblick auf die gewünschten Kriteriumswerte der Auswertung akzeptiert wird, werden die vorausgewählten Parameterwerte für die Prozesssteuerung im Speicher der Steuereinheit behalten und für das Anziehen in der Produktion verwendet.

Wenn andererseits das Ergebnis dieser ersten Simulation abgelehnt wird, wird der Simulationsvorgang mit verändertem Steuerparameterwerten, die aus der Datenbank 13 ausgewählt werden, neu gestartet. Ein solcher Neustart des Simulationsvorganges wird einmal oder mehrmals mit schrittweise veränderten Steuerparameterwerten wiederholt, bis das simulierte Anzugsergebnis akzeptiert wird. Dann werden die zuletzt verwendeten Steuerparameterwerte im Speicher des Steuerungssystems behalten und für das Anziehen in der Produktion verwendet.

Wie zuvor beschrieben, bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren, dass eine Anzahl von Betriebsparameterwerten über ein mathematisches Verfahren optimiert werden, wobei der bei einer bestimmten Art von Schraubverbindung durchzuführende Anziehvorgang unter Verwendung von Grundparameterwerten, die charakteristisch für die aktuelle Schraubverbindung, und Parameterwerten simuliert wird, die charakteristisch für den momentan verwendeten Motorschrauber sind. Der wichtigste auf die Schraubverbindung bezogene Parameter ist die sogenannte Verbindungsrate, d. h. der Anstieg der Axiallast in Relation zur Rotation der Schraubverbindung. Wichtige charakteristische Parameter im Hinblick auf den Motorschrauber und seine Antriebsmittel sind Drehmoment- und Drehzahlfähigkeiten ebenso wie dynamische Eigenschaften, wie Beschleunigungs- und Verzögerungsfähigkeiten, einschließlich der Massenträgheit des Motors und des Antriebsstranges.

Wie zuvor erwähnt, bestehen die Hauptzielsetzungen des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, ein schnelles und sicheres Programmieren der Steuereinheit zu erhalten und den Anziehvorgang im Hinblick auf die Prozessdauer, die Anzugszielgenauigkeit und die Ergonomie zu optimieren. Die optimalen Betriebsdaten müssen auf die diesen drei Aspekten gegebene Priorität bezogen werden. Wenn die Anzugszielgenauigkeit höchste Priorität genießt, muss die Anziehdrehzahl, wenigstens während der abschließenden Phase, niedrig genug sein, damit die Massenträgheit der rotierenden Teile des Motorschraubers keinen unerwünschten Drehmomentüberschuss erzeugen kann. Die Drehzahl könnte zum Ende des Vorganges hin entsprechend einer vorbestimmten Verzögerungsrampe schrittweise reduziert werden.

Wenn die Prozessdauer höchste Priorität genießt, muss die Motorschrauberdrehzahl erhöht werden, was zu einer etwas reduzierten Anzugszielgenauigkeit führen kann.

Ergonomische Aspekte des Anziehvorganges können die Prozessdauer insoweit beeinflussen, als dass eine Anpassung der Eigenschaften des Reaktionsmoments an die Fähigkeit des Bedieners, dem Reaktionsmoment entgegenzuwirken, einen etwas langsameren Prozess erfordern kann. Jedoch kann ein ausgeweiteter Anziehvorgang für den Bediener möglicherweise belastend sein. Ein Optimum von Dauer und Größe des Reaktionsmoments muss gefunden werden, um einen ergonomisch vorteilhaften Prozess zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eine Empfindlichkeitsanalyse umfassen, bei welcher einige Parameter bei wiederholten Anzugssimulationen verändert werden, um zu sehen, wie stark diese Parameter im Verhältnis zu anderen Parametern variieren können, ohne dass das Ergebnis des Anziehvorganges aus den vorbestimmten Kriteriumswerten für die Auswertung fällt.

Um zu verdeutlichen, wie der Anziehvorgang durch Verändern einiger der Anzugsparameter verändert werden kann, werden drei unterschiedliche Wege des Anziehens einer Schraubverbindung auf ein vorbestimmtes Ziel-Drehmomentniveau TT dargestellt.

In 2 ist ein zweistufiger Prozess dargestellt, in welchem die Schraubverbindung zunächst mit einer relativ hohen Drehzahl bis zu einem Drehzahlschaltniveau TS gedreht wird. An diesem Punkt wird der Motorschrauber für ein kurzes Intervall angehalten, dann neu gestartet und mit einer relativ niedrigen Drehzahl auf das Zieldrehmomentniveau TT gedreht. Da das Zieldrehmoment bei einer vergleichsweise kleinen Drehzahl erreicht wird, ist der Drehmomentüberschuss T0 sehr klein. Mit anderen Worten ist die abschließende Anzugsgenauigkeit groß. Die Prozessdauer ist daher jedoch relativ lang.

In 3 ist ebenfalls ein zweistufiger Anziehvorgang dargestellt, bei welchem die Schraubverbindung zunächst auf ein Drehzahlschaltniveau TS angezogen wird, an welchem der Motorschrauber angehalten wird. Nach einer kurzen Unterbrechung wird der zweite Schritt durchgeführt. Verglichen zu dem in 2 gezeigten Vorgang, wird dieser Prozess mit einer höheren Drehzahl durchgeführt. Dies bedeutet, dass das Drehmomentschaltniveau TS viel schneller erreicht wird. Auch der zweite Schritt wird mit einer höheren Drehzahl durchgeführt, was bedeutet, dass das Zieldrehmomentniveau TT ebenfalls viel schneller erreicht wird.

Jedoch hat die relativ hohe Drehzahl während des zweiten Schrittes und die daraus folgende hohe kinetische Energie der rotierenden Teile des Motorschraubers zur Folge, dass das Zieldrehmomentniveau TT in einem größeren Ausmaß als bei dem zuvor beschriebenen Beispiel überschritten wird. Der Drehmomentüberschuss T0 kann so groß werden, dass er unter den Genauigkeitsanforderungen nicht akzeptabel ist. Falls der Drehmomentüberschuss jedoch akzeptabel ist, erreicht man einen viel weniger Zeit benötigenden Anziehvorgang.

Ein weiterer Weg der Veränderung des Vorgangs zur Erfüllung aufgestellter Bedingungen besteht darin, einen einstufigen Vorgang zu wählen, wie er in 4 dargestellt ist. Wie bei dem in 3 dargestellten Prozess, wird dieser Vorgang bei einer relativ hohen Drehzahl durchgeführt. Dies bedeutet, dass das Drehzahlschaltniveau, TS schnell erreicht wird. Am Drehzahlschaltniveau TS wird jedoch die Rotation nicht unterbrochen, sondern lediglich die Drehzahl reduziert, um das Zieldrehmomentniveau TT bei einer ausreichend niedrigen Drehzahl zu erreichen und keinen inakzeptablen Drehmomentüberschuss T0 zu bewirken. Da die Unterbrechung am Drehzahlschaltniveau TS weggelassen wird, ist dieser einstufige Vorgang noch kürzer als der in 3 dargestellte Prozess.

Abgesehen von einem Verändern der Drehzahl des Motorschraubers und des Bestimmens, ob das Anziehen in einem oder zwei Schritten durchgeführt werden soll, sind weitere Parameter beim Optimieren des Prozesses zu bedenken. Beispielsweise kann am Ende des Prozesses jegliche geeignete Rampe zur Drehzahlreduzierung verwendet werden, um den Drehmomentüberschuss T0 zu vermeiden oder wenigstens zu reduzieren.


Anspruch[de]
Verfahren zum Feststellen der optimalen Parameterwerte zur Betriebssteuerung eines Anziehvorgangs einer Schraubverbindung, der durch einen Motorschrauber ausgeführt wird, welcher durch ein programmierbares Steuersystem unter Verwendung der Parameterwerte zur Betriebssteuerung gesteuert wird, wobei in dem Steuersystem Parametergrundwerte gespeichert sind, die für den gegenwärtigen Schraubverbindungstyp charakteristisch sind,

gekennzeichnet durch

a) Abspeichern auch von Parameterwerten zur Betriebssteuerung in dem Steuersystem, die für den gegenwärtig verwendeten Motorschrauber charakteristisch sind,

b) Versorgen des Steuersystems mit vorgewählten Parameterwerten zur Betriebssteuerung, die geschätzt sind, um ein akzeptables Ergebnis des Anziehvorgangs der Schraubverbindung zu erhalten,

c) mathematisches Simulieren eines Anziehvorgangs einer Schraubverbindung unter Verwendung sowohl der vorgewählten Parameterwerte zur Betriebssteuerung als auch der für den gegenwärtigen Schraubverbindungstyp charakteristischen Parameterwerte und der für den gegenwärtig verwendeten Motorschrauber charakteristischen Betriebsparameterwerte,

d) Auswerten des Ergebnisses des simulierten Anziehvorgangs in Bezug auf vorbestimmte Auswertungskriterien, um dadurch

I) das Ergebnis des simulierten Anziehvorgangs zu akzeptieren und die vorgewählten Steuerparameterwerte zur Verwendung als Parameterwerte für das Anziehen in der Fertigung zu behalten, oder

II) das Ergebnis des simulierten Anziehvorgangs abzulehnen und die Simulation des Anziehvorgangs einmal oder mehrmals neu zu starten, wobei jedes Mal veränderte vorgewählte Parameterwerte zur Betriebssteuerung benutzt werden, bis das Ergebnis des simulierten Anziehvorgangs akzeptiert wird, und die veränderten vorgewählten Parameterwerte zur Betriebssteuerung zur Verwendung als Parameterwerte für das Anziehen in der Fertigung in dem Steuersystem beibehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Steuerungsdaten zwischen einer Steuereinheit des Motorschraubers und einem Computer für die Simulation des Anziehvorgangs ausgetauscht werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Computer von dem Steuersystem räumlich getrennt ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 (1 bis 3 ?), bei welchem durch das Steuersystem eine Empfindlichkeitsanalyse in Bezug auf eine Reihe von Steuerungsparametern des Anziehens ausgeführt wird, die die Eigenschaften der gegenwärtigen Schraubverbindung und/oder das Bedienerverhalten beinhalten.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com