DE4137750A1 - Verfahren zur ueberwachung von fuegeprozessen mit impulsfoermigem antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozeßüber­ wachung und gegebenenfalls -regelung bei Prozessen, bei denen die Prozeßgrößen impulsförmig entstehen.

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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prozeßüberwachung und gegebenenfalls -regelung bei Prozessen, bei denen die Prozeßgrößen impulsförmig entstehen, anzugeben, das eine Kontrolle des Prozeßver­ laufes ermöglicht.

Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit schaffen, kraftbehaftete Füge- bzw. Arbeit­ sprozesse zu überwachen, bei denen Werkzeuge mit im­ pulsförmigem (schlagendem) Antrieb verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 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 steht die Konstante k, also k = , die vorzugsweise im Bereich 1, 0 . . . 1,5 mm² liegt. Der Wert c sei durch die Relation c = vorzugsweise auf einen Bereich 200 . . . 250 N/mm festgelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren 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 während 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 Begrenzungsfunktion 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 wesentlichen 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 des Verfahrens sind zu nennen:

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

Das erfindungsgemäße Verfahren 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 des beschriebenen Verfah­ rens zur 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 entspre­ 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: Weg/Schlag-Weg-Verlauf Δ(z) nach Gleichung (1) und
• 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 (7)

1. Verfahren zur Prozeßüberwachung bei Prozessen, bei denen die Prozeßgrößen impulsförmig entstehen,
dadurch gekennzeichnet, daß über den definierten Ener­ gieeinsatz W_i des Prozeßwerkzeuges pro Impuls bzw. pro Schlag der zurückgelegte Weg z und der Gesamtweg z des Fügeteils bestimmt wird,
und die Vorgabe von Toleranzbereichen für den Prozeß­ verlauf mit Prozeßbeginn auf der Basis des tatsächlich gemessenen Weges pro Schlag z_ist in der Weise erfolgt, daß während des Fügeprozesses Toleranzbänder (Hüllkur­ ven) generiert werden, wobei die Meßwerte für einen fehlerfreien Prozeßablauf jeweils innerhalb des zutref­ fenden Toleranzbandes liegen müssen und daß im Versa­ gensfall eine vom konkreten Versagensfall abhängige Störfallstrategie angewendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmender Fügetiefe der Toleranzbereich ΔB für die Weg/Schlag-Werte Δz vergrößert wird, wodurch das Toleranzband die Form einer "Trompete" annimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umsetzung der Pro­ zeßüberwachung in Form der Vorgabe der Toleranzbereiche mehrstufig vorgegangen wird, wobei auf der Basis der ersten Weg/Schlag-Werte eine erste Toleranztrompete erzeugt wird und zur Erhöhung der Genauigkeit auf der Basis des bisherigen Kurvenverlaufs zumindest für einen Teilbereich des Fügeweges z mit Hilfe von Rechenalgo­ rithmen zusätzlich zur äußeren Hüllkurve eine innere Hüllkurve erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßverlauf für den Momentanwert des Relativweges des Fügeteils Δz_ist(z) für die äußere Hüllkurve beispielsweise durch die Be­ ziehung bestimmt wird, wobei ΔB die Breite des äußeren Tole­ ranzbandes darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßverlauf für den Momentanwert des Relativweges des Fügeteils Δz_ist(z) im Bereich der inneren Hüllkurve beispielsweise durch die Beziehung bestimmt wird, wobei f_{1, 2} die untere bzw. obere Begrenzungsfunktion im Intervall [z_i; z_j] darstellen und z_{i, j} die Lage des Toleranzfensters beschreiben.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Relativwe­ ges Δz mit Hilfe eines berührungslos arbeitenden Sen­ sors und insbesondere eines Wirbelstromsensors am Schlagstößel des Schlagwerkzeuges erfolgt und der Abso­ lutweg z über einen Induktivsensor am beispielsweise Pneumatikvorschub des Schlagwerkes gemessen wird, wobei die Meßwertaufnahme kontinuierlich während des gesamten Prozesses erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitung der Meß­ werte durch Filterung über einen Butterworth-Filter 2. Ordnung mit 5 Hz Grenzfrequenz erfolgt und die Meßwerte anschließend über einen A/D-Wandler digitalisiert wer­ den, bevor sie an Recheneinheit angelegt werden, wobei der gewünschte Verlauf von Relativweg Δz über dem Abso­ lutweg z des Fügeteils durch Differenzierung und Multi­ plikation mit der Schlagdauer entsteht.