Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Anziehen einer Verschraubung mit einer motorbetriebenen Schraubereinheit, wobei während des Anziehens der Drehwinkel und das Drehmoment bestimmt werden, um bei Erreichen einer gewünschten Anzugsspannung den Anziehvorgang stoppen zu können.

Mittels Verschraubungen werden üblicherweise zwei Bauteile miteinander verbunden, wobei eine solche Verschraubung einen durch die mehreren Bauteile hindurchgehenden Schraubbolzen umfassen kann, auf den eine Schraubenmutter aufgeschraubt wird. Alternativ können solche Verschraubungen auch durch Schrauben realisiert werden, die in ein Gewinde eingeschraubt werden, das in einem der Bauteile vorgesehen ist, sei es in einem Sackloch oder in einem Durchgangsloch. Um die beiden zu verbindenden Bauteile mit der notwendigen Vorspannung gegeneinander zu verbinden und auch ein Lösen der Schraubverbindung sicher zu vermeiden, andererseits aber ein überfestes Anziehen mit der Gefahr von Beschädigungen der Schraubgewinde zu vermeiden, sollen die Verschraubungen möglichst exakt so stark angezogen werden, dass die gewünschte Vorspannkraft bzw. ein erlaubter Korridor hierfür weder unterschritten noch überschritten wird. lm Stand der Technik wurde daher bereits vorgeschlagen, das Anziehen von Schraubverbindungen drehmomentgesteuert oder drehwinkelgesteuert auszuführen. Hierbei überwacht eine geeignete Sensorik das von der motorgetnebenen Schraubereinheit aufgebrachte Drehmoment, sodass der Anziehvorgang bei Erreichen eines vorbestimmten Drehmoments abgebrochen werden kann. Alternativ überwacht ein Drehgeber den Drehwinkel beim Anziehen, um nach einer bestimmten Anzahl von Anzugsumdrehungen zu stoppen. Beispielsweise schlägt die Schrift EP 2 067 576 A2 eine Schraubereinheit vor, bei der zunächst das Drehmoment überwacht wird, um den Referenzwert bzw. die Ausgangsstellung für die dann weiter erfolgende Überwachung des Drehwinkels zu bestimmen. Wird ein vorbestimmtes, anfängliches Anzugsmoment erreicht, wird die Drehwinkelmessung initialisiert bzw. sozusagen auf Null gestellt, um von dort aus dann einen vorbestimmten weiteren Drehwinkel zu verschrauben und dann abzuschalten.

Derartige drehmoment- bzw. drehwinkelgesteuerte Anziehverfahren benötigen jedoch die passende Vorgabe eines Grenzwerts für das Drehmoment bzw. eines Grenzwerts für den Drehwinkel, die naturgemäß mit verschiedenen Verschrau- bungsgeometrien und -materialien variieren. Um die Einstellung der Grenzwerte für das Drehmoment bzw. den Drehwinkel zu vereinfachen, wurde bereits vorgeschlagen, die Steuerung des motorgetriebenen Schraubers zu parametrieren, sodass nicht mehr die Drehmoment- bzw. Drehwinkel werte selbst vorgegeben werden müssen, sondern Kenngrößen der vorzunehmenden Verschraubung wie bspw. Verschraubungsgeometrie, Bolzenstärke, Reibpaarungskoeffizient oder Materialpaarung eingegeben werden können. Anhand eines Berechnungsmodells werden dann anhand der jeweiligen Parameter die beiden zentralen Prozesskenngrößen Drehwinkel und Drehmoment bestimmt, welche dann als Grenzwerte von der Steuerung des motorgetriebenen Schraubers beim Anziehen einer Verschraubung berücksichtigt werden.

Solche parametrisierbaren Berechnungsmodelle sind jedoch nicht ganz einfach zu erstellen und immer noch fehleranfällig. Zum einen sind üblicherweise diverse Ver- suche an realen Bauteilen notwendig, um das resultierende Verschraubungsergeb- nis sicherzustellen bzw. die Parameter bzw. Modellalgorithmen soweit anzupassen, dass das tatsächlich erzielte Verschraubungsergebnis dem gewünschten Ver- schraubungsergebnis entspricht. Zum anderen können durch Falscheingaben von Parametern, die für die vorzunehmende Verschraubung nicht zutreffen, Fehler im Verschraubungsergebnis eintreten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Anziehen von Verschraubungen zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und Letzteren in vorteilhafterweise weiterbilden. Insbesondere soll eine einfache, fehlerunanfallige Bedienbarkeit ermöglicht und gleichzeitig ein möglichst exaktes Vorspannen der Verschraubung in der gewünschten Höhe für verschiedene Verschraubungstypen erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es wird also vorgeschlagen, die beim Anziehen einer jeweiligen Verschraubung auftretenden Prozessparameter Drehmoment und Drehwinkel prozesssynchron auszuwerten und hieraus Rückschlüsse auf Änderungen in den physikalischen Eigenschaften der Verschraubung zu ziehen und hieraus das Abschaltkriterium so zu bestimmen, dass die Verschraubung die gewünschte Vorspannung erreicht. Das Abschalten wird anhand realer, sich bei der jeweiligen Verschraubung zeigenden Prozessparameter sozusagen online bzw. on the job gesteuert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass von einer Bestimmungseinrichtung in einem ersten Anzugsbereich ein Anstieg des Drehmoments über dem Drehwinkel bestimmt und in einem zweiten, folgenden Anzugsbereich eine Änderung des Anstiegs des Drehmoments über dem Drehwinkel bestimmt wird, wobei von einer Steuereinrichtung bei Erreichen oder Überschreiten einer maximal zulässigen Änderung des Anstiegs und/oder Änderungsgeschwindigkeit, die anhand des im ersten Anzugbereich aufgetretenen Anstiegs bestimmt wird, die Schraubereinheit stillgesetzt wird. Die erfindungsgemäße Lehre geht von der Überlegung aus, dass die beim Anziehen auftretende Drehmoment-Drehwinkel-Kurve sich von Verschraubung zu Ver- schraubung unterscheiden kann, jedoch jeweils einem bestimmten Muster folgt. Insbesondere wird die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve in einem anfänglichen, elastischen Bereich eine bestimmte Steigung bzw. einen bestimmten Anstieg zeigen und keine bzw. nur schwache Änderungen in der Steigung aufweisen, während in einem Bereich stärkeren Anzugs, in dem sich der Schraubbolzen seiner Streckgrenze nähert bzw. diese erreicht oder gar überschreitet, die Steigung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve deutlich stärkere Änderungen zeigt. Wird nun die sich jeweils zeigende Steigung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve im elastischen Bereich erfasst bzw. bestimmt, kann der weitere Kurvenverlauf verschraubungsspezifisch vorhergesagt bzw. ein Abschaltkriterium verschraubungsspezifisch abgeleitet werden, welches dann den Anziehvorgang exakt dann abbrechen kann, wenn die Verschraubung die gewünschte Vorspannung hat. Das Abschaltkriterium wird automatisch an die individuellen Eigenschaften der Verschraubung angepasst, indem die sich beim Anziehen zeigenden Prozessparameter Drehmoment und Drehwinkel prozesssynchron ausgewertet werden, um anhand des sich zeigenden Drehmomentanstiegs über dem Drehwinkel und dessen Änderungsrate das Abschaltkriterium zu bestimmen.

In Weiterbildung der Erfindung kann der vorgenannte erste Anzugsbereich, in dem der für die verschraubungsspezifische Drehmomentanstieg über dem Drehwinkel bestimmt wird, so ausgewählt werden, dass die Verschraubung eine elastische Verformung bzw. Dehnung zeigt, was beispielsweise anhand des Drehmomentbetrags und/oder des Drehmomentanstiegs über dem Drehwinkel festgelegt werden kann. Beispielsweise kann von einem anfänglichen Leergehen ausgehend ein erster stärkerer Anstieg als elastischer Bereich gewertet werden, in dem der verschraubungsspezifische Drehmomentanstieg dann bestimmt wird. Der zweite Anzugsbereich, in dem dann die Änderung des Drehmomentanstiegs über dem Drehwinkel auf Erreichen oder Überschreiten eines Maximalwerts überwacht wird, kann unmittelbar an den ersten Anstiegsbereich anschließen und/oder sich mit diesem auch überlap- pen. Beispielsweise kann der erste Anzugsbereich, in dem der Drehmomentanstieg bestimmt wird, sozusagen nachgezogen und immer länger beobachtet werden, während gleichzeitig bereits die Änderung des Drehmomentanstiegs überwacht wird.

Insbesondere kann die maximal zulässige Änderung für den Drehmomentanstieg über dem Drehwinkel derart festgelegt werden, dass die Verschraubung ihre Streckgrenze erreicht bzw. die Schraubverbindung auf ihre Streckgrenze vorgespannt ist. Bei Erreichen der Streckgrenze zeigt der Drehmomentanstieg über dem Drehwinkel, d. h. die Steigung der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve, eine charakteristische Änderung, sodass durch Festlegen einer maximal zulässigen Änderung des Drehmomentanstiegs anhand des sich jeweils im anfänglichen elastischen Bereich zeigenden Anstiegs das Erreichen der Streckgrenze präzise ermittelt werden kann. Wird die bestimmte maximale, zulässige Änderung des Drehmomentanstiegs erreicht, kann der motorbetriebene Schrauber stillgesetzt werden, wobei dann die Schraubverbindung bis auf die Streckgrenze vorgespannt ist.

Die Bestimmung des Grenzkriteriums für den Steigungsgradienten der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve kann jedoch nicht nur anhand der beim jeweiligen Anziehen auftretenden, prozesssynchron ausgewerteten Drehmoment- und Drehwinkelwerte bestimmt werden, sondern kann auch unter Berücksichtigung der Drehmoment-Schraubwinkel-Kurven vorherige Anziehprozesse und Verschraubungen festgelegt werden. Insbesondere können im einem Speicher und/oder einer Datenbank die Drehmoment-Drehwinkel-Verläufe, die sich beim Anziehen von verschiedenen Verschraubungen ergeben, und/oder daraus abgeleitete Grenzkriterien für den Steigungsgradienten zum Abschalten des Anziehprozesses gespeichert werden, sodass das Grenzkriterium für das Abschalten eines aktuelle auszuführenden Anziehvorgangs unter Berücksichtigung der gespeicherten Daten erfolgen kann. Beispielsweise kann zumindest anfänglich bei einem auszuführenden Anziehvorgang als Grenzkriterium ein gemittelter oder der letzte Grenzwert für die zulässige Änderung des Drehmomentanstiegs zugrunde gelegt werden, wobei dann eine Korrektur oder Anpassung erfolgen kann, wenn sich beim Erfassen des Anstiegs des Dreh- monnents über dem Drehwinkel beim aktuellen Anziehvorgang eine größere Abweichung von dem Datensatz zeigt, der dem anfänglich zugrunde gelegten Grenzkriterium zugrunde liegt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Schraubereinheit auch in einem Betriebsmodus betrieben werden, in dem die Verschraubung nicht bis zum Erreichen der Streckgrenze angezogen wird, sondern der Anziehvorgang vorher abgebrochen wird. Beispielsweise kann die Schraubereinheit in einem oder mehreren Versuchsdurchgängen betrieben werden, in denen die sich ergebenden Drehmoment-Drehwinkel-Verläufe ermittelt und aufgezeichnet werden und mit dem Erreichen der Streckgrenze abgeglichen werden, um dann das Abschaltkriterium so festzulegen, dass der Anziehvorgang vor Erreichen der Streckgrenze abgebrochen wird. Beispielsweise kann eine Auswerteeinrichtung die im Probedurchlauf erhaltene Drehmoment-Drehwinkel-Kurve daraufhin untersuchen, wo die Streckgrenze erreicht wird, um dann als Abschaltkriterium einen Drehmomentwert und/oder Drehwinkelwert und/oder einen bestimmten Steigungsgradienten der Drehmoment- Drehwinkel-Kurve und/oder einen bestimmten Änderungswert für den Drehmomentanstieg über den Drehwinkel als Abschaltkriterium zu bestimmen, bei dessen Erreichen dann im nächsten bzw. den nächsten Seriendurchgängen abgeschaltet wird.

Die Bestimmungseinrichtung, die die Prozessparameter Drehmoment und Drehwinkel und deren Verlauf auswertet, kann integraler Bestandteil der Schraubereinheit und/oder deren Steuereinrichtung sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine geräteexterne Bestimmungseinrichtung und/oder Auswerteeinheit vorgesehen sein, bspw. in Form eines anschließbaren PCs oder Tablets, der die Drehmoment- und Drehwinkelwerte auswerten kann.

Die genannten Prozessparameter Drehmoment und Drehwinkel können durch geeignete Drehmoment- und Drehwinkelsensoren unmittelbar an der Schraubereinheit erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich können die genannten Prozessparameter jedoch auch indirekt bestimmt werden, bspw. durch Erfassung der Leis- tungsaufnahme des Schrauberantriebs. Beispielsweise kann bei einem elektrischen Schraubermotor die Motorspannung und/oder der Motorstrom gemessen und als Maß für das Drehmoment genommen werden. Wird ein hydraulischer Schrauberantrieb verwendet, kann der Druck und/oder der Volumenstrom des hydraulischen Antriebs gemessen werden, wobei bspw. die Bestimmung der Drehmoment- Drehwinkel-Kurve anhand des Druck-Volumenstrom-Gradienten erfolgen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 : Eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer Verschrau- bung und einer daran angesetzten Schraubereinheit zum Anziehen der Verschraubung sowie eines sich beim Anziehen ergebenden Drehmoment-Drehwinkel-Diagramms.

Wie Fig. 1 zeigt, kann die Verschraubung 1 eine Schraube 2 umfassen, mittels derer ein erstes Bauteil 3 an einem zweiten Bauteil 4 befestigt wird, wobei die Schraube 2 bspw. in ein Gewinde 5 in dem zweiten Bauteil 4 eingeschraubt werden kann, sodass der Kopf der Schraube 2 das erste Bauteil 3 auf das zweite Bauteil 4 spannt.

Die motorgetriebene Schraubereinheit 6 kann ein handgeführtes Gerät oder auch ein bspw. robotergeführtes Gerät sein und einen Schrauberantrieb umfassen, der einen Elektromotor und/oder einen Druckmittelmotor wie bspw. Hydraulikmotor oder Pneumatikmotor umfassen kann.

Der genannte Schrauberantrieb treibt ein Schrauberwerkzeug 7 an, mittels dessen die Verschraubung 1 rotatorisch angezogen werden kann.

Eine Bestimmungseinrichtung 8 zum Bestimmen des beim Anziehen auftretenden Drehmoments M und des dabei eintretenden Drehwinkels φ kann bspw. einen Drehmomentsensor 9 und einen Drehwinkelsensor 10 umfassen, wobei die ge- nannten Prozessgrößen jedoch auch mittelbar erfasst werden können, wie zuvor erläutert.

Beim Anziehend der Verschraubung 1 ergibt sich dabei der in dem rechtsseitigen Diagramm der Fig. 1 dargestellte Drehmomentverlauf des Drehmoments M über dem Drehwinkel φ. Wie Fig. 1 zeigt, startet der Anziehvorgang sozusagen drehmomentlos, d.h. die Schraube 2 lässt sich anfangs ohne nennenswerten Widerstand drehen, bis der Kopf der Schraube das Bauteil 3 erreicht und dieses am zweiten Bauteil 4 anliegt.

Nach diesem anfänglich mehr oder minder widerstandslosen Anschrauben ergibt sich ein erster, elastischer Anziehbereich 1 1 , in dem das Drehmoment M über dem Drehwinkel φ mit einer zumindest näherungsweise konstanten Steigerungsrate ansteigt. In diesem elastischen Anziehbereich 1 1 zeigt die Drehmoment-Drehwinkel- Kurve einen etwa konstanten bzw. nur sich gering ändernden Anstieg, vgl. Fig. 1 .

In einem zweiten, dem ersten folgenden Anziehbereich 12, in dem die Verschraubung 1 1 ihre Streckgrenze erreicht bzw. sich dieser nähert, zeigt die genannte Drehmoment-Drehwinkel-Kurve eine zunehmende Änderungsrate. Wie Fig. 1 zeigt, wird die Kurve flacher und steigt nicht mehr so steil an, d.h. der Anstieg des Drehmoments über dem Drehwinkel ändert sich stärker.

Die genannte Bestimmungseinrichtung 8 umfasst eine geräteinterne oder geräteexterne, anschließbare Auswerteeinheit 13, die während des Anziehvorgangs die er- fassten Drehmoment- und Drehwinkel werte auswertet und den Anstieg der Fig. 1 gezeigten Drehmoment-Drehwinkel-Kurve bestimmt.

Anhand des sich im ersten, elastischen Anziehbereich 1 1 einstellenden Drehmomentanstiegs über dem Drehwinkel kann die Auswerteeinheit 13 eine maximal zulässige Änderung für den Drehmomentanstieg über dem Drehwinkel festlegen, bspw. dahingehend, dass als Grenzkriterium festgelegt wird, dass der Schrauberantrieb stillgesetzt wird, wenn der Drehmomentanstieg über dem Drehwinkel 10 nur noch 75% des Drehmonnentanstiegs über dem Drehwinkel im genannten ersten elastischen Anziehbereich 1 1 beträgt.

Alternativ oder zusätzlich zu der absoluten Änderung des Anstiegs kann auch die Änderungsgeschwindigkeit als Abschaltkriterium herangezogen werden. Insbesondere kann aus dem eher trägen Änderungsverlauf in dem ersten elastischen Anziehbereich 1 1 eine maximal zulässige Änderungsgeschwindigkeit, also Drehmomentänderung pro Drehwinkeleinheit, festgelegt werden, bei deren Erreichen oder Überschreiten der Anziehvorgang abgebrochen wird.

Eine Steuereinrichtung 14 kann den Schrauberantrieb der Schraubereinheit 6 stillsetzen, sobald die genannte maximal zulässige Änderung und/oder Änderungsgeschwindigkeit des Drehmomentanstiegs über dem Drehwinkel erreicht wird.