Prozeßoptimierter Betrieb flexibler Schraubstationen in der automatisierten Montage

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 71

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-06-02
Issue Year
1997
Authors
Steber, Michael
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-096-6
Abstract

The screw connection is still very important in the joining process today. However, the requirements for this connection technology have changed significantly in recent years. On the one hand, international competition requires cost-effective production of economic goods and thus also economical assembly of screw connections. On the other hand, due to increased quality requirements and screw connections requiring documentation, the requirements for process control have increased significantly. The aim of the present dissertation was therefore to take a holistic view of the screwdriving technology, to identify weaknesses and to present solutions that should ensure process-optimized operation of this connection technology in the future. The focus was on control technology and new ways of assembling screw connections were shown. In order to achieve the target size for screw mounting, the achievement of a defined screw preload, as precisely as possible, it is necessary to use intelligent screw technology, especially for safety and function-relevant screw connections. Based on a differentiated analysis of electronic tightening control technology, the deficits of existing systems were determined and fields of application for intelligent tightening technology were determined. In addition, the performance profile of a modular, standardized screw control was defined in order to meet the different requirements regarding the application. By standardizing the data paths and data content, a simple coupling to higher-level evaluation and archiving systems can also be achieved, which is particularly necessary for screw connections that require documentation. In addition to electronically controlled screw spindles, simple screwdrivers with mechanical shutdown are often used for safety-critical screw connections. The application of the new VDI guideline 2862, which defines the minimum requirements for screwdriving systems used in the automotive industry, is problematic. With the PRODIAG system, an adaptable process data acquisition and analysis system was developed. Thanks to its simple configurability, the tool can be connected to a variety of screwdriving controls and measuring devices for data acquisition that do not yet have any standardized data content or interfaces. In addition to an online analysis of the current trend tracking, PRODIAG can archive all process data and subject it to long-term evaluation. There is also the possibility of simple coupling to central QA systems. By building process-related and cross-departmental control loop structures, internal and external interference influences during screw assembly can be eliminated and thus an improvement in the quality of the screwing processes can be achieved. In addition, the structured provision of expert knowledge must ensure long-term optimization by avoiding screwing errors and eliminating their causes. Using a comprehensive analysis of screwing faults using the example of the final assembly of automobiles, the effects of the fault were determined and concise fault patterns were assigned. Different analysis structures for the determination of screwing errors were compared and their suitability for the construction of a diagnostic system was checked. Previous process controls based on programmable logic controllers are no longer sufficient to take on the diverse tasks, such as process control and monitoring, in automated assembly stations. Therefore, a universal control concept based on PC was developed. The PROZELL system is particularly suitable for controlling fully automated, highly flexible assembly cells for screwing. A high parameterizability of the cell and the possibility to intervene in the assembly process from a central point in case of process malfunctions not only lead to an increased quality of the connection, but also a higher adaptability to the ever shorter life cycle of a Product. The open control concept also created an interface for connecting the process level to the planning level. A holistic optimization of manufacturing and assembly processes can only be achieved through the implementation of consistent, technology-oriented process chains. The PROPLAN planning system was therefore implemented as the fourth optimization tool and the coupling to a construction system was implemented. This means that extensive, computer-aided tools are available that enable targeted technology advice and thus secure the planning process and shorten the commissioning times.

Abstract

Die Schraubverbindung hat auch heute noch einen großen Stellenwert bei den Fügeverfahren. Allerdings haben sich die Anforderungen an diese Verbindungstechnik in den letzten Jahren stark gewandelt. Zum einen erfordert der internationale Wettbewerb eine kostenoptimale Produktion von Wirtschaftsgütern und damit auch eine wirtschaftliche Montage von Schraubverbindungen. Zum anderen haben sich aufgrund von gestiegenen Qualitätsansprüchen und dokumentationspflichtigen Schraubverbindungen die Anforderungen an die Prozeßsteuerung wesentlich erhöht. Ziel der vorliegenden Dissertation war es deshalb, die Schraubtechnik einer ganzheitlichen Betrachtung zu unterziehen, Schwachstellen festzustellen und Lösungsansätze vorzustellen, die künftig einen prozeßoptimierten Betrieb dieser Verbindungstechnik gewährleisten sollen. Der Schwerpunkt wurde dabei auf die Steuerungstechnik gelegt und neue Wege bei der Montage von Schraubverbindungen aufgezeigt. Um die Zielgröße bei der Schraubmontage, die Erreichung einer definierten Schrauben- Vorspannkraft, möglichst genau zu erreichen, ist es gerade für sicherheits- und funktionsrelevante Verschraubungen erforderlich, intelligente Schraubtechnik einzusetzen. Basierend auf einer differenzierten Analyse elektronischer Schraubsteuerungstechnik wurden die Defizite bestehender Systeme ermittelt und Einsatzfelder für intelligente Schraubtechnik festgelegt. Zudem wurde das Leistungsprofil einer modular aufgebauten, standardisierten Schraubsteuerung definiert, um den unterschiedlichen Anforderungen bezüglich des Einsatzfalls gerecht zu werden. Durch eine Standardisierung der Datenstrecken und Dateninhalte kann außerdem eine einfache Kopplung zu übergeordneten Auswerte- und Archivierungssystemen erreicht werden, die insbesondere bei dokumentationspflichtigen Schraubverbindungen erforderlich sind. Häufig werden neben elektronisch gesteuerten Schraubspindeln noch einfache Schrauber mit mechanischer Abschaltung für sicherheitskritische Verschraubungen eingesetzt. Problematisch gestaltet sich hierbei die Anwendung der neuen VDI-Richtlinie 2862, die die Mindestanforderungen an Schraubsysteme, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden, festlegt. Mit dem System PRODIAG wurde ein adaptierbares Prozeßdatenerfassungs- und Analysesystem entwickelt. Durch seine einfache Konfigurierbarkeit läßt sich das Tool an eine Vielzahl von Schraubsteuerungen und Meßgeräten zur Datenerfassung anbinden, die noch keine standardisierten Dateninhalte oder Schnittstellen aufweisen. Neben einer Online-Analyse zur aktuellen Trendverfolgung können mit PRODIAG alle Prozeßdaten archiviert und einer Langzeitauswertung unterzogen werden. Zudem besteht die Möglichkeit einer einfachen Kopplung zu zentralen QS-Systemen. Durch den Aufbau von prozeßnahen und bereichsübergreifenden Regelkreisstrukturen können interne und externe Störungseinflüsse bei der Schraubmontage eliminiert werden und damit eine Verbesserung der Qualität der Schraubprozesse erreicht werden. Darüber hinaus muß durch eine strukturierte Bereitstellung von Expertenwissen eine langfristige Optimierung durch Vermeidung von Schraubfehlern und Beseitigung ihrer Ursachen gewährleistet werden. An Hand einer umfassenden Analyse von Verschraubungsfehlern am Beispiel der Endmontage von Automobilen wurden die Störungseinflüsse ermittelt und prägnante Fehlerbilder zugeordnet. Hierbei wurden unterschiedliche Analysestrukturen zur Ermittlung von Verschraubungsfehlern verglichen und ihre Eignung zum Aufbau eines Diagnosesystems überprüft. Bisherige Ablaufsteuerungen auf Basis von speicherprogrammierbaren Steuerungen sind nicht mehr ausreichend, um die vielfältigen Aufgaben, wie Prozeßsteuerung und -überwachung, in automatisierten Montagestationen zu übernehmen. Deshalb wurde ein universelles Steuerungskonzept auf PC-Basis entwickelt. Das System PROZELL eignet sich insbesondere zur Steuerung von vollautomatisierten, hochflexiblen Montagezellen zum Verschrauben. Eine hohe Parametrierbarkeit der Zelle und die Möglichkeit, bei Prozeßstörungen von einem zentralen Punkt aus in den Montageprozeß einzugreifen, lassen nicht nur eine gesteigerte Qualität der Verbindung erwarten, sondern auch eine höhere Anpassungsfähigkeit an den immer kürzeren Lebenszyklus eines Produktes. Durch das offene Steuerungskonzept wurde zudem eine Schnittstelle zur Anbindung der Prozeßebene an die Planungsebene geschaffen. Erst durch die Realisierung von durchgängigen, technologieorientierten Verfahrensketten läßt sich eine ganzheitliche Optimierung von Fertigungs- und Montageprozessen erreichen. Als viertes Optimierungstool wurde deshalb das Planungssystem PROPLAN umgesetzt und die Kopplung zu einem Konstruktionssystem realisiert. Damit stehen umfangreiche, rechnergestützte Hilfsmittel zur Verfügung, die eine gezielte Technologieberatung ermöglichen und somit den Planungsprozeß absichern, sowie die Inbetriebnahmezeiten verkürzen.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
71
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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