Processövervakning - lång
Kort
version
1 Inledning
För att säkra kvaliteten vid montering av kritiska skruvförband används
oftast någon typ av processövervakning. Denna kan utföras under eller efter
monteringsoperationen.
Fram till slutet av 1970-talet var det ovanligt med givare inbyggda i
verktyget. Då användes företrädesvis en separat operation efter montering. Denna
kunde t.ex bestå av i att man på stickprovsbasis kontrollerade förbandets
restmoment. Se mer om detta i Kapitlet Momentkontrollmetoder.
Idag används ofta verktyg med givare varför övervakning under
monteringsförloppet har blivit allt vanligare och fått nya kriterier.
Dagens moderna skruvförbandsdragare kan programmeras i många olika steg. I
detta kapitel kommer vi att gå igenom några av dessa som ofta används vid
montering av statiskt respektive dynamisk höghållfasta och kritiska förband.
Innan vi går vidare måste vi nu titta närmare på två åtdragningsfunktioner
som ofta blandas samman; 1) styrning och 2) övervakning.
Styrning Med styrning menas att dragaren aktivt styrs mot
ett målvärde t ex ett moment eller en vinkel. D.v.s. givaren i verktyget känner
av aktuellt läge och så länge som målvärdet inte är uppnått fortsätter
åtdragningen, ofta under ett bestämt bivillkor, exemplevis ett angivet varvtal
eller med en specificerad ramp.
Övervakning Med övervakning menas att givaren i realtid
mäter en viss storhet utan att detta påverkar åtdragningen så länge som
åtdragningsförloppet följer vissa övervakningsvillkor.
2 Momentmontering
I enklaste fallet övervakas momentet (oftast maximimomentet). Om ett
monteringsmoment specificeras med t ex 10 ± 1.5 Nm blir åtdragningen godkänd om
slutmomentet hamnar mellan 8.5 och 11.5 Nm. I detta fall används momentgivaren
både till att styra och övervaka monteringsförloppet. Övervakningen kontrollerar
att momentregleringen i verktyget fungerar och att skruven dragits åt med
specificerat moment.
För kritiska förband räcker inte alltid detta. Ett uppnått moment kan vara
resultatet av en gängskärning och vid en alltför hög monteringsfriktion kommer
klämkraften i förbandet att vara reducerad även om man uppnår specificerat
monteringsmoment. För att få information om förbandets egenskaper måste en
icke-styrd variabel övervakas, vanligen åtdragningsvinkeln i någon mening.
Inom fordonsindustrin används ofta så kallad vinkelövervakning. Denna går
till så att verktygets vinkelgivare mäter vinkeln mellan två momentnivåer, t ex
mellan halva och hela slutmomentet. Även totalvinkel, mäts ibland. Dvs så fort
operatören startar verktyget börjar givaren registrera en vinkel.
Beroende på förbandstyp används olika typer av vinkelövervakning. För ett
statiskt höghållfast förband t e x en säkerhetsbältesinfästning är klämkraften
inte av avgörande betydelse utan här gäller att gängingreppet är tillräckligt
stort för att klara en krock. Därför används ofta så kallad
nedgängningsövervakning.
För ett dynamiskt höghållfasta förband t e x ett chassiförband behövs däremot
en relativt hög klämkraft, och här tillämpas så kallad
slutvinkelövervakning.
Innan vi går igenom de olika vinkelövervakningstyperna ska vi först titta på
ett moment-vinkeldiagram.
Genom att mäta både moment och vinkel under ett åtdragningsförlopp kan detta
karakterisera åtdragningen i form av ett diagram där momentet ansätts som en
funktion av vinkeln. Vi får ett så kallat moment-vinkeldiagram, se figur 1
nedan. Detta utgör ett slags fingeravtryck på förbandet.
Figur 1. Moment-vinkeldiagram
som visar momentet som funktion av vinkeln under ett åtdragningsförlopp. I detta
fall har skruven en plastklick en bit in på gängan vilket ger en momenthöjning
vid ca 700 grader.
Med utgångspunkt från moment-vinkelförhållandet kan olika typer av
vinkelövervakning ansättas.
Om förbandet är statiskt höghållfast behöver man säkra mot en yttre last som
drabbar förbandet relativt sällan. Detta innebär i praktiken att förbandet
färdigmonterat ska ha ett gängingrepp som klarar denna yttre last. Felaktiv
äntring och gängskärning som kan ge fullt moment utan att gängingrepp föreligger
måste upptäckas. Detta ordnas med så kallad nedgängningsövervakning, se figur 2
nedan.
Figur 2. Nedgängningsövervakning av en skruv med en
klick på gängan.
Fördelen med denna är att något mothåll inte krävs eftersom skillnaden mellan
min- och maxvinkel oftast är stor (undantag är mothåll hos förband med höga
moment där mothåll behövs av ergonomiska skäl). Denna metod används ofta på
interiöra och exteriöra förband på hytt och kaross, som oftast är just "Statiskt
höghållfasta".
Detta är också en vanlig metod vid dragning av kritiska förband med
gängformande skruv, t ex Taptite, för att kontrollera att skruv- och
hålpassningen är den korrekta.
Om förbandet är dynamiskt höghållfast behövs en relativt hög och bestående
klämkraft. I annat fall kan förbandet glappa upp alternativt sätta sig, varpå
skruvutmattning snabbt följer när förbandet utsätts för en pulserande last.
För att i möjligaste mån säkra mot detta används en så kallad
slutvinkelövervakning, se figur 3. Egentligen skulle man här behöva en
klämkraftövervakning men eftersom denna är dyr och för massproduktion relativt
komplicerad används vinkelövervakning.
Figur 3. Slutvinkelövervakning
för ett chassiförband. Eftersom monteringsvinkeln mellan halva och hela
monteringsmomentet normalt är låg (runt 60 grader) måste mothåll användas också
på förband med låga moment.
Lutningen på kurvan i ett moment-vinkeldiagram avspeglar monteringsfriktion
och förbandets styvhet i kombination. Vinkelövervakningen kan därmed säkra mot
förband med alltför hög monteringsfriktion. På så sätt säkerställs en viss
minsta klämkraft. Vinkeln mäts företrädesvis under så stor del av förloppet som
möjligt, men minst mellan halva och hela monteringsmomentet.
För att ansätta gränser för vinkelövervakning kan man ta fram
moment-vinkeldata för ett antal åtdragningar med godkänt material (minst 25,
helst uppåt 50). Räkna ut uppskattad standardavvikelse och medelvärde och ansätt
medelvärde +/- 4,5 *standardavvikelser som övre respektive undre toleransgräns.
Faktorn 4,5 anses ge tillräckligt brett toleransområde för att mera långvariga
variationer inte skall ge oriktiga underkännanden av förband som är korrekta.
För att slutvinkelövervakning skall fungera tillfredsställande, särskilt på
styva förband, krävs ett mothåll på dragaren. Normalt förekommer detta på
förband med slutmoment över 40 Nm, d v s på de flesta dynamiskt höghållfasta
chassiförband. Även fixturerade förband med moment under 40 Nm har mothåll.
Däremot kan mothåll behöva ordnas på manuellt monterade förband med momentet
under 40 Nm om de ska ha slutvinkelövervakning.
3 Vinkelstyrd montering
Vinkeln kan också användas som styrande parameter. T ex vid vinkeldragning av
skruvförband in i det plastiska området. I dessa fall blir dragningens
slutmoment mer av en övervakande natur. Normalt utförs en vinkeldragning in i
det plastiska området som en sekvens av steg och där också momentet
inledningsvis kan vara en styrande parameter, t ex enligt följande:
- Äntring och nedgängning med hög hastighet t ex 200 – 500 rpm.
- Vid ett visst moment, ofta relativt lågt, sänks hastigheten till 5 – 50 rpm.
- Dragaren styr mot ett eller flera förmoment, som dels har funktionen att
vara utgångspunkt för vinkelsteget men som ofta också är av stor vikt för att
synkronisera åtdragningen av flerskruvsförband.
- Från förmomentet styrs nu dragaren med den önskade vinkeln.
- För att övervaka processen används i allmänhet ett process fönster, dvs övre
och undre gränser för moment och vinkel. I allmänhet fås då en liten variation i
vinkel (i huvudsak dragarens förmåga att styra den angivna vinkeln) och en
ganska stor variation i slutmoment som avspeglar både variationer i skruven
sträckgräns och variationer i friktionskoefficienter.
Vid montering in i det plastiska området måste monteringsspecifikationen tas
fram i labb. Förmomentet måste t ex sättas såpass högt att samtliga delar ligger
i fysisk kontakt innan styrparametern ändras från moment till vinkel.
Flera olika sätt att bestämma styrvinkeln finns:
- Skruven dras en betydligt större vinkel än avsett medan moment/vinkeldata
registreras. Ur dessa data bestäms grafiskt eller på annat sätt var
sträckgränspunkten finns. Ett antal åtdragningar måste göras för att minsta
åtdragningsvinkel som säkert sträcker skruven skall kunna fastställas.
- Styrvinkeln verifieras mot skruvens permanenta förlängning. D v s man mäter
skruvens längd innan montering, monterar, lossar och mäter skruvens längd igen.
Vid behov justeras så styrvinkeln tills den permanenta förlängningen hamnar inom
uppsatta toleransvärden. På så sätt vet man har skruven har dragits till (strax
förbi) sin sträckgräns, se figur 4. Trimningsprocessen – liksom efterföljande
valideringsprocesser i produktionen - uppsnabbas avsevärt om längdmätningen kan
göras med ultraljudsteknik.
Slutmomentövervakningsvärden kan relativt enkelt beräknas. Eftersom skruvens
stål håller en viss hållfasthet och det finns krav på monteringsfriktion kommer
max- respektive mingräns för momentövervakningen att ges rent teoretiskt.
Om vinkelstyrd montering i det elastiska området avses måste man förfara på
liknande sätt men med annan inriktning. Styrvinkel kan fastställas som ovan att
ett antal skruvar dras till sträckgränsen och sedan bestäms den största vinkel
som inte ger plasticering med önskad marginal. Momentövervakningsvärdena kan
provas fram med godkänt material eller beräknas med kännedom om acceptabla
friktionsvärden och önskad klämkraftsnivå.
4 Moment-vinkelstyrd montering, till sträckgräns
Figur 4. Moment-vinkeldiagram från
ett sträckgränsdraget förband. Notera att momentet mot slutet planar ut något.
Detta sker när skruvens sträckgräns passeras. Skruven erhåller därmed en
permanent förlängning.
Som en slags sammanfattning kring begreppet styrning – övervakning kan man
säga att övervakning av den styrande parametern ger information om
åtdragningsutrustningens uppförande medan övervakning av övriga parametrar ger
information om förbandets uppförande.
5 Kompletterande övervakningsmetoder
Kompletterande övervakningsmetoder kan vara:
- Vinkelövervakning för att förhindra oavsiktlig åtdragning på redan dragen
skruv. Denna kan bestå i att man under åtdragningsförloppet inte accepterar för
små vinklar mellan t ex 10 % och 50 % av slutmomentet. Därigenom undviks att
operatören i ett flerskruvsförband försöker dra samma skruv två gånger. Genom
att åtdragningen avbyts vid en lägre momentnivå än slutmomentet riskeras inte
att skada förbandet genom att utsätta det för ett för högt moment andra gången.
- Att använda förhållandet mellan moment och vinkel som en
övervakningsparameter. Lutningen hos moment-vinkelkurvan motsvarar kvoten mellan
moment och vinkel (moment/vinkel). Lutning benämns i vissa sammanhang gradient
och man kallar metoderna Gradientövervakning, se figur 5. Stegen i
gradientberäkningen kan göras olika stora/många, beroende på behovet.
Gradientövervakning är en kraftfull metod om man har anledning att övervaka
inte bara slutvärden från åtdragningen.
Exempel på applikationer:
- Indikering på förbytta/felvända vevstakslagers överfall efter spräckning
liksom metallpartiklar mellan ytorna.
- Indikering på att lagerhalvorna monterats i vevstaks- och ramlager
- Skruv av undermålig hållfasthet som dras in i det plastiska området
oavsiktligt alternativt plasticeras mer än avsiktligt.
- Indikering av toleransfel/ kollaps i klykförband
Gradientövervakning kan också användas som oberoende kontrollmetod vid
momentvinkeldragning in i det plastiska området. Som kan ses i figur 4 ovan
ändras moment-vinkelkurvans lutning under åtdragningens senare del från en mer
vertikal till en mer horisontell lutning. Denna gradientförändring kan
detekteras och då den uppfyller vissa villkor, t ex en bestående
lutningsförändring på mer än 50 %, indikerar detta att sträckgränsen har nåtts.
Gradientparametern kan även användas för att styra en åtdragning till
sträckgränsen och i dessa fall används moment och vinkel som
övervakningsparametrar. Emellertid kräver en dylik styrning ett väldefinierat
förband och lämpar sig t ex inte för förband där moment-vinkelkurvan uppvisar
lokala momenttoppar.
Figur 5. Schematisk grafisk
illustration av Gradientstyrning. Metoden är relativt komplicerad och kräver
specificering av en mängd funktioner, t e x hur en så kallad bestående
förändring karakteriseras. För att försäkra sig om att gradientskiftet är
signifikant mäter man vid ett flertal tillfällen, se "Sample Frequency" i
figuren. Därefter sker en medelvärdesbildning och filtrering för att till slut
ge en relevant signal.
6 Överordnad processövervakning
Med överordnad processövervakning menas en systemövervakning på en högre nivå
där andra än monteringsoperationens moment- och vinkelsignaler används. Några
vanligt förekommande exempel är som följer:
- Flera olika förprogrammerade parameterset (P-set) kan användas i samma jobb
och P-seten måste dras i rätt ordningsföljd. T.ex. P1 10 Nm 4st drag + P4 50 Nm
1st + P2 30 Nm 8st. Denna metod kan med fördel användas med hylsställ där
hylsstället indikerar vilken hylsa som ska användas och vid fel hylsval så
startar inte dragaren.
- Att streckkoda komponenter som ska byggas och lägga in specificerade
monteringsvärden, så kallade P-set, unika för respektive komponent.
- Att läsa streckkoden för arbetsstycke/delkomponent och sammankoppla dessa
med åtdragningsdata för att få full spårbarhet.
- Att styra t ex monteringsline från ett lokalt nätverk där varje station
måste få klartecken att rätt antal skruvar är åtdragna. Om ej rätt antal
uppnåtts så varnar övervakningssystemet. Detta system kan utvecklas hur mycket
man själv vill, se t ex figur 6. Att t ex kunna övervaka och programmera
åtdragningsutrustning från serviceavdelningen kan ge många fördelar då
servicepersonal ser direkt om något fel uppstått. Ett dylikt system kan också
kombineras med vinkelövervakning. På så sätt har man kontroll på att inte bara
rätt skruv är dragen utan också att slutmomentet motsvarar en viss hållfasthet.
- Att använda dubbla moment och vinkelgivare på åtdragningsspindlar kan med
fördel användas på kritiska förband och där utrustningen är svåråtkomlig, samt
där monteringstakten är väldigt hög Vanligen kontrolleras bägge givarna
kontinuerligt mot varandra och därmed åstadkoms oberoende styrning och
övervakning. Går någon givare ned är systemet fortfarande i produktion tills
planerat underhåll kan utföras.
Det underlättar även vid kalibrering av
utrustningen då man enkelt kan jämföra givarna. Nackdelen är naturligtvis
kostnaden men den kan ibland räknas hem med avsaknad av oplanerade driftstopp
och kortare kalibreringstid.
- Inmätning av handverktyg. För fixturerade verktyg på en line är det oftast
helt klart på vilken skruv dragaren arbetar. Detta är normalt inte fallet med
ett handverktyg där det till och med kan vara svårt att avgöra vilket fordon som
är aktuellt. För att få full spårbarhet krävs då någon form av inmätning. Ofta
räcker det med att fordonet kan identifieras men ibland krävs att enskild skruv
kan identifieras. Detta kan göras med olika sofistikeringsgrader från
upphängning av verktyget i armar med vinkelgivare i lederna till
optisk/radiometrisk/akustisk inmätning av verktyget.
Figur 6. Skruvdragarutrustning som aktiveras då "rätt
bil" står på stationen. Först då laddas dragaren med det parametersätt som
gäller för dess förband. Resultatet kopplas mot chassinummer och sparas i en
databas.
Uppdaterad 2020-01-02
|