Print

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:

  1. Äntring och nedgängning med hög hastighet t ex 200 – 500 rpm.
  2. Vid ett visst moment, ofta relativt lågt, sänks hastigheten till 5 – 50 rpm.
  3. 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.
  4. Från förmomentet styrs nu dragaren med den önskade vinkeln.
  5. 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:

  1. 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.
  2. 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:

  1. 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.
  2. 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:

  1. 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.
  2. Att streckkoda komponenter som ska byggas och lägga in specificerade monteringsvärden, så kallade P-set, unika för respektive komponent.
  3. Att läsa streckkoden för arbetsstycke/delkomponent och sammankoppla dessa med åtdragningsdata för att få full spårbarhet.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se