Written by Beim automatisierten Schrauben muss die Anlage nicht nur eine Schraube eindrehen, sondern eine reproduzierbare Verbindung herstellen und den Prozess eindeutig bewerten. Dafür reicht es meist nicht aus, am Ende lediglich einen Drehmomentwert anzuzeigen. Entscheidend ist, wie Werkzeug, Schraubfall, Bauteiltoleranzen, Winkelverlauf und Fehlerreaktion zusammenwirken.
Eine sorgfältig geplante Drehmomentüberwachung verbindet deshalb die mechanische Auslegung mit der Ablaufsteuerung, der Qualitätsprüfung und der späteren Diagnose. Dieser Beitrag zeigt, welche Punkte bei der Planung einer automatisierten Schraubstation besonders wichtig sind.
Was soll die Überwachung beim Schrauben nachweisen?
Am Anfang steht die Frage, welche Aussage die Anlage über die Schraubverbindung treffen soll. Je nach Produkt und Fügeaufgabe kann das Ziel unterschiedlich sein:
- Die Schraube soll vollständig und in der vorgesehenen Richtung eingebracht werden.
- Ein definiertes Anziehdrehmoment soll innerhalb eines Prozessfensters liegen.
- Der Schraubwinkel oder der Verlauf von Drehmoment und Winkel soll auf einen korrekten Schraubfall hinweisen.
- Ein fehlendes, verkantetes oder beschädigtes Gewinde soll erkannt werden.
- Das Ergebnis soll dem einzelnen Werkstück, Auftrag oder Produktionsschritt zugeordnet werden.
Diese Ziele sind nicht gleichwertig. Eine einfache Endwertüberwachung kann für bestimmte Anwendungen genügen. Bei empfindlichen oder sicherheitsrelevanten Verbindungen kann dagegen eine Verlaufskontrolle oder eine zusätzliche Anwesenheits- und Positionserkennung erforderlich sein. Die Auswahl sollte aus der Funktion der Verbindung und der jeweiligen Fehleranalyse abgeleitet werden.
Schraubfall und Prozessfenster vor der Automatisierung klären
Ein Schraubprozess lässt sich nicht sinnvoll planen, wenn nur ein einzelner Sollwert bekannt ist. Benötigt werden mindestens die technischen Vorgaben für die Verbindung sowie ein Verständnis des konkreten Schraubfalls. Dazu gehören beispielsweise Schraubengröße, Gewindeart, Werkstoffe, Beschichtung, Unterkopfbedingungen und die gewünschte Klemmwirkung.
Auch die Einbausituation beeinflusst das Ergebnis. Lange oder flexible Werkzeugaufnahmen, schwer zugängliche Schraubstellen und schwankende Zuführpositionen können den Prozess stärker beeinflussen als der reine Nennwert des Drehmoments. Deshalb sollte das Prozessfenster nicht nur theoretisch aus Zeichnungsdaten übernommen werden. Es muss mit dem vorgesehenen Werkzeug, der tatsächlichen Schraube und dem realen Bauteil betrachtet werden.
Sollwert, Grenzwerte und Freigabekriterium trennen
Der Sollwert beschreibt den angestrebten Zustand. Obere und untere Grenzen definieren dagegen, wann die Anlage den Vorgang als akzeptabel bewertet. Zusätzlich kann ein Freigabekriterium erforderlich sein, das weitere Bedingungen einbezieht: etwa eine erreichte Einschraubtiefe, eine Mindestanzahl von Umdrehungen oder eine bestätigte Werkzeugposition.
Zu enge Grenzwerte können unnötige Ausschleusungen verursachen, während zu weite Grenzen Fehler unentdeckt lassen können. Die Festlegung gehört daher in die gemeinsame Abstimmung von Konstruktion, Qualität, Prozessplanung und Inbetriebnahme.
Werkzeug, Schnittstelle und Mechanik aufeinander abstimmen
Das Schraubwerkzeug ist nur ein Teil des Gesamtsystems. Für eine stabile Überwachung müssen Werkzeug, Antrieb, Aufnahme und Vorrichtung zusammenpassen. Die mechanische Schnittstelle sollte das Werkzeug ausreichend führen, ohne zusätzliche Kräfte oder Verspannungen in die Schraubstelle einzuleiten.
Besonders wichtig ist die Zugänglichkeit. Das Werkzeug muss die Schraubposition sicher erreichen und darf während des Anziehens nicht seitlich ausweichen. Bei mehreren Schraubpunkten sind außerdem Positioniergenauigkeit, Werkzeugwechsel und die eindeutige Zuordnung der Schraubprogramme zu berücksichtigen.
Eine steife und wiederholgenaue Vorrichtung unterstützt die Prozessbewertung. Sie ersetzt jedoch keine geeignete Überwachung. Umgekehrt kann auch ein leistungsfähiges Werkzeug keine stabile Bewertung liefern, wenn Bauteile nicht eindeutig positioniert oder Schrauben nicht zuverlässig zugeführt werden.
Für die Auslegung angrenzender Vorrichtungselemente kann der Beitrag über Steifigkeit und Schwingungen in Montagevorrichtungen eine sinnvolle Ergänzung sein.
Welche Signale sollte die Steuerung verarbeiten?
Die SPS sollte nicht nur ein pauschales „Gut“ oder „Schlecht“ vom Schraubsystem erhalten. Für eine belastbare Ablaufsteuerung sind klar definierte Zustände hilfreich. Typische Signale sind:
- Werkzeug in Grundstellung oder in Arbeitsposition
- Schraube vorhanden und Schraubprogramm ausgewählt
- Startfreigabe durch Vorrichtung und Bauteilposition
- Schraubvorgang aktiv
- Prozess erfolgreich beendet
- Grenzwertverletzung, Werkzeugfehler oder Abbruch
- Ergebnis gespeichert oder Datenübertragung bestätigt
Die Freigaben sollten in einer nachvollziehbaren Reihenfolge erfolgen. Ein Schraubvorgang darf beispielsweise nicht allein durch ein Startsignal ausgelöst werden, wenn Bauteil, Werkzeugposition oder das richtige Programm noch nicht bestätigt sind. Die genaue Zustandslogik sollte mit den übrigen Stationen abgestimmt werden. Hinweise zur Kommunikation zwischen Stationen bietet der Beitrag Handshake-Signale zwischen Stationen.
Fehlerreaktionen von Anfang an festlegen
Eine erkannte Abweichung ist erst dann wirksam behandelt, wenn die Anlage daraus eine eindeutige Reaktion ableitet. Bei einem fehlerhaften Schraubvorgang sollte das Werkstück nicht automatisch als gut weiterlaufen. Je nach Prozess können folgende Reaktionen vorgesehen werden:
- Schraubvorgang stoppen und Werkzeug in eine sichere Position fahren
- Werkstück sperren und den weiteren Materialfluss verhindern
- Fehlerursache am Bedienpanel verständlich anzeigen
- Nacharbeit nur über einen definierten und dokumentierten Ablauf zulassen
- Bei wiederholten Abweichungen eine übergeordnete Störmeldung auslösen
- Schraubergebnisse mit Werkstück- oder Auftragseigenschaften verknüpfen
Eine Wiederholfunktion sollte nicht als pauschale Lösung programmiert werden. Sie kann bei einem kurzfristigen Übertragungsfehler sinnvoll sein, darf aber nicht dazu führen, dass ein mechanischer Fehler oder ein falsches Bauteil unbemerkt mehrfach bearbeitet wird. Für jeden möglichen Abbruch ist daher zu klären, ob ein Neustart, eine Nacharbeit oder eine manuelle Prüfung zulässig ist.
Rückverfolgbarkeit und Bedienung berücksichtigen
Wenn Schraubergebnisse später ausgewertet werden sollen, müssen die Daten eindeutig zugeordnet und verständlich dargestellt werden. Relevant können je nach Anwendung die Werkstückkennung, die Schraubposition, das verwendete Programm, das Ergebnis und ein Zeitbezug sein. Welche Daten tatsächlich gespeichert werden, sollte sich am Qualitätsrisiko und am erforderlichen Nachweis orientieren.
Am HMI sollte der Bediener zwischen Prozessabweichung, Werkzeugproblem und Bedienfehler unterscheiden können. Eine Meldung wie „Schrauben nicht OK“ ist für die erste Reaktion oft zu ungenau. Besser sind Hinweise, die den nächsten zulässigen Schritt beschreiben, ohne die Sicherheitslogik zu umgehen.
Die Dokumentation der Signale, Programme und Freigabebedingungen gehört bereits in die Projektphase. Weitere Hinweise zu den Unterlagen vor der Übergabe enthält der Beitrag zur Dokumentation einer Sondermaschine vor der Abnahme.
Inbetriebnahme mit realen Fehlerbildern durchführen
Während der Inbetriebnahme sollte nicht nur ein fehlerfreier Schraubvorgang geprüft werden. Ebenso wichtig sind bewusst herbeigeführte Abweichungen, soweit dies sicher und technisch vertretbar möglich ist. Dazu können beispielsweise eine fehlende Schraube, eine falsche Position, ein unterbrochener Vorgang oder ein unpassendes Programm gehören.
Für jedes Szenario sollte beobachtet werden:
- Wird die Abweichung erkannt?
- Stoppt oder sperrt die Anlage an der vorgesehenen Stelle?
- Erhält der Bediener eine verständliche Information?
- Bleibt das Werkstück eindeutig gekennzeichnet?
- Kann der Prozess kontrolliert fortgesetzt oder zur Nacharbeit übergeben werden?
Die Ergebnisse dieser Prüfung sollten in einem nachvollziehbaren Prüfprotokoll festgehalten werden. So lassen sich offene Punkte vor der Übergabe gezielt bearbeiten, statt sie erst im laufenden Betrieb zu suchen.
Fazit: Drehmomentüberwachung als Gesamtsystem planen
Eine automatisierte Schraubstation ist dann robust ausgelegt, wenn nicht nur der Drehmomentwert, sondern der gesamte Fügeprozess bewertet wird. Schraubfall, Werkzeug, Vorrichtung, Sensorik, Steuerungslogik, Fehlerreaktion und Rückverfolgbarkeit müssen zusammenpassen.
Für die Planung empfiehlt sich deshalb eine klare Reihenfolge: zunächst die Funktion der Verbindung und die zulässigen Prozessgrenzen bestimmen, anschließend Mechanik und Werkzeug abstimmen, danach Signale und Fehlerreaktionen definieren und schließlich reale Fehlerbilder testen. So wird aus einer isolierten Messung eine kontrollierte Prozessfreigabe.