Written by Bei automatisierten Schraubprozessen reicht es meist nicht aus, nur das Enddrehmoment zu erfassen. Ein Bauteil kann den Zielwert erreichen, obwohl Gewinde, Auflagefläche, Schraube oder Bauteillage nicht korrekt zusammenwirken. Eine Drehmoment-Drehwinkel-Überwachung betrachtet deshalb den gesamten Anziehvorgang und verbindet Messwerte mit einer klaren Reaktionslogik.
Dieser Beitrag zeigt, welche Punkte bei der Planung wichtig sind: von der Prozessdefinition über Sensorik und Grenzwerte bis zur Auswertung fehlerhafter Schraubvorgänge.
Warum die Kombination aus Drehmoment und Drehwinkel sinnvoll ist
Das Drehmoment beschreibt die erforderliche Antriebskraft beim Anziehen. Der Drehwinkel zeigt, wie weit sich die Schraube oder das Werkzeug nach einem definierten Bezugspunkt weiterbewegt. Beide Größen liefern unterschiedliche Informationen über den Prozess.
Eine reine Drehmomentprüfung kann beispielsweise einen plausiblen Endwert anzeigen, obwohl die Schraube zu früh auf ein Hindernis trifft. Ebenso kann ein falsches oder fehlendes Bauteil dazu führen, dass das Werkzeug einen Grenzwert erreicht, ohne die vorgesehene Klemmverbindung herzustellen.
Die Drehwinkelbetrachtung hilft, solche Abweichungen im Zusammenhang mit dem Drehmoment zu beurteilen. Entscheidend ist dabei nicht nur, ob einzelne Werte innerhalb eines Bereichs liegen, sondern ob der Verlauf des Anziehvorgangs zum definierten Prozess passt.
Prozess zuerst beschreiben, Sensorik danach auswählen
Vor der Auswahl von Schrauber, Messsystem oder Steuerung sollte der Anziehprozess eindeutig beschrieben werden. Dazu gehören unter anderem:
- Schraubentyp, Gewinde und vorgesehene Einbausituation
- Ansetzpunkt und Startbedingung des Messvorgangs
- Verschraubungsrichtung und erwarteter Ablauf
- zulässige Drehmoment- und Drehwinkelbereiche
- Abbruchbedingungen bei fehlender oder fehlerhafter Verschraubung
- Reaktion auf Wiederholungen, Unterbrechungen und manuelle Eingriffe
Diese Beschreibung bildet die Grundlage für die spätere Programmierung. Sie verhindert, dass Grenzwerte lediglich aus vorhandenen Maschinenparametern übernommen werden, ohne ihre Bedeutung im Montageprozess zu prüfen.
Startpunkt des Drehwinkels eindeutig festlegen
Der Drehwinkel ist nur dann aussagekräftig, wenn sein Bezugspunkt feststeht. Möglich ist beispielsweise, die Winkelmessung ab einem definierten Drehmomentbereich oder ab dem Kontakt zwischen Schraube und Bauteil zu beginnen. Welcher Ansatz geeignet ist, hängt von der Schraubverbindung und dem vorgesehenen Prozess ab.
Wird der Startpunkt nicht eindeutig definiert, können gleiche Schraubvorgänge unterschiedliche Winkelwerte erzeugen. Auch Werkzeugwechsel, Rückwärtsbewegungen oder ein erneutes Ansetzen müssen in der Steuerungslogik berücksichtigt werden.
Welche Komponenten für die Überwachung erforderlich sind
Eine typische Überwachung besteht aus mehreren aufeinander abgestimmten Komponenten. Das Antriebssystem führt den Schraubvorgang aus, während geeignete Sensorik die relevanten Größen erfasst. Die Steuerung bewertet die Messwerte und gibt das Ergebnis an die übergeordnete Montage- oder Qualitätslogik weiter.
- Schraubeinheit: Sie muss den vorgesehenen Drehzahl- und Drehmomentbereich abdecken und reproduzierbare Bewegungen ermöglichen.
- Drehmomenterfassung: Der Messbereich sollte zur Anwendung passen. Ein unnötig großer Messbereich kann die Auflösung der Bewertung verschlechtern.
- Drehwinkelerfassung: Die Winkelmessung muss zur Mechanik und zum vorgesehenen Startpunkt passen.
- Steuerung: Sie verarbeitet Grenzwerte, Sequenzbedingungen und Freigaben.
- Bedienoberfläche: Sie sollte Gut- und Fehlerzustände verständlich darstellen und eine gezielte Diagnose ermöglichen.
Bei der Auslegung ist außerdem zu klären, welche Komponente die Messwerte liefert und wie diese Daten zwischen Schraubsystem, SPS und Qualitätsmanagement ausgetauscht werden. Eine klare Schnittstellendefinition verhindert widersprüchliche Zustände, etwa wenn der Schrauber einen Vorgang als beendet meldet, die Anlagensteuerung aber noch auf eine gültige Freigabe wartet.
Für die übergeordnete Betrachtung eines automatisierten Schraubprozesses bietet der Beitrag Automatisierte Schraubstationen planen weitere Anhaltspunkte zu Zuführung, Ablauf und Kontrolle.
Grenzwerte nicht isoliert betrachten
Ein gültiger Prozess benötigt mehr als einen unteren und oberen Endwert. Je nach Schraubaufgabe können mehrere Prüfbereiche sinnvoll sein:
- Ansetzprüfung: Die Schraube muss korrekt aufgenommen und an der vorgesehenen Stelle angesetzt werden.
- Vorlauf oder Einlauf: Auffällige Veränderungen können auf verkantete Gewinde, Fremdkörper oder eine falsche Bauteillage hinweisen.
- Anziehbereich: Drehmoment und Drehwinkel werden gemeinsam bewertet.
- Endbedingung: Der Vorgang wird nur freigegeben, wenn alle erforderlichen Bedingungen erfüllt sind.
Die Grenzwerte sollten zur realen Prozessstreuung passen. Zu enge Bereiche können unnötige Fehlermeldungen erzeugen, während zu weite Bereiche relevante Abweichungen nicht erkennen. Eine fachlich belastbare Festlegung benötigt deshalb geeignete Versuche, Bauteilkenntnis und eine nachvollziehbare Bewertung der Gut- und Fehlerfälle.
Kurven und Einzelwerte kombinieren
Ein einzelner Endwert ist leicht zu speichern und auszuwerten, erklärt aber nicht immer, wie ein Fehler entstanden ist. Eine Drehmoment-Drehwinkel-Kurve kann zusätzliche Hinweise liefern, etwa auf einen ungewöhnlichen Anstieg, einen fehlenden Anziehabschnitt oder eine vorzeitige Blockierung.
Für die laufende Produktion muss nicht zwingend jede Kurve dauerhaft in gleicher Detailtiefe angezeigt werden. Sinnvoll ist jedoch, die für Diagnose und Qualitätsbewertung erforderlichen Daten strukturiert zu erfassen. Dazu gehören mindestens eine eindeutige Zuordnung zum Werkstück, ein Zeitbezug, das Schraubprogramm und das Ergebnis des Vorgangs.
Welche Signale und Zeitstempel für eine solche Auswertung erforderlich sind, wird im Beitrag Prozessdaten in Sondermaschinen sinnvoll erfassen ausführlicher eingeordnet.
Fehlerlogik und Prozessfreigabe planen
Eine erkannte Abweichung muss eine definierte Reaktion auslösen. Die Anlage sollte nicht nur „NOK“ anzeigen, sondern festlegen, was mit dem Werkstück und dem Prozess geschieht.
- Schraubvorgang stoppen oder kontrolliert beenden
- Werkstück als nicht freigegeben kennzeichnen
- Wiederholverschraubung nur unter festgelegten Bedingungen erlauben
- Nacharbeitsweg oder Prüfstation ansteuern
- Fehlerursache für Bediener und Instandhaltung verständlich anzeigen
- Ergebnis mit Werkstück- oder Auftragsdaten verknüpfen
Besondere Aufmerksamkeit verdient der Wiederholfall. Eine zweite Verschraubung kann das Ergebnis verändern und darf nicht automatisch als gleichwertiger Ersatz für den ersten Versuch gelten. Ob eine Wiederholung zulässig ist, sollte aus dem Prozess und den Qualitätsanforderungen abgeleitet werden.
Mechanik, Zugänglichkeit und Wartung berücksichtigen
Die Messqualität hängt nicht allein von der Elektronik ab. Spiel in der Mechanik, eine ungünstige Werkzeugführung oder wechselnde Positionen können die Aussagekraft der Messung beeinflussen. Das Werkzeug sollte möglichst geradlinig und stabil zur Schraubstelle geführt werden. Gleichzeitig müssen Werkzeug, Stecknuss und Verschleißteile zugänglich bleiben.
Auch die Zuführung und die Teilelage gehören zur Betrachtung. Eine verdrehte Komponente oder eine nicht vollständig eingelegte Schraube kann den Anziehverlauf verändern. Deshalb sollte die Schraubüberwachung mit vorgelagerten Anwesenheits-, Lage- oder Spannprüfungen abgestimmt werden, statt alle Fehler erst über das Endergebnis erkennen zu wollen.
Für die systematische Bewertung möglicher Fehlerbilder kann eine FMEA für Sondermaschinen helfen. Dabei sollten nicht nur Bauteilfehler, sondern auch Sensor-, Werkzeug-, Programm- und Bedienfehler betrachtet werden.
Checkliste für die Planung
- Ist der Startpunkt der Drehwinkelmessung eindeutig definiert?
- Sind Drehmoment und Drehwinkel gemeinsam bewertet?
- Gibt es klare Grenzwerte und Abbruchbedingungen?
- Wird ein fehlerhafter Vorgang sicher vom Gutprozess getrennt?
- Sind Wiederholungen und Nacharbeit geregelt?
- Werden relevante Prozessdaten korrekt zugeordnet?
- Sind Werkzeug, Sensorik und mechanische Führung zugänglich?
- Kann die Bedienperson einen Fehler ohne unnötige Sucharbeit einordnen?
Fazit: Schraubqualität durch abgestimmte Prozesslogik sichern
Eine Drehmoment-Drehwinkel-Überwachung ist dann besonders aussagekräftig, wenn sie nicht als isolierte Messfunktion verstanden wird. Prozessdefinition, mechanische Führung, Sensorik, Grenzwerte, Steuerungslogik und Datenzuordnung müssen zusammenpassen.
Für die Planung bedeutet das: Erst den Schraubablauf und die relevanten Fehlerbilder beschreiben, danach Messsystem und Grenzwerte festlegen. So entsteht eine Überwachung, die nicht nur Endwerte sammelt, sondern eine nachvollziehbare Prozessfreigabe ermöglicht und Abweichungen gezielter für Qualität, Bedienung und Instandhaltung nutzbar macht.