{{{sourceTextContent.title}}}

Poka-Yoke-Verfahren für das Anziehen von Schrauben an Montagelinien für Automobilteile

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Schraubenanziehen an Montagelinien für Automobilteile, Schraubenanziehen, automatisches Schraubenanziehsystem

{{{sourceTextContent.description}}}

Bei der Montage von Kraftfahrzeugteilen ist das Anziehen von Schrauben ein kritischer Prozess und gleichzeitig einer der arbeitsintensivsten Vorgänge. Da es viele verschiedene Schraubentypen und große Mengen gibt und die Schrauben sehr ähnlich aussehen, machen die Mitarbeiter häufig Fehler, die zu Qualitätsmängeln führen. Die Qualitätsmängelliste und die Nacharbeitsprotokolle eines Unternehmens zeigen, dass Gewindeausbrüche, fehlende oder falsche Schrauben und lose Schrauben häufig vorkommen. Diese Fehler werden größtenteils dadurch verursacht, dass die Bediener einen Schraubvorgang wiederholen, eine Schraube auslassen oder nicht das volle Drehmoment erreichen. Durch Schulung und Erfahrung können die Fehlerquoten zwar verringert werden, aber da der Mensch von Natur aus begrenzt ist, ist ein 100 % fehlerfreies Arbeiten unmöglich. Um das Problem an der Wurzel zu packen, müssen wir daher über eine strenge Bedienerdisziplin hinausgehen und die Anlage mit flächendeckenden Poka-Yoke-Funktionen (Fehlersicherung) ausstatten.

Es gibt eine Vielzahl von Schraubgeräten auf dem Markt, aber elektrische Schraubwerkzeuge sind wegen ihrer hohen Kosteneffizienz in der Automobilteilemontage am weitesten verbreitet. Die Werkzeuge gibt es in zwei Hauptausführungen:

Inline-Werkzeuge (mit Pistolengriff) - gut für hohe Drehmomente und Zugang in jedem Winkel.

Rechtwinklige (gerade) Werkzeuge - besser für Anwendungen mit geringem Drehmoment und horizontale Arbeiten.

Beide Ausführungen können mehrere Drehmomentstufen liefern, und das gewählte Programm wird automatisch über einen Steckschlüsselwahlschalter umgeschaltet; jede Steckschlüsselposition wird eins zu eins einem Anziehprogramm zugeordnet.

Die Werkzeuge selbst können bereits Drehmoment, Winkel und Anzahl messen. Dies ist die Grundlage für die Fehlersicherheit. Da jedoch der Produktionsprozess und das Verhalten der Schraubverbindung komplex sind, können die oberen/unteren Überwachungsgrenzen für diese Parameter nicht allein durch Erfahrung festgelegt werden, und es sind auch keine Normen verfügbar. Daher ist ein zusätzlicher Aufwand erforderlich, um das volle Potenzial der Pistolen für die Fehlersicherheit zu erschließen.

Verhinderung des Nachziehens
Ob eine Schraube zweimal angezogen wurde, lässt sich an ihrem Drehwinkel erkennen. Bei normalem Anziehen kann sich ein Bolzen mehrere bis ein Dutzend volle Umdrehungen von Anfang bis Ende drehen. Wird eine bereits fest angezogene Schraube erneut mit dem gleichen Soll-Drehmoment angezogen, ist der zusätzliche Drehwinkel sehr klein - fast Null. Durch die Überwachung des Anzugswinkels können wir also ein erneutes Anziehen erkennen.
In der Praxis wird der Werkzeugsteuerung ein unterer Winkelgrenzwert vorgegeben. Liegt der gemessene Winkel unter diesem Grenzwert, gilt die Schraube als bereits angezogen, und die Steuerung gibt einen Alarm aus.

Zwei wichtige Parameter beeinflussen die Winkelberechnung:

Anzugsdrehmoment - der Drehmomentwert, bei dem der präzise Regelkreis der Pistole beginnt.

Schwellendrehmoment - der Drehmomentwert, bei dem die Winkelzählung beginnt; er muss ≥ dem Anzugsmoment sein.

Da die Schraube die meiste Zeit unter dem Anzugsdrehmoment verbringt, ist auch der berechnete Anzugswinkel unter normalen Bedingungen sehr klein (oft < 100°). Dadurch wird der nutzbare Bereich für die Winkeluntergrenze stark eingeengt. Wenn der Grenzwert zu hoch eingestellt ist, gibt die Pistole bei jedem normalen Anzug einen falschen Alarm aus.

In der Zwischenzeit variieren die tatsächlichen Nachziehwinkel stark aufgrund der Handkraft des Bedieners, der Härte des Verbindungsmaterials, der Reaktionskraft der Pistole und des Vorhandenseins/Fehlens und der Dicke/Härte der Unterlegscheiben. Die Rückzugswinkel können von fast Null bis zu 30-40° oder mehr reichen. Folglich muss der untere Grenzwert für den Anzugswinkel angehoben werden, da der Poka-Yoke sonst unwirksam wird.

Diese beiden widersprüchlichen Bedingungen machen die Festlegung der Winkelgrenze schwierig. Ein zuverlässiger Wert kann nicht aus Erfahrung oder einfachen Annahmen abgeleitet werden, sondern muss durch sorgfältige Beobachtung vor Ort und umfangreiche Datenanalyse ermittelt werden. Nach dem Sammeln von Anzugsdaten wird der vorläufige untere Grenzwinkel für das Nachziehen festgelegt. Anschließend wird der Grenzwert auf der Grundlage der Bedienerstärke, der Schrauben-/Verbindungshärte, des Pistolentyps und der Unterlegscheibenbedingungen feinabgestimmt.

Verhinderung von Fehlverschraubungen
Die Vermeidung von Fehlverschraubungen wird hauptsächlich durch Zählen erreicht.

Beispiel: Ein Teil erfordert 10 identische Schrauben, die an einer Station angezogen werden müssen. Das Werkzeug kumuliert die Anzahl. Wenn die endgültige Anzahl weniger als 10 beträgt, reagiert die Linie oder die zugehörige Ausrüstung - entweder stoppt sie die Palette oder gibt einen Alarm aus. Sobald der Zählerstand 10 erreicht, verriegelt sich die Pistole selbst; ein weiteres Anziehen ist nicht möglich, bis ein neues Teil eintrifft.

Zwei Voraussetzungen müssen erfüllt sein:
Das Werkzeug muss den Datenaustausch mit der Anlage unterstützen.

Der oben beschriebene Nachzieh-Poka-Yoke muss voll funktionsfähig sein.

Voraussetzung 1 kann auf zwei Arten erfüllt werden:
a) Automatische Identifikation über RF-Tag auf der Palette
- Das Förderband ist mit einem Lese-/Schreibkopf ausgestattet.
- Jedes Mal, wenn ein Teil in die Linie einläuft, wird seine Seriennummer auf einen RF-Tag auf der Palette geschrieben.
- Wenn die Palette an einer Station ankommt, löscht der Schreib-Lese-Kopf die vorherige Seriennummer und lädt die neue hoch, so dass die Pistole weiß, dass ein neues Teil angekommen ist.

b) Manueller Barcode/QR-Scan
- Ein Handscanner wird neben der Linie positioniert.
- Ablauf: Teil trifft ein → Bediener scannt Barcode → Pistolensteuerung aktualisiert die Teiledaten → Bediener spannt → Zählung OK → Palette freigegeben → nächstes Teil trifft ein.
- Aufgrund des zusätzlichen manuellen Schritts ist der Durchsatz geringer als bei Methode (a).

Voraussetzung 2 ist kritisch: Wenn das Nachziehen nicht erkannt wird, könnte ein Bediener eine Schraube zweimal anziehen, die Zielanzahl erreichen und trotzdem eine Schraube übersehen. Um zu verhindern, dass Schrauben übersehen werden, muss der Nachzieh-Poka-Yoke daher zunächst vollständig validiert werden.

Verhinderung von Drehmomentüberschreitungen
Drehmomentabweichungen entstehen hauptsächlich durch:

(1) Der Bediener lässt den Abzug los, bevor die Pistole das volle Drehmoment erreicht.
(2) Überhöhte Pistolendrehzahl → große Trägheit → Drehmoment schießt über das Fenster hinaus.
(3) Bei Pistolen mit mehreren Drehmomenten wird die falsche Fassung gewählt, da die Fassungen identisch aussehen, aber unterschiedlichen Drehmomentprogrammen zugeordnet sind.

Da das Werkzeug bereits über eine zuverlässige Drehmomentbeurteilung verfügt, schlägt es Alarm, wenn das Drehmoment außerhalb des Bereichs liegt. In einer lauten Werkstatt kann es jedoch vorkommen, dass die Bediener den Alarm ignorieren. Um einen 100 %igen Schutz zu erreichen, muss das Werkzeug den weiteren Betrieb sperren, bis der Bediener korrigierend eingreift.

Die Lösung besteht darin, die Alarmfunktion des Werkzeugs mit seiner Umkehrfunktion im Steuerungsprogramm zu verknüpfen:

Wenn das Drehmoment zu niedrig ist, kann die Pistole nicht weiterarbeiten, bis der Bediener den Sollwert wieder anzieht.

Ist das Drehmoment zu hoch, kann die Pistole nicht weiterarbeiten, bis der Bediener die Schraube etwas zurückdreht.
Dadurch werden die Risiken (1) und (2) effektiv beseitigt.

Bei Risiko (3) - falsche Auswahl des Steckschlüsseleinsatzes - ziehen die Werkzeuge problemlos auf das durch das gewählte Programm festgelegte Drehmoment an, ohne dass ein Alarm ausgelöst wird, so dass die obige Programmverknüpfung unwirksam ist. Stattdessen muss die Steckschlüsselauswahl selbst die richtige Reihenfolge erzwingen.

Schritte zur Implementierung:

Definieren Sie die Anzugsreihenfolge und die genaue Anzahl für jede Muffe gemäß den Prozessanforderungen.

Die Reihenfolge jedes Werkzeugs ist einzigartig.

Wählt der Bediener die falsche Fassung aus, startet das Werkzeug nicht.

Sobald eine Fassung ihre programmierte Anzahl erreicht hat, sperrt das Werkzeug diese Fassung, bis das Teil gewechselt wird.

Dies fördert die Disziplin des Bedieners und verhindert Drehmomentfehler, die durch Verwechslung der Steckschlüsseleinsätze verursacht werden.

Kontinuierliche Verifizierung
Poka-yoke ist keine einmalige Installation; sie erfordert:

Einen auf die Anforderungen an die Produktqualität zugeschnittenen Kontrollplan.

Regelmäßige Audits der Produktionslinie, um sicherzustellen, dass alle Funktionen zur Fehlersicherung wirksam bleiben.

Nur durch die Institutionalisierung dieser Praktiken kann die Montagelinie langfristig eine fehlerfreie Verschraubungsleistung aufrechterhalten.