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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftschrauber mit einer Drehmomentenstütze, bei welchem mittels direkter Drehwinkel- und/oder Drehmomentmessung wesentliche Verschraubungsparameter eigenständig bestimmt werden bzw. eine Drehmomentenstütze mit wenigstens einem Sensor zur direkten Ermittlung eines Drehmoments eines Kraftschraubers .
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Kraftschrauber sind im Stand der Technik bekannt. Sie dienen dazu, mittels einer Welle (Antriebswelle), an deren Ende eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist, Schrauben einzudrehen oder zu lösen. Kraftschrauber werden dabei insbesondere bei großen Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Dabei treten an der Welle häufig Drehmomente im Bereich von mehreren 1000 Newtonmetern auf.
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Insbesondere hydraulische oder pneumatische Schraubwerkzeuge werden gemäß dem Stand der Technik indirekt gesteuert. Bei einer indirekten Steuerung (gemäß der Definition in VDI/VDE Richtlinie 2862 Blatt 2) wird der - meist an der Druckquelle gemessene - hydraulische (oder pneumatische) Druck der Energiezufuhr zur Berechnung des Soll-Drehmomentwertes an der Welle herangezogen. Im Folgenden wird meist von hydraulischen Vorrichtungen gesprochen. Dies impliziert aber, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren in analoger Weise auch auf pneumatische Vorrichtungen und Verfahren anzuwenden sind.
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Eine derartige Vorrichtung mit indirekter Steuerung weist unter anderem folgende Nachteile auf: Insbesondere bei höheren Flussraten der Hydraulikflüssigkeit ergibt sich ein systematischer Messfehler durch den Staudruck. Darum wird im Stand der Technik - um diese Systeme ausreichend genau zu gestalten - meist mit relativ geringen Flussmengen gearbeitet, um dadurch den Staudruck niedrig zu halten und so die geforderte Präzision zu erreichen.
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Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich dabei mit sogenannten intermittierend arbeitenden Hydraulikwerkzeugen. Diese werden typischerweise bei Werkzeugen eingesetzt, welche eine Ratschen-Funktion aufweisen. Bei derartigen Kraftschraubern wird ziemlich häufig, nämlich bei jedem Ratschen-Schritt, das Hubende des Werkzeugs erreicht. Bei Kraftschraubern mit indirekter Steuerung steigt der Hydraulikdruck weiter an, ohne dass ein weiterer Drehmomentanstieg erfolgt.
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Bei weiteren Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wird auch der Drehwinkel der Welle als Messwert benötigt. Beispielsweise wird bei Vorrichtungen, die nach dem so genannten Drehmoment-Drehwinkel-Verfahren arbeiten, der Drehwinkel der Welle (Werkzeugspindel) verwendet; dieses Verfahren ermöglicht ein Anziehen im elastischen und im überelastischen Bereich. Ein weiteres Beispiel ist das so genannte Gradientenverfahren, welches ein streckgrenzengesteuertes Anziehen ermöglicht. Gemäß dem Stand der Technik wird der Drehwinkel der Welle über einen Flow-Sensor, also indirekt, gemessen, was auch bei der Bestimmung des Drehwinkels zu einer hohen Ungenauigkeit führt.
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EP 0 042 548 B1 zeigt eine Schraubvorrichtung mit Drehmomentermittlung Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung mit Drehmomentermittlung, mit einer in einem Gehäuse angeordneten Antriebseinrichtung, deren Ausgangswelle aus dem Gehäuse herausragt, einem über eine elastische Verbindungsvorrichtung an das Gehäuse angekoppelten, entlang einer Hülse mit unrundem Profil längsbewegbaren Stützfuss zum Festhalten des Gehäuses gegen Drehung und mit einer Einrichtung zur Festellung des Schraubmomentes durch Ermittlung des auf den Stützfuss einwirkenden Abstützmomentes.
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DE 25 20 250 A1 betrifft eine Abstützvorrichtung für Getriebeschraubenschlüssel zum Verhindern des Drehens des Getriebegehäuses bei Übertragung eines Drehmomentes von der Eingangswelle auf die Ausgangswelle des Getriebes, bestehend aus einem an dem Getriebegehäuse drehfest montierbaren Halter, der mit einem Arm gegen einen Fest-punkt ansetzbar ist.
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WO 2003/ 006 208 A1 betrifft einen Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung, mit einer Antriebseinheit und einem nachgeschalteten Planetengetriebe, das einen Planetenradträgerenthält. Dazu ist eine Kombination aus einer Drehmomenterfassung und einer Drehstellungserfassung für eine Nachlaufsteuerung vorgesehen.
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DE 43 07 131 A1 betrifft einen druckbetriebenen hydraulischen oder pneumatischen Kraftschrauber mit einem Antriebsteil und einem Funktionsteil, wobei der Funktionsteil eine von einem Ratschenhebel angetriebene Welle aufweist, die eine Mitnahmevorrichtung aufweist, und mit einem das Torsionselement ermittelnden Messabschnitt.
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DE 202 13 740 U1 betrifft einen Elektrohubzylinder, der eine Steuereinrichtung für eine lastabhängige Kraftbegrenzung aufweist und die Steuereinrichtung bei Überschreiten eines Grenzwertes des Drehmomentes den Antrieb des Elektrohubzylinders abschaltet, umkehrt oder die Antriebskraft verringert, wodurch auch im Falle einer Überlastung der Elektrohubzylinder keinen Schaden nimmt.
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DE 10 2015 000 555 A1 betrifft einen Drehschrauber mit einem Motor zum Erzeugen eines Drehmoments, ferner mit einer Werkzeugaufnahme, die mit dem Motor in Wirkeingriff steht und das erzeugte Drehmoment auf ein Werkzeug überträgt, einer Messeinrichtung, die kontinuierlich mindestens eine Messgröße zur Bestimmung des Drehmomentes misst und den Messwert weiterleitet, und mit einer Steuerungseinrichtung, die mit dem Motor und der Messeinrichtung in Verbindung steht und den Betrieb des Motors so steuert, dass er nach seinem Starten ein kontinuierlich steigendes Drehmoment erzeugt, und die bei Erreichen eines Soll-Messwertes den Motor abschaltet.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftschrauber zur Verfügung zu stellen, der die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet bzw. verbessert. Darüber hinaus wird auch eine Drehmomentenstütze mit einer Sensorik zur Bestimmung des Drehmoments an einem Reaktionselement des Kraftschraubers bereitgestellt, welche mit einem im Stand der Technik bekannten Kraftschrauber verbindbar ist und damit auch die im Stand der Technik bekannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet bzw. verbessert.
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Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Drehmomentenstütze und einen Kraftschrauber gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 und ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer Werkzeugaufnahme weist mindestens eine Drehmomentenstütze und ein Gehäuse auf, wobei die Drehmomentenstütze wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses drehfest verbindbar ist. Dieser Abschnitt des Gehäuses dient zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments. In diesem Abschnitt des Gehäuses ist wenigstens ein Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments angeordnet. Dieser Sensor ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die angetriebene Welle bildet dabei ein Reaktionselement, welches im Betrieb in der Vorrichtung wenigstens eine Spannungslinie aufweist.
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Der Sensor ist in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien des Reaktionselements wie beispielsweise der Drehmomentenstütze, angeordnet und erfasst im Betrieb der Vorrichtung wenigstens eine Längenänderung im Messfeld. Auf Basis dieser Längenänderung und vorgegebenen Parametern bestimmt die Signalverarbeitungseinrichtung, welche mit dem Sensor verbunden ist, ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme.
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Die vorliegende Erfindung umfasst hierbei sowohl die Kombination eines Kraftschraubers in Form einer Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer entsprechend sensorisch ausgerüsteten Drehmomentenstütze, als auch eine Drehmomentenstütze für sich, die aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausführung mit einer entsprechenden Sensorik, dazu geeignet ist mit einem entsprechenden im Stand der Technik bekannten Karftschrauber zusammen zu wirken.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentenstütze für eine Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer Werkzeugaufnahme und einem Gehäuse, ist wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses der Vorrichtung zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments drehfest verbindbar und weist wenigstens einen Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments auf, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die in der Drehmomentenstütze aufnehmbare Welle bilden ein Reaktionselement, welches im Betrieb in der Vorrichtung wenigstens eine Spannungslinie ausbildet. Der Sensor erfasst im Betrieb der Vorrichtung in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien des Reaktionselements wenigstens eine Längenänderung und bestimmt mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme.
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In der Kombination umfasst die Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb eine Welle mit einer Werkzeugaufnahme, ein Gehäuse, eine Drehmomentenstütze, welche wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments und wenigstens einem Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die Welle bilden ein Reaktionselement, welches im Betrieb wenigstens eine Spannungslinie aufweist. Der Sensor erfasst in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien der Drehmomentenstütze und/oder Welle d.h. einem Reaktionselement, im Betrieb der Vorrichtung wenigstens eine Längenänderung und bestimmt mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme.
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Unter einer erfindungsgemäßen Drehmomentenstütze wird dabei ein Bauteil verstanden, das zum Beispiel beim Eindrehen einer Schraube, mittels einer Welle, die Reaktionskraft aufnimmt. Ein derartiges Bauteil kann beispielsweise in einer Ausführungsform als eine Art Reaktionsarm gestaltet sein, der z.B. seitlich, bevorzugt axial zur Aktionswelle, vom Gehäuse angeordnet und mit diesem drehfest verbindbar ist. In einerweiteren Ausführungsform kann es als Reaktionshülse ausgestaltet sein, die z.B. um die Drehwelle herum angeordnet ist. Diese stützt sich dabei am Gehäuse oder einen Maschinenelement (Bauteil zur Aufnahme der Reaktionskraft) ab und greift auf der gegenüberliegenden Seite in eine, mit dem zu verschraubenden Element verbundenen Struktur kraftschlüssig ein. Solch eine Struktur kann beispielsweise eine profilierte Beilagscheibe sein, die über den anzuziehenden Schraubkopf hinausragt und auf deren Oberseite die kraftschlüssige Verbindung mit der Drehmomentenhülse und auf der anderen Seite eine reibschlüssige Verbindung mit dem zu verschraubenden Element bereit gestellt wird. Solche Systeme sind im Stand der Technik bekannt.
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Eine derartige Drehmomentenstütze muss einen erheblichen (bei bestimmungsgemäßen Gebrauch den gleichen) Teil der Reaktionskraft aufnehmen, welche durch das Aktions-Drehmoment der Welle verursacht wird. Dadurch entsteht eine Torsion der Welle bzw. der Drehmomentstütze, und es bilden sich in und auf der Welle bzw. Drehmomentenstütze Spannungslinien. Entlang dieser Spannungslinien lassen sich Längenänderungen feststellen und mittels eines geeigneten Sensors erfassen. Die Längenänderungen sind eine Funktion des Reaktions-Drehmoments. Diese Funktion kann im einfachsten Fall ein proportionaler Zusammenhang zwischen Reaktions-Drehmoment und Längenänderung sein.
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Unter einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung wird dabei ein Controller oder ein ähnlicher Rechner verstanden, welcher aus den Messwerten des Sensors oder der Sensoren ein Soll-Drehmoment für die Welle errechnet, mit welchem der pneumatische oder hydraulische Antrieb gesteuert wird.
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Unter einem erfindungsgemäßen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb wird eine Druckquelle, beispielsweise eine Hydraulikpumpe oder einen Kompressor, verstanden. Diese Druckquelle ist über eine geeignete Schnittstelle steuerbar. Als Stellgröße wird dabei beispielsweise das Soll-Drehmoment der Welle (Aktions-Drehmoment) gewählt.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur direkten Messung des Drehmoments wird also ein systematischer Messfehler, der bei der indirekten Steuerung nach dem Stand der Technik durch den Staudruck verursacht wird, vermieden. Weiterhin kann präziser und mit höherem Staudruck- und damit schneller-gearbeitet werden als bei der indirekten Steuerung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt also auch höhere Werte bei Maschinenfähigkeitsuntersuchungen (MFU) gemäß VDI/VDE Richtlinie 2645 Blatt 2. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für Schraubsysteme der Sicherheitskategorie A gemäß VDI/VDE 2862 Blatt 2 zugelassen werden. Eine Kernaussage der Richtlinie ist es, für Schraubfälle mit hoher Risikobewertung nur solche Schraubsysteme als geeignet einzustufen, welche die direkte Messung von Drehwinkel und/oder Drehmoment aufweisen.
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Insbesondere bei intermittierend arbeitenden Hydraulikwerkzeugen zeigen sich die erfindungsgemäßen Vorteile besonders deutlich. So wird bei jedem Ratschen-Schritt das Hubende des Werkzeugs klar erkannt. Die Schrauben lassen sich daher mit höherer Präzision, und damit sicherer, anziehen.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Drehmomentenstütze ein sich wenigstens teilweise um die Welle erstreckende Stützfuß bzw. Reaktionsarm oder insbesondere eine Hülse. Die genannten Ausführungsformen sind drehfest mit dem Gehäuse einer Welle bzw. der Vorrichtung verbunden und wirken mit einem weiteren Gegenlager im Bereich einer Verschraubung zusammen.
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In einer Ausführungsform kann die Druckquelle Teil eines Werkzeugs sein, welches gemäß dem Stand der Technik indirekt gesteuert wird. Dabei wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf die Welle des indirekt gesteuerten Werkzeugs aufgesetzt und mittels der Signalverarbeitungseinrichtung die Druckquelle (oder die Energieversorgung) gesteuert. Auf diese Weise können konventionelle Maschinen mit verhältnismäßig geringem Aufwand - d.h. ohne dass es erforderlich ist, die Werkzeuge komplett zu tauschen - auf einen höheren Standard der Maschinen- und Prozess-Sicherheit gebracht werden.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Gegenlager für die Drehmomentenstütze, wenn diese in der Form einer Hülse ausgestaltet ist, eine profilierte Beilagscheibe. Diese Ausgestaltung führt zu einer kompakten Bauweise der Vorrichtung und hat darüberhinaus den Vorteil, dass das entsprechende Bauteil verhältnismäßig leicht herzustellen ist.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Sensor zur Bestimmung des Drehmoments ein Dehnungsmessstreifen (DMS) oder ein Messverfahren, welches nach dem physikalische Prinzip der Magnetostriktion arbeitet, wie z.B. ein Pulsed Current Modulation Encoding (PCME) Sensor.
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Ein DMS liefert dabei eine elektrische Kettengröße, die proportional zur Längenänderung des DMS ist. Insbesondere die DMS werden vorzugsweise im Bereich der Drehmomentenstütze so angeordnet, dass deren Messbereich sich entlang der Spannungslinien erstreckt. Dies ist vorzugsweise eine Erstreckungsrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse der Welle liegt. Ein Vorteil von einer solchen Anordnung ist es, dass in diesem Bereich relativ große Längenänderungen bestimmbar sind und damit die Messergebnisse verbessert werden. Selbstverständlich kann hiervon auch in einem gewissen Maß abgewichen werden, um ggf. bei der Positionierung der DMS anwendungsspezifische Anforderungen wie Robustheit des Systems im Betrieb mit berücksichtigen zu können. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, die DMS im Bereich relativ dünner Bauabschnitte der Drehmomentenstütze anzuordnen und ggf. auch eine Vielzahl von gegenüberliegende DMS (außen und innen) an der entsprechend gestalteten Drehmomentenstütze einzusetzen.
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Unter einem PCMC-Sensor wird ein Sensor verstanden, der den so genannten inversen magnetostriktiven Effekt ausnutzt. Dabei ändert sich ein Magnetfeld, wenn eine Kraft auf ein magnetisch codiertes Bauteil wirkt. Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einem derartigen Sensor die Torsion (als Funktion des Reaktions-Drehmoments) direkt an der Welle gemessen werden.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bestimmt die Signalverarbeitungseinrichtung das Reaktions-Drehmoment an der Drehmomentenstütze und/oder der Welle mittels des Sensors und steuert damit den Antrieb der Welle.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung kann die Messgrößen von einem oder von mehreren Sensoren empfangen. Die Sensoren können vom gleichen Typ sein oder unterschiedliche Messprinzipien verwenden. Entsprechend dem Funktionsprinzip und der Bauform der Sensoren können mehrere Sensoren zur Erfassung des Reaktions-Drehmoments eingesetzt werden, bevorzugt an mehreren unterschiedlichen Stellen der Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass damit eine redundante Messung des Drehmoments möglich ist. Dadurch kann beispielsweise eine höhere Präzision der Messung erreicht werden, oder es können Inkonsistenzen bei der Messung - verursacht z.B. durch den Ausfall eines Sensors oder den Bruch eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung - festgestellt werden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Sicherheit der Systeme.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist neben dem Sensor zur Bestimmung des Drehmoments wenigstens ein weiterer Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels der Welle vorgesehen. Dieser ist vorzugsweise aus einer Gruppe von Sensoren ausgewählt wird, welche optische, induktive oder resistive Sensoren, insbesondere axiale Drehwinkelsensoren, Hall-Sensoren, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst.
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Der Drehwinkel wird dabei gegen einen (prinzipiell beliebigen) festen Punkt neben der Welle gemessen. Bei der Initialisierung wird die Nulllage festgelegt.
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Ein derartiger zusätzlicher direkter Sensor führt zu einer weiteren Erhöhung der Präzision des Schraubvorgangs. Darüberhinaus wird die Redundanz erhöht, was die Sicherheit der Vorrichtung weiter verbessert. So wird bei einem Kraftschrauber nach dem Stand der Technik nicht erkannt, wenn z.B. die Werkzeugsperrklinke nicht korrekt arbeitet. Ein System mit indirekter Messung würde einen Winkelwert ausgeben, der nicht auf die Werkzeugspindel übertragen wird, wenn das System sich nicht über weitere physikalische Parameter neu referenziert, was jedoch fehlerbehaftet sein kann. Ein unabhängiger Leerlauf-Sensorselbsttest, wie er für eine MFU gefordert ist, kann somit vom Schraubsystem selbst nicht korrekt durchgeführt werden, da bei einer Manipulation der Sperrklinke des Werkzeugs oder ein Versagen des Werkzeugratschensystems die falschen Werte nicht erkannt werden. Dies hat zur Folge, dass ein nicht korrekt arbeitendes Ratschensystem im Anzugsprozess nicht erkannt wird und es somit auch zu unbemerkt falsch angezogenen Schraubverbindungen führen kann.
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Damit werden auch die Anforderungen für Schraubsysteme der Sicherheitskategorie A gemäß VDI/VDE 2862 Blatt 2 erfüllt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme mittels hydraulischer oder pneumatischer Energiezufuhr weist folgende Schritte auf:
- • Erfassung einer Längenänderung in einem Bereich wenigstens der Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien eines Reaktionselementes, insbesondere der Drehmomentenstütze oder der Welle, mittels des Sensors, wobei die Längenänderung der Spannungslinie eine Funktion des Reaktions-Drehmoments ist;
- • Bestimmen eines Drehmoments der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern;
- • Steuern der Energiezufuhr, als Funktion des Drehmoments der Welle.
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Die erfasste Längenänderung in einem Bereich wenigstens einer Spannungslinie kann dabei an einer Stelle oder an mehreren Stellen gemessen werden, mit einem Typ von Sensor oder mit mehreren Arten von Sensoren. Wenn es keine Beschädigungen, zum Beispiel einen Bruch, zwischen der Welle und dem Reaktion Element gab, wird der oder die Sensoren korrelierte Werte empfangen. Im Falle von redundanten Sensoren können Differenzen bei der Erfassung als Indikator für einen Fehler-des Sensors oder der Maschine-verwendet werden und die Maschine kann beispielsweise angehalten werden, bevor eine Beschädigung des Schraubsystems auftritt.
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Die Signalverarbeitungseinrichtung verknüpft die erfassten Werte des Sensors oder der Sensoren mit vorgegebenen Parametern, zum Beispiel Funktionen oder Tabellen, welche die Abhängigkeit der Sensorwerte von einer Änderung des Reaktions-Drehmoments widerspiegeln. Nach dieser Verknüpfung und in Verbindung mit einem Regelalgorithmus wird von der Signalverarbeitungseinrichtung das Soll-Drehmoment der Welle (Aktions-Drehmoment) bestimmt.
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Eine Maschine, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, kann ferner für Selbsttestfunktionalität eingerichtet werden.
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Dieses Soll-Drehmoment wird verwendet, um die Energiezufuhr der Druckquelle über eine geeignete Schnittstelle, vorzugsweise industrielle Schnittstellen zu steuern. Hierzu bietet sich vorzugsweise eine analoge Stromschnittstelle, eine analoge Spannungsschnittstelle oder schnelle Bussysteme wie z.B. ein CAN-Bus oder auch optische Busse an.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur intermittierenden Steuerung der Energiezufuhr geeignet.
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Mit einer derartigen Auslegung ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Ratschen-Betrieb bzw. für Ratschen-Systeme geeignet. Während Verfahren nach dem Stand der Technik in der Regel 2-stufig aufgebaut sind oder entsprechend langsam arbeiten, ist mit diesem Verfahren ein schnelleres, präziseres und fehlertolerantes Arbeiten möglich.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet die Signalverarbeitungseinrichtung zur intermittierenden Steuerung bei Frequenzen von 0,1 bis 15 Druckspitzen bzw. Hübe pro Sekunde, insbesondere bis zu 10 Druckspitzen bzw. Hübe pro Sekunde, wobei dies insbesondere je nach Werkzeugtyp abweichen kann.
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Mit einem erfindungsgemäßen System können mehrere Nachregel-Vorgänge vorgenommen werden, und es sind somit hohe Leistungen bei schnellen und präzisen Lastwechseln möglich. Dies erhöht erheblich die Schraubleistung, was zu höherer Gesamtleistung, verbesserter Effizienz und niedrigeren Standzeiten der Maschine führt.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Energiezufuhr einen PID-Regler auf, wobei je nach Anforderungsschwerpunkt der Schraubanlage auch P-Regler oder PI-Regler eingesetzt werden.
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Damit können auch hohe Anforderungen an die Regelung gemeistert werden, welche durch das Gewicht der beteiligten Bauteile, durch Strömungswiderstände des Hydraulik- bzw. Pneumatik-Systems und durch elastische Verformungen der reaktiven Teile verursacht werden.
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Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche als Kraftschrauber, insbesondere als hydraulischer Kraftschrauber, bevorzugt zur Übertragung von Kräften von über 1.000 Newtonmeter, besonders bevorzugt zwischen 1.000 und 20.000 Newtonmeter.
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Kraftschrauber gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere im Kraftwerksbau, bei der Montage von großen Anlagen und Bauteilen, z.B. Montage und Wartung großer Windkraftanlagen eingesetzt. Die Werkzeugaufnahme weist bevorzugt einen Sechskantantrieb oder Vierkantantrieb auf.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen.
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Dabei zeigen:
- 1: die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einem axial um die Welle abgestützten Reaktionsarm;
- 2: die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeugs mit einer nicht axial zur Welle angeordneten Reaktionsarmvorrichtung;
- 3: die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einer Reaktionshülse;
- 4: die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einer Reaktionshülse mit Öffnungen zur Aktionswelle;
- 5: Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme gemäß dem Stand der Technik;
- 6: Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Erfassung des Drehmoments;
- 7: Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Erfassung des Drehmoments und des Drehwinkels.
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1 zeigt die Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers. Dieser weist ein Gehäuse lauf, an dessen Unterseite eine Welle 12 mit einer Werkzeugaufnahme angeordnet ist. Über die Hydraulikkupplung 2 ist die Welle 12 über einen innenliegenden, nicht abgebildeten Kolben-Ratschenmechanismus, an eine Druckquelle (z.B. an ein Hydraulikaggregat; nicht dargestellt) angeschlossen, zur Versorgung mit hydraulischer Energie. Weiterhin ist am Gehäuse 1 ein axial um die Welle 12 abgestützter Reaktionsarm 5 angeordnet, der mit einem Abschnitt des Gehäuses 1 drehfest verbunden ist. Der Reaktionsarm 5 ist zur Aufnahme des Reaktions-Drehmoments - als Gegenpart zum Aktions-Drehmoment der Welle 12 - vorgesehen. Der Reaktionsarm 5 erfährt bei Last, d.h. bei Betätigung der Welle 12, eine Torsion und/oder eine Streckung. Bei Last bilden sich also im und auf dem Reaktionsarm 5 Spannungslinien. Auf dem Reaktionsarm 5, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien, ist ein Sensor 13 angeordnet. Dieser Sensor 13 - z.B. ein DMS - erfasst bei Torsion und/oder Streckung des Reaktionsarms 5 eine Längenänderung, welche proportional zum Reaktions-Drehmoment am Reaktionsarm 5 ist. Der Sensor 13 ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 7 verbunden. Diese bestimmt das Soll-Drehmoment der Welle 12 im Bereich der Werkzeugaufnahme, auf Basis des Sensors 13 und vorgegebenen Parametern. Die Signalverarbeitungseinrichtung 7 steuert mit diesem Soll-Drehmoment die Druckquelle.
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2 zeigt die Skizze einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftschraubers 20 mit einer nicht axial zur Welle 12 angeordneten Reaktionsarmvorrichtung. Dabei bezeichnen Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie bei 1 die selben Elemente.
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Der Reaktionsarm 9 ist anders angeordnet als bei 1; dennoch erfährt auch dieser bei Last - welche durch ein Aktions-Drehmoment der Welle 12 verursacht wird - eine Torsion und/oder eine Streckung, die mittels eines oder mehrerer Drehmomentsensoren erfasst werden kann. Bei der gezeigten Ausführungsform sind an die Signalverarbeitungseinrichtung 7 drei Sensoren angeschlossen: Ein Drehmomentsensor 10, der im Werkzeuggehäuse angeordnet ist, ein Drehmomentsensor (nicht sichtbar) an der Rückseite des Reaktionsarms 9 und ein Sensor 8 zur Erfassung des Drehwinkels der, der am oberen Teil des Gehäuses 1 angeordnet ist.
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3 zeigt die Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers 20 mit einer Reaktionshülse 3 als Drehmomentenstütze. Im Innern der Reaktionshülse 3 ist die innenliegende Welle 11 angeordnet (nur teilweise sichtbar). An der Außenseite der Reaktionshülse 3 ist ein Drehmomentsensor 13-z.B. DMS - angeordnet, der Längenänderungen aufgrund des Reaktions-Drehmoments der Reaktionshülse 3 erfasst. An der Reaktionshülse 3 ist ein weiteres Sensorsystem 4 angeordnet, welches hier als PCMC-Sensor ausgeführt ist. Dieser PCMC-Sensor 4 misst direkt das Reaktions-Drehmoments an der Welle 11, mittels des sog. inversen magnetostriktiven Effekts. Dabei ändert sich ein Magnetfeld, wenn eine Kraft auf ein magnetisch codiertes Bauteil wirkt.
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4 zeigt die Skizze eines weiteren, alternativ ausgeführten erfindungsgemäßen Kraftschraubers. Dieser ist ähnlich aufgebaut wie in 3 gezeigt. Allerdings ist hier der Drehmomentsensor 13 in Öffnungen der Reaktionshülse 3 zur Aktionswelle 11 hin angeordnet.
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Versuche zeigen, dass sich bei dieser Ausführungsform die gut bestimmbaren Kraftlinien im unteren oder im oberen Bereich der Öffnungen d.h. diesbezüglich außer mittig befinden. Insbesondere muß durch die Anordnung vermieden werden, dass man den DMS im Bereich sogenannter Neutralllienien anordnet, da dort keine bzw. nur geringe Längenänderungen bestimmbar sind.
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5 zeigt ein Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle 12 mit Werkzeugaufnahme gemäß dem Stand der Technik, mittels indirekter Messung. Dabei geschieht die Energieversorgung der Welle 12 über die Hydraulikkupplung 2. Die Welle 12 übt ein Aktions-Drehmoment auf das Werkzeug bzw. die Werkzeugaufnahme aus. Die Signalverarbeitungseinrichtung 7 misst über einen Sensor zwischen Druckquelle und Hydraulikkupplung 2 den hydraulischen (oder pneumatischen) Druck der Energiezufuhr, der z.B. durch eine Hydraulikpumpe erzeugt wird, und steuert damit die Druckquelle. Dieser gemessene Druck wird zur Berechnung des Soll-Drehmomentwertes an der Welle 12 verwendet.
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6 zeigt ein Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle 12 mit Werkzeugaufnahme in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Wie bei 5 geschieht die Energieversorgung der Welle 12 über die Hydraulikkupplung 2, und die Welle 12 übt ein Aktions-Drehmoment auf das Werkzeug bzw. die Werkzeugaufnahme aus. Allerdings wird - mittels direkter Messung durch einen oder mehrere Drehmoment-Sensoren 4, 10, 13 - das Reaktions-Drehmoments an einer Drehmomentenstütze 3, 5, 9 erfasst und an die Signalverarbeitungseinrichtung 7 übermittelt. Diese steuert die Druckquelle, hier auf Basis des Reaktions-Drehmoments.
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7 zeigt ein Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle 12 mit Werkzeugaufnahme in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Dabei erfolgt die Erfassung des Reaktions-Drehmoments wie in 6 mittels direkter Messung durch einen oder mehrere Drehmoment-Sensoren 4, 10, 13. Zusätzlich wird mittels des Drehwinkel-Sensors 8 der Drehwinkel der Welle erfasst. Hier wird die Druckquelle auf Basis des Reaktions-Drehmoments und des Drehwinkels gesteuert.
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Liste der Bezugszeichen:
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Hydraulikkupplung
- 3
- Reaktionshülse
- 4
- Sensorsystem an Reaktionshülse (PCMC-Sensor)
- 5
- Reaktionsarm, axial zur Aktionswelle
- 7
- Signalverarbeitungseinrichtung
- 8
- Drehwinkelsensor
- 9
- Reaktionsarm, nicht axial zur Aktionswelle
- 10
- Drehmomentsensor im Werkzeuggehäuse
- 11
- Innenliegende Aktionswelle
- 12
- Aktionswelle, Welle mit Werkzeugaufnahme
- 13
- Drehmomentsensor (zum Beispiel Dehnmessstreifen)
- 20
- Kraftschrauber
