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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtriebseinheit für ein Schraubsystem, an der eine Schnittstelle zum Ankoppeln eines Schraubwerkzeuges vorhanden ist oder die als Schraubwerkzeug dient, ein solches Schraubsystem sowie ein Verfahren zur dessen Herstellung.
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Hintergrund der Erfindung
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In verschiedenen Bereichen wird Schraubtechnik, auch sog. überwachende Schraubtechnik, eingesetzt. Schraubsysteme wie Schrauber können mobil, insbesondere aber auch stationär vorgesehen werden, um bestimmte Schraubvorgänge möglichst schnell und nach bestimmten Vorgaben durchführen zu können. Steigende Komplexität und Komprimierung zu verschraubendener Bauteile z.B. in der Automobilindustrie hat dazu geführt, dass der Anteil an sog. Sonderabtrieben in der Schraubtechnik stetig gestiegen ist. Kann ein bestimmter Schraubfall (also z.B. das Einbringen einer bestimmten Schraube mit bestimmtem Schraubenkopfprofil und bestimmter Einschraubtiefe mit vorgegebenem Drehmoment) mit einem vorhandenen Serienabtrieb nicht bedient werden, muss in der Regel ein kundenspezifischer Sonderabtrieb entwickelt, gebaut und verkauft werden.
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Aus der
DE 27 21 102 A1 , der
WO 2013/027122 A1 , der
GB 723 036 A sowie der
US 2011/ 0 030 513 A1 sind Abtriebseinheiten für Schraubsysteme bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Abtriebseinheit für ein Schraubsystem, ein Schraubsystem sowie ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit Schraubsystemen (oder Schraubgeräten) und insbesondere Abtrieben hierfür. Ein Abtrieb stellt dabei das über einen Antrieb mittelbar oder unmittelbar angetriebene Ende des Schraubsystems dar, an dem letztlich der Kontakt zum Schraubwerkzeug (z.B. Schrauberbit oder Nuss) oder direkt zur Schraube erfolgt. Bei typischen Schraubsystemen, insbesondere solchen, die stationär verbaut sind, findet ein sog. Axialausgleich mittels einer Profilwelle wie z.B. einer Keilwelle oder Zahnwelle - oder allgemein einer Abtriebswelle - statt, die beim Eindrehen einer Schraube aus einer Hohlwelle ausfedert (dies erfolgt z.B. über eine Druckfeder, die in eine zentrale Öffnung der Abtriebswelle eingebracht ist). Auf diese Weise muss während des Eindrehens der Schraube nicht das gesamte Schraubsystem bewegt werden. Abtriebsseitig ist an der Abtriebswelle dann eine Abtriebsschnittstelle zum Ankoppeln eines Schraubwerkzeuges vorgesehen. Bei dem Schraubwerkzeug kann es sich z.B. um Bits, Schraubnüsse oder andere Aufsätze handeln. Die Abtriebsschnittstelle weist dann z.B. einen Außenvierkant, einen Innensechskant oder ein Schnellwechselfutter auf, auf die der gewünschten Anwendung angepasste Steckschlüssel, Bits oder Nüsse gesteckt werden können.
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Diese Abtriebsschnittstelle ist hierzu typischerweise direkt an der Abtriebswelle ausgebildet, d.h. das abtriebsseitige Ende der Abtriebswelle ist entsprechend der gewünschten Abtriebsschnittstelle geformt. Denkbar ist anstelle einer Abtriebsschnittstelle zum Ankoppeln eines Schraubwerkzeuges auch, dass das abtriebsseitige Ende der Abtriebswelle direkt als Schraubwerkzeug ausgebildet ist, d.h. es kann z.B. direkt in Form einer Schraubendreherklinge ausgebildet sein.
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Dies führt dazu, dass die Länge der Abtriebswelle und die gewünschte Abtriebsschnittstelle die Geometrie der Abtriebswelle bestimmen. Werden z.B. abweichende Federkräfte gefordert, so werden diese über besondere Druckfedern realisiert. Die Abtriebsschnittstelle bildet in der Regel den am höchsten beanspruchten Punkt bzw. Bereich der Abtriebswelle. Ein Nachteil hierbei ist, dass Varianten der Abtriebswellen jeweils vollständig gefertigt und wärmebehandelt werden müssen, was eine lange Durchlaufzeit erfordert und bei hoher Varianz und damit bei geringen Stückzahlen hohe Kosten verursacht. Alternativ kann auf eine Standard-Abtriebswelle (dort dann auf die Abtriebsschnittstelle) eine Verlängerung oder ein Adapter gesteckt werden, was zur Folge hat, dass insbesondere bei stationären Schraubstationen das zu verschraubende Bauteil meist nicht sicher getroffen wird, da typischerweise ein Spiel zwischen Abtriebsschnittstelle und Verlängerung auftritt.
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Vor diesem Hintergrund wird eine Abtriebseinheit mit einer Abtriebswelle und einem Abtriebsadapter vorgeschlagen, die als voneinander verschiedene Bauteile ausgebildet, aber drehfest miteinander verbunden sind. Die Abtriebswelle ist dabei - wie bisher - antriebs- bzw. gehäuseseitig (d.h. auf der dem Antrieb im Schraubsystem zuzuwendenden Seite) axial verschieblich bzw. verschiebbar (axial bezieht sich hierbei auf eine Rotationsachse der Abtriebswelle) und drehfest (z.B. über Formschluss) in einer rotatorisch antreibbaren Hohlwelle lagerbar bzw. gelagert. Bei der Abtriebswelle kann es sich, wie bisher, um eine Profilwelle wie Keil- oder Zahnwelle handeln. Auch ist eine Druckfeder zum Ausfedern der Abtriebswelle vorgesehen, die in eine zentrale Öffnung der Abtriebswelle eingebracht ist und in der Hohlwelle abstützbar ist. Die Hohlwelle kann als Teil der Abtriebseinheit angesehen werden, ist in jedem Fall aber Teil des gesamten Schraubsystems (das ja die Abtriebseinheit umfasst). Der Abtriebsadapter weist abtriebsseitig eine Schnittstelle (Abtriebsschnittstelle) zum Ankoppeln eines Schraubwerkzeuges auf oder ist als Schraubwerkzeug ausgebildet.
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Damit ist die Abtriebsschnittstelle nicht mehr - wie bisher - in die Abtriebswelle integriert, sondern in einem separaten Bauteil ausgebildet. Auch hier ist es denkbar, dass der Abtriebsadapter keine Abtriebsschnittstelle aufweist, sondern direkt als Schraubwerkzeug ausgebildet ist. Es kann damit auch von einer mehrteiligen Abtriebswelle (die eigentliche Abtriebswelle und der Adapter) gesprochen werden.
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Um den Abtriebsadapter drehfest mit der Abtriebswelle zu verbinden, kann ein Profil vorgesehen sein, um einen Formschluss zu erreichen (z.B. ähnlich wie zwischen Abtriebswelle und Hohlwelle), insbesondere möglichst ohne Spiel.
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Vorzugsweise ist der Abtriebsadapter auch gesichert mit der Abtriebswelle verbunden, d.h. so, dass er nicht durch reine Axialkraft und/oder nicht ohne Werkzeug wieder von der Abtriebswelle entfernt bzw. gelöst werden kann. Hierzu kann z.B. ein Sicherungselement wie ein Sicherungsring vorgesehen sein, das bzw. der zwischen dem Abtriebsadapter und der Abtriebswelle eingebracht ist. Der Abtriebsadapter kann dann mit der Abtriebswelle verbunden werden, indem er auf ein abtriebsseitiges Ende der Abtriebswelle aufgebracht wird, wobei das Sicherungselement derart zwischen Abtriebsadapter und Abtriebswelle vorgesehen wird, dass der Abtriebsadapter beim Aufbringen auf die Abtriebswelle verrastet. Der Sicherungsring kann z.B. in eine Nut am abtriebsseitigen Ende der Abtriebswelle eingebracht sein; durch eine konische Form des abtriebsseitigen Endes der Abtriebswelle kann der Abtriebsadapter dann aufgeschoben werden, bis er verrastet. Grundsätzlich denkbar ist aber auch eine Verrastung ohne (separates) Sicherungselement.
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Die Abtriebsschnittstelle kann dabei wie gewünscht ausgebildet sein, z.B. als (Außen-) Vierkant in der gewünschten Größe (1/4 Zoll; 3/8 Zoll; ½ Zoll usw.) mit Bohrung, Vierkant mit Rastbolzen, Vierkant mit Druckstück, Vierkant mit Schnellwechselfutter und dergleichen für die Aufnahme von Schraubnüssen; Innensechskant für die Aufnahme von Bits; oder der Abtriebsadapter kann, wie erwähnt, die passende Geometrie aufweisen, um ein Bauteil direkt verschrauben zu können
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Erfindungsgemäß weist die Abtriebseinheit weiterhin ein Anpassungselement, z.B. in Form einer Hülse, auf, das zur Einstellung einer Federkraft der Druckfeder an dem abtriebsseitigen Ende der Druckfeder anliegt. Dieses Anpassungselement ist (zentral) an dem Abtriebsadapter, dort antriebsseitig, vorgesehen, insbesondere integral mit diesem ausgebildet sein. Wenn nun die zentrale Öffnung der Abtriebswelle als Durchgangsöffnung ausgebildet ist, liegt die Druckfeder an dem Anpassungselement an. Durch gezielte Wahl z.B. der axialen Länge des Anpassungselements kann so die Federkraft (durch Vorspannung) angepasst werden. Denkbar ist aber auch, dass die zentrale Öffnung der Abtriebswelle als Sackloch bzw. Sackbohrung ausgebildet ist. Dann kann das Anpassungselement z.B. in die zentrale Öffnung eingebracht sein.
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Die Erfindung ermöglicht es aufgrund der separaten Bauteile nunmehr, bei gefederten Abtrieben in der Schraubtechnik die Länge der Abtriebs- oder Profilwelle, die Art des Abtriebs (Vierkant, Sechskant, Schnellwechselfutter, Nuss und dergleichen) und eine gewünschte Federkraft kurzfristig und kostengünstig zu variieren. Dadurch können Kunden besser nach ihren Wünschen bedient werden und die Verwendung von Verlängerungen bzw. Adaptern wird überflüssig.
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Der Vorteil dieser mehrteiligen - oder modularen - Lösung liegt insbesondere darin, dass nur der Abtriebsadapter hochfest sein muss und damit eine Wärmebehandlung und somit lange Durchlaufzeiten benötigt. Die Abtriebswelle kann z.B. aus einem vorvergüteten DIN ISO 14 Keilwellenprofilstab hergestellt werden. Der Abtriebsadapter kann entweder in größerer Stückzahl spanend oder in kleinen Stückzahlen additiv aufgebaut werden. Die Abtriebswelle kann z.B. aus Halbzeug sehr schnell ggf. auftragsbezogen gefertigt werden und in beliebiger Länge hergestellt werden. Je Baugröße ist nur eine Federvariante notwendig.
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Somit sind mit einer geringen Anzahl an Teilevarianten sehr viele unterschiedliche Abtriebseinheiten (bzw. mehrteilige Abtriebswellen) mit gewünschten Merkmalen darstellbar. Die Abtriebswellen können in beliebiger Länge oder in vordefinierten Rastermaßen hergestellt werden. Bei dem zugrundeliegenden Abtrieb kann es sich zwar insbesondere um einen Geradabtrieb handeln, allerdings kann die vorgeschlagenen Lösung bei gleichen Bauteilen auch für versetzte Abtriebe, Vorschubabtriebe und verschiedenen Abtriebe mit integrierten Gebern (Sensoren) und dergleichen eingesetzt werden. Das Prinzip ist grundsätzlich auf verschiedene Baugrößen anwendbar. Insbesondere durch die drehfeste und auch gesicherte Verbindung von Abtriebsadapter und Abtriebswelle kann jedenfalls in der Praxis die gleiche Handhabung und Qualität bei Schraubvorgängen wie mit herkömmlichen, einteiligen Abtriebswellen erreicht werden
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Schraubsystem mit einem Antrieb, einer Hohlwelle, die mittelbar oder unmittelbar mittels des Antriebs rotatorisch antreibbar ist, und einer Abtriebseinheit, wie sie vorstehend erläutert wurde; dabei ist die Abtriebswelle antriebsseitig axial verschieblich und drehfest in der Hohlwelle gelagert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Abtriebseinheit bzw. eines solchen Schraubsystems. Für nähere Ausführungen, insbesondere auch zu bevorzugten Ausführungsformen und Vorteilen bzgl. des Schraubsystems und des Herstellungsverfahrens sei auf vorstehende Ausführungen zur Abtriebseinheit verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Schraubsystem in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch eine nicht erfindungsgemäße Abtriebseinheit.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abtriebseinheit in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch einen Teil der Abtriebseinheit aus 3 in einer anderen Ansicht.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Schraubsystem oder Schraubgerät 100 in einer bevorzugten Ausführungsform, hier als Schraubspindel, dargestellt, das eine Abtriebseinheit 200 als eine Komponente umfasst. Hierbei sind einzelne Komponenten des Schraubsystems 100 einzeln dargestellt und es sind verschiedene Kombinationsmöglichkeiten dieser Komponenten aufgezeigt (mittels punktierter Linien).
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So kann beispielweise eine Antriebseinheit 110, die z.B. einen Elektromotor umfassen kann, über ein Planetengetriebe 120 und einen Adapter 140 mit der Abtriebseinheit 200 verbunden sein bzw. werden. Die Antriebseinheit 110 und das Planetengetriebe 120 können jedoch - anstatt einer direkten Verbindung - auch über ein Umlenkgetriebe 130 miteinander verbunden werden, um ein kompakteres Schraubgerät zu ermöglichen. Zudem kann ein Messwertaufnehmer 150, ggf. mit einem alternativen Adapter 141, verwendet werden. Der Messwertaufnehmer 150 kann mit oder ohne Getriebe zwischen Antriebseinheit 110 und Abtriebseinheit 200 angeordnet werden.
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Mittels eines solchen Messwertaufnehmers kann beispielsweise ein vom Schraubsystem 100 abgegebenes oder abzugebendes Drehmoment eingestellt bzw. überwacht werden. Zudem kann ein Anzeigemittel 151, beispielsweise in Form eines Displays oder Touchscreens, vorgesehen sein, um beispielsweise einen von einem Sensor erfassten Weg bzw. den zugehörigen aktuell eingestellten Hub anzuzeigen.
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Weiterhin kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, auf der beispielsweise ein Anwendungsprogramm hinterlegt ist und die die nötige Elektronik zum Betrieb der Schraubspindel aufweist. Bei dem Schraubsystem 100 kann es sich insbesondere um einen sog. messenden (und überwachenden) Schrauber handeln, d.h. es können beispielsweise Drehmomente bzw. Anzugsdrehmomente vorgegeben und überwacht, überprüft und/oder mitgeloggt werden, beispielsweise unter Verwendung des Messwertaufnehmers.
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Die Abtriebseinheit 200 weist hier einen Abtriebsadapter 210, eine Abtriebswelle 220, eine Hohlwelle 230 sowie ein Gehäuse 240 auf, mittels dessen sie z.B. an den Adapter 140 angekoppelt werden kann. Insbesondere erfolgt eine Ankopplung dabei derart, dass die Hohlwelle 230 rotatorisch angetrieben werden kann. Für eine nähere Erläuterung der Abtriebseinheit sei auf die noch folgenden Figuren und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Weiterhin ist ein Werkezeug 170, z.B. eine Schraubnuss, gezeigt, die auf den Abtriebsadapter 210 bzw. dort eine Abtriebsschnittstelle aufgesteckt werden kann, und die dazu dient, eine Schraube 180 einzudrehen.
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In 2 ist schematisch eine nicht erfindungsgemäße Abtriebseinheit 200' gezeigt, anhand welcher der Hintergrund der Erfindung erläutert werden soll. Grundsätzlich könnte auch die Abtriebseinheit 200' anstelle der Abtriebseinheit 200 bei dem Schraubsystem 100 gemäß 1 eingesetzt werden. Die Abtriebseinheit 200' weist eine Abtriebswelle 220', eine Hohlwelle 230 sowie ein Gehäuse 240 auf, mittels dessen sie z.B. an den Adapter 140 (vgl. 1) angekoppelt werden kann. Hierzu kann z.B. ein Flansch 242 dienen. Die Hohlwelle 230 weist eine Schnittstelle 232 auf, mit der die Abtriebseinheit 220' bzw. die Hohlwelle 230 drehmomentübertragend mit dem Schraubsystem bzw. dessen Antrieb verbunden werden kann.
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Weiterhin ist zu sehen, dass die Hohlwelle 230 die Abtriebswelle 220' umgibt. Die Abtriebswelle 220' ist z.B. als Keilwelle ausgebildet, sodass sie drehfest aber entlang der Rotationsachse A axial verschieblich in der Hohlwelle 230 gelagert ist. Eine Begrenzung der axialen Verschiebung kann z.B. durch einen Anschlag 226 sichergestellt werden. Während die Abtriebswelle 220' drehfest mit der Hohlwelle 230 verbunden ist, ist die Hohlwelle 230 drehbar im Gehäuse 240 gelagert.
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Weiterhin ist eine Druckfeder 222 vorgesehen, die in eine zentrale Öffnung bzw. Bohrung 224 der Abtriebswelle 220' - hier als Sackbohrung ausgeführt - eingebracht ist; die Druckfeder ist mit einem abtriebsseitigen Ende in der Sackbohrung abgestützt, mit einem antriebs- bzw. gehäuseseitigen Ende ist sie in der Hohlwelle 230 abgestützt.
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An dem abtriebsseitigen Ende ist an der Abtriebswelle 220' eine Schnittstelle 212' (Abtriebsschnittstelle) zum Ankoppeln eines Werkzeugs ausgebildet, wie auch in 1 angedeutet. Diese Abtriebsschnittstelle ist typischerweise der im Betrieb am stärksten beanspruchte Bereich der Abtriebswelle 220'; aufgrund der einteiligen Ausbildung muss jedoch die gesamte Abtriebswelle 220' hochfest hergestellt werden. Zudem muss, wie schon erwähnt, für jede gewünschte Form der Abtriebsschnittstelle eine eigene Abtriebswelle hergestellt werden.
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In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Abtriebseinheit 200 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Für den grundsätzlichen Aufbau, insbesondere hinsichtlich Hohlwelle 230 und Gehäuse (in 3 nicht gezeigt) kann auch auf 2 und Abtriebseinheit 200' verwiesen werden. Gleiche Komponenten sind hier auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Unterschied zur Abtriebseinheit 200' besteht nun darin, dass die Abtriebseinheit 200 eine Abtriebswelle 220 und einen Abtriebsadapter 210 aufweist, wobei der Abtriebsadapter 210 als von der Abtriebswelle 220 verschiedenes Bauteil ausgebildet und antriebsseitig mit der Abtriebswelle 220 drehfest verbunden ist. Der Abtriebsadapter 210 ist auf die Abtriebswelle 220 aufgebracht bzw. aufgeschoben; hierzu kann die Abtriebswelle antriebsseitig z.B. einen konischen Bereich bzw. eine konische Form 229 aufweisen, wie in der perspektiven Darstellung in 4 zu sehen.
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Hinter der konischen Form 229 (vom abtriebsseitigen Ende aus gesehen) ist eine Nut 228 eingebracht, in die ein Sicherungsring 216 eingebracht werden kann, wie in 3 zu sehen. Der Abtriebsadapter 210 weist einen Vorsprung 213 auf, der sich beim Aufschieben auf die Abtriebswelle 220 über den Sicherungsring 216 schiebt und danach einrastet bzw. verrastet. Auf diese Weise ist der Abtriebsadapter 210 gesichert und kann nur mittels eines Werkzeugs oder gewünschtenfalls gar nicht wieder abgenommen werden. Der Abtriebsadapter 210 kann antriebsseitig eine Art Mantel oder Schürze aufweisen, der bzw. die die Abtriebswelle umgreift; durch ein Profil, das mit dem Profil der Abtriebswelle 220 (vgl. Keilformen in 4) in Eingriff steht, kann (durch Formschluss) eine Drehfestigkeit erreicht werden.
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Weiterhin ist antriebsseitig am Abtriebsadapter 210 ein Anpassungselement 214, hier in Form einer Hülse, angebracht. An dieser liegt die Druckfeder 222 an, die im Übrigen durch eine als Durchgangsöffnung bzw. Durchgangsbohrung ausgebildete, zentrale Öffnung 224 in der Abtriebswelle 220 geführt ist. Durch gezielte Wahl einer Länge des Anpassungselements 214 (die Länge entlang der Rotationsachse A gemessen) kann eine gewünschte Vorspannung der Druckfeder 230 erreicht werden. Das Anpassungselement 214 kann integral mit dem Abtriebsadapter 210 ausgebildet sein oder auch separat davon und z.B. an diesen angeschraubt oder anderweitig daran befestigt sein.
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Weiterhin ist abtriebsseitig am Abtriebsadapter 210 eine Schnittstelle 212 (Abtriebsschnittstelle) zum Ankoppeln eines Werkzeugs ausgebildet, wie in 1 schon angedeutet. Die Art oder Form der Abtriebsschnittstelle 212 kann der Abtriebsschnittstelle 212' gemäß 2 entsprechen. Der Unterschied ist hier jedoch, dass die Abtriebsschnittstelle 212 nicht an der Abtriebswelle ausgebildet ist, sondern an dem separaten Abtriebsadapter 210.
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Die Abtriebsschnittstelle ist, wie erwähnt, typischerweise der im Betrieb am stärksten beanspruchte Bereich; aufgrund der mehrteiligen Ausbildung muss hier nur der Abtriebsadapter, nicht aber die Abtriebswelle 220 hochfest hergestellt werden. Zudem muss, wie schon erwähnt, für eine gewünschte Form der Abtriebsschnittstelle keine eigene Abtriebswelle hergestellt werden, sondern nur ein Abtriebsadapter.
