DE102022002785A1 - Screw assembly tool with magnetic sensor array for torsion measurement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug für die Schraubenmontage mit Messfunktionen. Dabei wird der Verdrehungswinkel der Schraube durch Torsion bei der Montage erfasst. Zur Messung wird mindestens ein Sensor-Array aus mehreren Magnetsensoren verwendet. Das Sensor-Array bietet den Vorteil, dass auch kleine Verdrehungswinkel genau zu bestimmen sind. Der Verdrehungswinkel wird insbesondere bei der Ermittlung der Vorspannkraft der Schraubverbindung berücksichtigt.The invention relates to a tool for screw assembly with measuring functions. The angle of rotation of the screw is recorded by torsion during assembly. At least one sensor array consisting of several magnetic sensors is used for the measurement. The sensor array offers the advantage that even small angles of rotation can be determined precisely. The angle of rotation is taken into account in particular when determining the preload force of the screw connection.

Description

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Die Erfindung betrifft Montagewerkzeuge für Schraubverbindungen mit Messfunktionen. Dabei wird der Verdrehungswinkel der Schraube durch Torsion bei der Montage mit mindestens einem magnetischen Sensor-Array messtechnisch erfasst, insbesondere um diese Messgröße bei der Ermittlung der Vorspannkraft der Schraubverbindung zu berücksichtigen.The invention relates to assembly tools for screw connections with measuring functions. The angle of rotation of the screw due to torsion during assembly is measured using at least one magnetic sensor array, in particular in order to take this measurement variable into account when determining the preload force of the screw connection.

Stand der TechnikState of the art

Zuverlässige Schraubverbindungen erfordern die sichere Einhaltung von technischen Parametern und Anwendungsvorschriften. Diese berücksichtigen das Material und die Dimensionen der Komponenten der Schraubverbindung sowie der zu verbindenden Bauteile. Weitere Bedingungen haben erheblichen Einfluss. Dazu gehören Fertigungstoleranzen, die Beschaffenheit der Oberflächen, Reibungsparameter, Temperaturausdehnung und Setzungserscheinungen.Reliable screw connections require reliable compliance with technical parameters and application regulations. These take into account the material and dimensions of the components of the screw connection and the components to be connected. Other conditions have a significant influence. These include manufacturing tolerances, the nature of the surfaces, friction parameters, temperature expansion and settlement phenomena.

Die von der Schraubverbindung zu verbindenden Bauteile werden nachfolgend Platten genannt. Der Begriff Platte steht stellvertretend für Maschinenelemente, Flansche, Träger, Bleche, Gussteile, Behälter, Anschlusskomponenten für elektrische Kontaktverschraubungen und alle weiteren Gegenstände und Objekte, die mit einer Schraubverbindungen verbunden werden.The components to be connected by the screw connection are hereinafter referred to as plates. The term plate represents machine elements, flanges, supports, sheets, castings, containers, connection components for electrical contact screw connections and all other items and objects that are connected with a screw connection.

In der Beschreibung wird zumeist die gewöhnliche Durchsteckschraubenverbindung erläutert und dargestellt. Sie besteht aus dem Schraubenkopf, dem zylindrischen Teil der Schrauben aus Schaft und Gewinde, der Mutter, mindestens zwei Platten und ggf. Scheiben. Diese Form ist stellvertretend gewählt, weil eine prägnante Erklärung angestrebt wird. Mit Wahl der Durchsteckschraubenverbindung wird keine Einschränkung der Lösung für andere Formen von Schraubverbindungen beabsichtigt, in welcher die vorgenannten Komponenten entfallen oder ersetzt werden. Es ist für qualifizierte Personen naheliegend, die erfindungsgemäße Lösung auf abweichende Schraubverbindungen anzuwenden. Sinngemäß gilt diese Bemerkung auch für die dargestellten Montagewerkzeuge.The description usually explains and shows the usual through-bolt connection. It consists of the screw head, the cylindrical part of the screws consisting of the shaft and thread, the nut, at least two plates and possibly washers. This form was chosen as a representative because a concise explanation is sought. The choice of the through-bolt connection does not intend to limit the solution for other forms of screw connections in which the aforementioned components are omitted or replaced. It is obvious for qualified persons to apply the solution according to the invention to different screw connections. This remark also applies to the assembly tools shown.

Für den Montagevorgang von Schraubverbindungen sind eine Reihe von messtechnischen Methoden bekannt. Beobachtet werden dabei mehrere physikalische Größen:A number of measurement methods are known for the assembly process of screw connections. Several physical quantities are observed:

Das Anziehmoment M_A ist die am häufigsten erfasste primäre Messgröße. Es ist das Drehmoment, welches das Montagewerkzeug am Schraubenkopf und/oder an der Mutter von einem manuellen oder maschinellen Antrieb abnimmt und an die Schraubverbindung weitergibt. Das Anziehmoment wird als primäre Messgröße mit geeigneten Mitteln am Schraubwerkzeug erfasst, angezeigt und aufgezeichnet. Einige Schraubwerkzeuge steuern und begrenzen das Anziehmoment. In anderen Lösungen wird nur das Überschreiten eines Drehmoment-Schwellwerts an den Bediener signalisiert. Sehr verbreitet sind Drehmomentschlüssel, welche das Überscheiten eines einstellbaren Drehmomentes haptisch und akustisch bemerkbar machen. Die gewünschte Montagevorspannkraft lässt sich durch die Begrenzung eines vorgegebenen Anziehmoments bei der Montage einstellen.
Die Montagevorspannkraft ist nach dem Montagevorgang eine statische Größe, wenn Setzungserscheinungen und Betriebskräfte zunächst nicht berücksichtigt werden sollen. Hingegen wirkt das Anziehmoment nur kurzzeitig. Während des Anziehvorgangs hat es einen dynamischen Verlauf, der in der Regel eine kontinuierliche Steigerung aufweist. Häufig wird nur das maximale Anziehmoment genannt, das am Ende des Verlaufs auftritt.The tightening torque M _A is the most frequently recorded primary measurement variable. It is the torque that the assembly tool takes from the screw head and/or the nut from a manual or machine drive and passes it on to the screw connection. The tightening torque is recorded, displayed and recorded as the primary measurement variable using suitable means on the screwing tool. Some screwdrivers control and limit the tightening torque. In other solutions, only the exceeding of a torque threshold value is signaled to the operator. Torque wrenches that make the exceeding of an adjustable torque tactilely and acoustically noticeable are very common. The desired assembly preload force can be adjusted by limiting a specified tightening torque during assembly.
The assembly prestressing force is a static quantity after the assembly process if settlement phenomena and operating forces should not be taken into account initially. On the other hand, the tightening torque only has a short-term effect. During the tightening process it has a dynamic progression that usually shows a continuous increase. Often only the maximum tightening torque that occurs at the end of the course is mentioned.

Vom Anziehmoment kann jedoch nur mit einer eingeschränkten Genauigkeit auf die Vorspannkraft als wichtigste Zustandsgröße geschlossen werden. Diese Einschränkung lässt sich wie folgt begründen: Das Anziehmoment M_A setzt sich aus dem Gewindemoment M_G und dem Kopfreibungsmoment M_K der Auflagefläche des Schraubenkopfes oder der Mutter zusammen. In beiden Momenten hat die Reibung einen entscheidenden Einfluss. Dieser wird durch die Reibzahlen für den Schraubenkopf µ_K und für das Gewinde µ_G quantifiziert. Diese Werte sind im Wesentlichen von den Oberflächeneigenschaften abhängig. Unter anderem sind die Oberflächenrauigkeit, die Beschichtungen, vorhandene Schmierstoffe, Verschleiß und Korrosion zu berücksichtigen. Die Oberflächeneigenschaften variieren zwischen einzelnen Schraubverbindungen deutlich. Die Reibzahlen liegen dabei in einem weiten Bereich von 0,04 bis ≥ 0,3, meist jedoch im engeren Bereich von 0,08 bis 0,16. Die Reibzahlen sind nur mit Labormitteln genauer zu bestimmen. Praktisch ist man auf eine sehr grobe Abschätzung der Werte für µ_K und µ_G angewiesen. Daher wird häufig eine grobe Einteilung in fünf Kategorien genutzt, die überlappende Bereiche der Reibzahlen beschreiben. Eine weitere Unsicherheit entsteht dadurch, dass die Reibungszahlen µ_K und µ_G voneinander abweichen können.However, the preload force as the most important state variable can only be deduced from the tightening torque with limited accuracy. This restriction can be justified as follows: The tightening torque M _A is composed of the thread torque M _G and the head friction torque M _K of the contact surface of the screw head or nut. In both moments, friction has a decisive influence. This is quantified by the coefficients of friction for the screw head µ _K and for the thread µ _G. These values essentially depend on the surface properties. Among other things, surface roughness, coatings, existing lubricants, wear and corrosion must be taken into account. The surface properties vary significantly between individual screw connections. The coefficients of friction lie in a wide range from 0.04 to ≥ 0.3, but usually in the narrower range of 0.08 to 0.16. The coefficients of friction can only be determined more precisely using laboratory means. In practice, one has to rely on a very rough estimate of the values for µ _K and µ _G. Therefore, a rough division into five categories is often used, which describe overlapping ranges of friction coefficients. A further uncertainty arises from the fact that the friction coefficients µ _K and µ _G can differ from one another.

Letztlich entstehen auch durch die manuelle und damit nur eingeschränkt reproduzierbare Benutzung der Drehmomentschlüssel weitere erhebliche Fehler bei der Ermittlung der Vorspannkraft. Es ist als Nachteil der drehmomentmessenden Montage bekannt, dass die Unsicherheit der effektiven Vorspannkraft eine großzügige Toleranzfestlegung bei der konstruktiven Auslegung der Schraubverbindung erforderlich macht. Das wird häufig durch eine Überdimensionierung mit einer Sicherheitsmarge gelöst.Ultimately, the manual and therefore only limited reproducible use of the torque wrench results in further significant errors in determining the preload force. A known disadvantage of torque measuring assembly is the uncertainty of the effective torque clamping force requires a generous tolerance setting when designing the screw connection. This is often solved by oversizing with a safety margin.

Der Drehwinkel der Mutter oder des Schraubenkopfs wird ebenfalls als primäre Messgröße erfasst und ausgewertet. Dieser Drehwinkel wird in der Fachliteratur auch äußere Verdrehung genannt. Der Verdrehungswinkel des zylindrischen Teils der Schraube, bestehend aus Schaft und Gewinde, entsteht durch Torsion und wird als innere Verdrehung bezeichnet. Die Messung des Drehwinkels erfolgt mit Vorrichtungen, welche in oder an den Schraubwerkzeugen platziert sind. Der Drehwinkel liefert eine primäre Messgröße. Über die Gewindesteigung kann zunächst auf die Längenänderung des Schraube und letztlich auf die Vorspannkraft geschlossen werden, wenn eine Verformung der Platten und der Scheiben vernachlässigt werden kann.The angle of rotation of the nut or screw head is also recorded and evaluated as a primary measurement variable. This angle of rotation is also called external rotation in the specialist literature. The angle of twist of the cylindrical part of the screw, consisting of the shaft and thread, is caused by torsion and is called internal twist. The angle of rotation is measured using devices that are placed in or on the screwing tools. The angle of rotation provides a primary measurement variable. The thread pitch can first be used to determine the change in length of the screw and ultimately the preload force if deformation of the plates and washers can be neglected.

In der Praxis ist es häufig schwierig, ein Bezugssystem für den Drehwinkel herzustellen. Dazu wird es bei mechanischen Messmitteln oft erforderlich, eine zusätzliche Fixierung an den zu verbindenden Werkstücken anzubringen. Um dies zu vermeiden, wird in elektronisch messenden Systemen häufig ein miniaturisiertes Inertialsystem mit Beschleunigungssensoren im Werkzeug eingesetzt. Für manuelle Werkzeuge ist dessen Genauigkeit typischerweise auf einige Grad begrenzt. Bei der Handhabung ergeben sich weitere Fehlerquellen durch geometrische Ablagen und ungünstige Ausrichtungen, beispielsweise durch Verkippungen aus der zentralen Achse der Schraubverbindung. Die elektronische Drehwinkelerfassung erfolgt oft gemeinsam mit dem Anziehmoment und mit einer angeschlossenen datentechnischen Aufzeichnung. Für die zusammenfassende Umrechnung in die Vorspannkraft und weitere Zustandsbewertungen sind eine Reihe von Verfahren bekannt, welche die beiden Messgrößen Drehwinkel und Anziehmoment kombinieren sowie deren zeitlichen Verlauf auswerten. Dennoch verbleibt ein nicht erwünschter Unsicherheitsbereich für die so ermittelte Vorspannkraft.In practice it is often difficult to establish a reference system for the angle of rotation. For this purpose, with mechanical measuring equipment it is often necessary to attach an additional fixation to the workpieces to be connected. To avoid this, a miniaturized inertial system with acceleration sensors in the tool is often used in electronic measuring systems. For manual tools, its accuracy is typically limited to a few degrees. During handling, further sources of error arise from geometric positions and unfavorable alignments, for example due to tilting from the central axis of the screw connection. The electronic detection of the angle of rotation often takes place together with the tightening torque and with a connected data recording. For the summary conversion into the preload force and further condition assessments, a number of methods are known which combine the two measured variables of rotation angle and tightening torque and evaluate their progression over time. However, an undesirable uncertainty range remains for the preload force determined in this way.

Die Messung der Längenänderung der Schraube im Bereich der Klemmlänge ist mit Messschrauben möglich. Als mechanische Lösung kann eine spezielle Messschraube verwendet werden, die über einen internen Stift verfügt, der kraftfrei verbleibt. Dieser Stift wird als Visual Tension Indicator bezeichnet und verändert seine Länge nicht. Damit ist die Längendifferenz zur sich dehnenden Schraube ermittelbar. Der Nachteil ist, dass der Aufbau der Messschraube vom Standard abweicht und die Struktur teilweise geschwächt wird. Die Messschraube ist aufwändiger in der Herstellung als Standardschrauben. Zudem ist die Längendifferenz sehr klein und nur grob visuell auswertbar.
Bei gewöhnlichen Schrauben kann die Längenänderung ebenfalls bestimmt werden, um zur Vorspannkraft zu gelangen. Dafür sind Verfahren und Geräte bekannt, welche durch die Laufzeitmessung mittels Ultraschall eine Veränderung messen, wie zum Beispiel die Abstandsänderung zwischen den reflektierenden Enden der Schraube. Die Systeme der Ultraschallmesstechnik sind meist kostenaufwändig und während der Montage nicht immer einsetzbar.Measuring the change in length of the screw in the area of the clamping length is possible with micrometer screws. As a mechanical solution, a special micrometer can be used, which has an internal pin that remains force-free. This pen is called a Visual Tension Indicator and does not change its length. This allows the difference in length to the stretching screw to be determined. The disadvantage is that the structure of the micrometer deviates from the standard and the structure is partially weakened. The micrometer screw is more complex to manufacture than standard screws. In addition, the difference in length is very small and can only be roughly evaluated visually.
For ordinary screws, the change in length can also be determined to arrive at the preload force. Methods and devices are known for this purpose which measure a change by measuring the transit time using ultrasound, such as the change in distance between the reflective ends of the screw. Ultrasonic measurement systems are usually expensive and cannot always be used during assembly.

Die weitgehend direkte Messung der Vorspannkraft ist nur mit zusätzlichen Hilfsmitteln möglich, die mit der Schraubverbindung fest verbunden sind.The largely direct measurement of the preload force is only possible with additional aids that are firmly connected to the screw connection.

Für Prüfstände und bei wenigen Sonderfällen kann für die direkte Messung der Vorspannkraft ein Ringkraftsensor eingesetzt werden. Dieser wird als zusätzliche Komponente in die Schraubverbindung eingebracht und muss bei einer dauerhaften Montage in der Verbindung verbleiben. Die Ringkraftsensoren nutzen hydraulische Kraftmessungen, Dehnungsmessstreifen oder den Piezoeffekt. Mit diesen Sensoren wird die Klemmlänge ungewollt vergrößert. Ein dauerhafter Verbleib eines Ringkraftsensors ist nur für den Laborbetrieb geeignet. Die genannten Verfahren zur direkten Messung der Vorspannkraft sind aufwändig.For test benches and in a few special cases, a ring force sensor can be used to directly measure the preload force. This is inserted into the screw connection as an additional component and must remain in the connection during permanent assembly. The ring force sensors use hydraulic force measurements, strain gauges or the piezo effect. With these sensors, the clamping length is unintentionally increased. Leaving a ring force sensor permanently is only suitable for laboratory use. The methods mentioned for directly measuring the preload force are complex.

Zum Stand der Technik für die Messtechnik bei Schraubverbindungen und bei der Schraubenmontage finden sich weitere Erklärungen in der Fachliteratur:

• - Verein Deutscher Ingenieure: Richtlinie VDI 2230 - Systematische Berechnung hoch beanspruchter Schraubenverbindungen, 2015.
• - Wiegand, H., et al.: Schraubenverbindungen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007
• - Meyer-Eschenbach, A. et al.: Schraubenverbindungen, Vogel Business Media, 2022

Further explanations of the state of the art for measurement technology for screw connections and screw assembly can be found in the specialist literature:

• - Association of German Engineers: Guideline VDI 2230 - Systematic calculation of highly stressed screw connections, 2015.
• - Wiegand, H., et al.: Screw connections, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007
• - Meyer-Eschenbach, A. et al.: Screw connections, Vogel Business Media, 2022

Das Patentschrifttum zur Messtechnik an Schraubverbindungen und bei der Schraubenmontage ist umfangreich. So finden sich zahlreiche Lösungen, die ein indirektes Verfahren zur Ermittlung der Vorspannkraft mit Ultraschall benutzen ( DE 4017726 C2 , DE19948501A1 , DE 102018220915 A1 , DE 102004038638 B3 , EP 0589271 A1 , EP 0672090 B1 u.a.). Weitere Lösungsvorschläge ( DE 102007059929 A1 , DE 102015213760 A1 u.a.) messen den Drehwinkel bei der Montage am Werkzeugantrieb oder für das Gesamtwerkzeug. Dabei wird der Drehwinkel der Schraube und/oder der Mutter als äußere Verdrehung bestimmt. Mit den vorgeschlagenen Lösungen wird jedoch keine Bestimmung des Torsionswinkel (nachfolgende auch innerer Verdrehungswinkel) ermöglicht. Über den Werkzeugantrieb ist dieser Torsionswinkel nicht beobachtbar. Gleiches gilt, wenn die Winkelposition des Gesamtwerkzeugs bestimmt wird.The patent literature on measurement technology for screw connections and screw assembly is extensive. There are numerous solutions that use an indirect method to determine the preload force with ultrasound ( DE 4017726 C2 , DE19948501A1 , DE 102018220915 A1 , DE 102004038638 B3 , EP 0589271 A1 , EP 0672090 B1 etc.). Further suggested solutions ( DE 102007059929 A1 , DE 102015213760 A1 among others) measure the angle of rotation during assembly on the tool drive or for the entire tool. The angle of rotation of the screw and/or nut is determined as external rotation. However, the proposed solutions do not make it possible to determine the torsion angle (hereinafter also the internal twist angle). This torsion angle cannot be observed via the tool drive. The same applies if the angular position of the overall tool is determined.

Eine Gebrauchsmusterschrift ( DE202022100423U1 ) schlägt eine Lösung für ein Handwerkzeug vor, in welcher ein elektronischer Kompass den Azimut des Erdmagnetfelds für die Drehwinkelmessung bestimmt. Zudem wird ein Neigungswinkel des Werkzeugstiels eingerechnet. Das unterscheidet sich prinzipiell von dem erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag. Die erfindungsgemäße Lösung misst kein Erdmagnetfeld, sie braucht keinen Neigungswinkel zu berücksichtigen und beschränkt sich nicht auf Handwerkzeuge. Der Einsatz von Sensor-Arrays in den erfindungsgemäßen Lösungen ermöglicht weitergehende Verfahren der Signalverarbeitung und Auswertung, die auf räumlicher verteilter Erfassung des Magnetfeldes beruhen. Dazu gehören u.a. die Störfeldunterdrückung, die Messfehlerkompensation und die Separierung von Quellen, wie später erläutert. Grundsätzlich werden diese weitergehenden Verfahren weder von einem Kompass noch von einem einzelnen Sensor unterstützt. Der grundsätzliche Unterschied für Messgrößen an der Schraubverbindung ist, dass die Gebrauchsmusterschrift sich auf die Drehwinkel der Schraube oder der Mutter (sog. äußere Verdrehung) beschränkt. Die Gebrauchsmusterschrift sieht keine Winkelmessung der Verdrehung in Folge der Torsion vor, welche auch mit den genutzten Mitteln nicht erfassbar wäre.A utility model specification ( DE202022100423U1 ) proposes a solution for a hand tool in which an electronic compass determines the azimuth of the earth's magnetic field for rotation angle measurement. In addition, an angle of inclination of the tool handle is taken into account. This differs in principle from the proposed solution according to the invention. The solution according to the invention does not measure any earth's magnetic field, it does not need to take into account any angle of inclination and is not limited to hand tools. The use of sensor arrays in the solutions according to the invention enables further methods of signal processing and evaluation that are based on spatially distributed detection of the magnetic field. These include interference field suppression, measurement error compensation and source separation, as explained later. In principle, these more advanced procedures are not supported by a compass or a single sensor. The fundamental difference for measured variables on the screw connection is that the utility model specification is limited to the angle of rotation of the screw or nut (so-called external rotation). The utility model specification does not provide for any angle measurement of the rotation as a result of the torsion, which would not be detectable even with the means used.

Einige Patentschriften ( DE 102016218017 B3 , DE 102013219079 A1 , EP 0609463 A1 , EP 2216702 A1 u.a.) schlagen Lösungen für verschiedene Maschinenelemente vor, welche magnetostriktive Effekte erfassen und auswerten. Magnetostriktive Effekte basieren auf Deformationen und Veränderungen durch die innere Materialspannungen von Teilen der Maschinenelemente. Die davon verursachten Magnetfeldänderungen werden messtechnisch mit Sensoren oder durch Induktion beobachtet. Wesentlich ist, dass die Magnetfeldänderungen durch Verformung des Bauteils unmittelbar entstehen. Sie gehen von dem verformten Material in den relevanten Bereichen der Bauteile selbst aus. Um das praktisch zu unterstützen, werden besondere Maßnahmen wie Legierungen, Oberflächenbeschichtungen oder -strukturierungen vorgeschlagen.
Die erfindungsgemäße Lösung benutzt das physikalische Prinzip der Magnetostriktion nicht, stattdessen werden separate zusätzliche Magnetfeldquellen (Encodermagneten, Magnetringanordnungen) eingesetzt. Diese externen Feldquellen werden außerhalb des verdrehten bzw. verspannten Materials platziert. Damit müssen auch keine den magnetostriktiven Effekt fördernden Maßnahmen, wie Material- oder Oberflächenveränderungen, an der Schraube, der Mutter oder den Platten getroffen werden.Some patent documents ( DE 102016218017 B3 , DE 102013219079 A1 , EP 0609463 A1 , EP 2216702 A1 etc.) propose solutions for various machine elements that record and evaluate magnetostrictive effects. Magnetostrictive effects are based on deformations and changes caused by the internal material stresses of parts of the machine elements. The magnetic field changes caused by this are observed using measurements with sensors or by induction. It is important that the magnetic field changes arise directly from deformation of the component. They start from the deformed material in the relevant areas of the components themselves. To support this in practice, special measures such as alloys, surface coatings or structures are suggested.
The solution according to the invention does not use the physical principle of magnetostriction; instead, separate additional magnetic field sources (encoder magnets, magnetic ring arrangements) are used. These external field sources are placed outside the twisted or strained material. This means that no measures that promote the magnetostrictive effect, such as material or surface changes, need to be taken on the screw, nut or plates.

Die Patentschrift CN110273909A schlägt eine Lösung zur kontinuierlichen Überwachung der Schraubendrehung während der Nutzung der Schraubverbindung vor. Dabei soll das unbeabsichtigte Lösen der Verbindung durch Losdrehen erkannt werden. Dazu wird ein einzelner magnetischer Sensor verwendet, der über ein Verbindungsstück an der Mutter befestigt wird. Dieser Sensor detektiert das Feld eines Magneten an der Schraubenspitze.The patent specification CN110273909A proposes a solution to continuously monitor screw rotation during use of the screw connection. The aim is to detect the unintentional loosening of the connection by unscrewing it. This uses a single magnetic sensor that is attached to the nut via a connector. This sensor detects the field of a magnet at the tip of the screw.

Bei der genannten Patentschrift und der Erfindung liegen grundsätzlich unterschiedliche Größen für die Überwachung bzw. als Messgrößen zugrunde. In der vorgenannten Patentschrift wird als Überwachungsgröße das Auftreten eines veränderten Drehwinkels zwischen Schraube und Mutter detektiert. Die Messgröße des Verdrehungswinkels durch Torsion, welche das Grundkonzept der vorliegenden Erfindung darstellt, wird dort nicht erfasst. Dies steht im Gegensatz zum Grundkonzept der vorliegenden Erfindung.
Die Anordnung der vorgenannten Patentschrift wäre für diese Messgröße nicht geeignet. Mit dem dortigen Sensor kann nur der Drehwinkel zwischen Mutter und Schraubenende erfasst werden. Der Verdrehungswinkel durch Torsion, welcher zwischen Schraubenkopf und der Mutter (im Wesentlichen über die Klemmlänge) entsteht, kann jedoch grundsätzlich nicht erfasst werden, weil ein Bezugsystem zum kopfseitigen Ende der Klemmlänge fehlt. Hierfür wäre an diesem Ende die Winkelposition des Schraubenkopfes zu bestimmen, dazu gibt es kein technisches Mittel gemäß der vorliegenden Patentschrift. Wie bei den zuvor genannten Verfahren, die auf dem Drehwinkel basieren, verbleibt die besondere Aufgabe, mit praktisch geeigneten Mitteln zu einem Bezugsystem zu kommen, auch hier noch ungelöst.The patent specification and the invention are based on fundamentally different variables for monitoring or as measured variables. In the aforementioned patent, the occurrence of a changed angle of rotation between screw and nut is detected as a monitoring variable. The measurement variable of the angle of rotation due to torsion, which represents the basic concept of the present invention, is not recorded there. This is contrary to the basic concept of the present invention.
The arrangement of the aforementioned patent specification would not be suitable for this measurement. The sensor there can only detect the angle of rotation between the nut and the end of the screw. However, the angle of rotation caused by torsion, which arises between the screw head and the nut (essentially over the clamping length), cannot fundamentally be recorded because there is no reference system for the head end of the clamping length. For this purpose, the angular position of the screw head would have to be determined at this end; there is no technical means for this according to the present patent. As with the previously mentioned methods, which are based on the angle of rotation, the special task of arriving at a reference system using practically suitable means remains unsolved here too.

Weiterhin ist in der Aufgabenstellung zu unterscheiden. Die in der vorgenannten Patentschrift dargestellten Anordnungen werden nicht als Teil eines Montagewerkzeuges oder in Verbindung mit einem solchen eingesetzt. Die dortige Sensorik wird mit dem Verbindungsstück erst nach der abgeschlossenen Montage aufgesetzt, um dort zu verbleiben und über eine lange Zeit Daten an ein getrenntes Monitoringsystem zu liefern.
Das unterscheidet von der Erfindung, welche als Ziel eine im Schraubwerkzeug integrierte Messfunktion als Aufgabenstellung hat. Dem entsprechend soll als Ergebniswert die momentane Montagevorspannkraft während der Montage bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Lösung wird als Teil des Schraubwerkzeugs während der kurzen Zeit der Montage verwendet. Als Teil des Schraubwerkzeugs verbleibt sie in der Regel nicht an einer einzelnen Schraubverbindung, sondern wird vielfach erneut verwendet. Die Sensorik gemäß der vorgenannten Patentschrift umfasst lediglich einen einzelnen magnetischen Sensor und nennt speziell einen TMR- oder GMR-Sensor.Furthermore, a distinction must be made in the task. The arrangements shown in the aforementioned patent specification are not used as part of an assembly tool or in conjunction with one. The sensor system there is only put on with the connector after assembly has been completed in order to remain there and deliver data to a separate monitoring system over a long period of time.
This differs from the invention, which has as its goal a measuring function integrated in the screwing tool. Accordingly, the current assembly preload force during assembly should be determined as the result value. The solution according to the invention is used as part of the screwing tool during the short assembly time. As part of the screwing tool, it usually does not remain on a single one Screw connection, but is often reused. The sensor system according to the aforementioned patent includes only a single magnetic sensor and specifically mentions a TMR or GMR sensor.

Es sind bisher keine messtechnischen Lösungen im Bereich der Schraubwerkzeuge allgemein bekannt, welche magnetische Sensor-Arrays mit ihren Vorteilen nutzen würden, so wie es die Erfindung vorschlägt.To date, there are no metrological solutions generally known in the field of screwing tools that would use magnetic sensor arrays with their advantages, as proposed by the invention.

Aufgabenstellung für die ErfindungTask for the invention

In Kenntnis des Standes der Technik und der Nachteile bisheriger Verfahren, stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine weitere Messgröße zu verwenden. Sie soll für die Zustandsbeurteilung ergänzend bereitgestellt werden, insbesondere soll diese weitere Messgröße der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der ermittelten Vorspannkraft zugutekommen. Damit soll einerseits die Messunsicherheit der Vorspannkraft bei den herkömmlichen Verfahren, welche die primären Messgrößen des Drehwinkels und des Drehmoments nutzen, verringert werden. Andererseits sollen die Nachteile der direkten Verfahren vermieden werden. Insbesondere soll die Lösung ohne Veränderung der üblichen Schraubverbindungen (Messschrauben, Kraftmessringe u.a.) auskommen und sich damit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eignen.Knowing the state of the art and the disadvantages of previous methods, the invention sets itself the task of using a further measurement variable. It should be provided in addition to the condition assessment; in particular, this additional measurement should benefit the accuracy and reliability of the preload force determined. On the one hand, this is intended to reduce the measurement uncertainty of the preload force in conventional methods that use the primary measurement variables of the angle of rotation and the torque. On the other hand, the disadvantages of direct procedures should be avoided. In particular, the solution should work without changing the usual screw connections (micrometer screws, force measuring rings, etc.) and should therefore be suitable for a variety of applications.

Grundkonzept der ErfindungBasic concept of the invention

Es wird folgendes Lösungskonzept vorgeschlagen: Der zylindrische Teil der Schraube wird dabei im Bereich der Klemmlänge als Torsionsstab betrachtet. Ein Torsionsstab wird auch Drehstabfeder genannt.The following solution concept is proposed: The cylindrical part of the screw is viewed as a torsion bar in the area of the clamping length. A torsion bar is also called a torsion bar spring.

Durch das Anziehmoment, welches allgemein am Schraubenkopf oder der Mutter eingeleitet wird, entsteht bei der Montage neben der Längenänderung auch eine axiale Verdrehung (Torsion) im zylindrischen Teil der Schraube. Für den Torsionsstab ist bekannt: Im elastischen Bereich ist der Verdrehungswinkel dem die Feder spannenden Drehmoment proportional. Dieses Drehmoment, das auch Gewindemoment genannt wird, wird bei der Montage der Schraubverbindung eingebracht. Weiterhin entsteht eine axiale Kraftwirkung in Folge der Gewindesteigung der Schraube, dieses ist die Vorspannkraft. Der Verdrehungswinkel durch Torsion wird bei der Schraubverbindung auch innerer Verdrehungswinkel genannt.The tightening torque, which is generally applied to the screw head or nut, results in an axial rotation (torsion) in the cylindrical part of the screw during assembly, in addition to the change in length. It is known for the torsion bar: In the elastic range, the angle of twist is proportional to the torque tensioning the spring. This torque, which is also called thread torque, is introduced when assembling the screw connection. Furthermore, an axial force effect arises as a result of the thread pitch of the screw, this is the preload force. The angle of rotation caused by torsion is also called the internal angle of rotation in a screw connection.

Bei sehr genauer Betrachtung kommt zur Torsion über die Klemmlänge noch ein kleinerer Einfluss hinzu, welcher verteilt im Bereich der ersten belasteten Gewindegänge innerhalb der Mutter wirkt. Das bei der Messung verbleibende Spiel im Gewinde und zu den Werkzeugen wird durch das bereits anliegende, zunehmende Drehmoment und sich aufbauende Vorspannkraft nahezu wegfallen. Eine sehr geringe Verformung im Bereich des Schraubenkopfes mag vernachlässigbar sein. Gleiches gilt für geringe Verformungen der Platten und ggf. der Scheiben. Sollten in besonderen Fällen derartige Effekte nicht vernachlässigbar sein, steht dies den vorgeschlagenen Lösungen nicht grundsätzlich entgegen, sondern ist durch Berechnung oder Vorversuche zu berücksichtigen.If you look very closely, there is a smaller influence in addition to the torsion over the clamping length, which is distributed in the area of the first loaded threads within the nut. The play remaining in the thread and in the tools during the measurement will almost disappear due to the increasing torque already applied and the preload force that builds up. A very slight deformation in the area of the screw head may be negligible. The same applies to minor deformations of the plates and possibly the panes. If such effects are not negligible in special cases, this does not fundamentally contradict the proposed solutions, but must be taken into account through calculations or preliminary tests.

Die Erfindung stellt sich das Ziel, den inneren Verdrehungswinkel des zylindrischen Teils der Schraube - entsprechend einem Torsionsstab - als primäre Messgröße zu nutzen, und nennt vorteilhafte technische Lösungswege dafür. Durch Berechnung, Simulation sowie durch messtechnische Versuchsreihen kann gezeigt werden, dass zwischen der gesuchten Vorspannkraft und dem inneren Verdrehungswinkel ein positiver und in weiten Bereichen sogar nahezu linearer Zusammenhang besteht, der messtechnisch nutzbar wäre. Wenn es nun hinreichend genau gelingt, den inneren Verdrehungswinkel zu erfassen, kann die Vorspannkraft ähnlich genau als gewünschte, finale Messgröße bestimmt werden.The aim of the invention is to use the internal angle of rotation of the cylindrical part of the screw - corresponding to a torsion bar - as the primary measurement variable, and names advantageous technical solutions for this. Through calculation, simulation and series of measurement tests it can be shown that there is a positive and, in large areas, almost linear relationship between the desired preload force and the internal twist angle, which could be used for measurement purposes. If it is now possible to detect the internal twist angle with sufficient accuracy, the preload force can be determined with similar precision as the desired, final measurement variable.

Geeigneter Winkelsensor - aber zu große MessfehlerSuitable angle sensor - but measurement errors too large

Bei gewöhnlichen Werkstoffen, Dimensionen und Drehmomenten der Schraubverbindungen ist der innere Verdrehungswinkel nur klein. Deswegen wären die bekannten Messmittel dafür entweder zu ungenau oder aber für die praktische Verwendung sehr aufwändig. Die Verwendung dieser Messgröße ist bei Werkzeugen für die praktische Montageanwendung bisher nicht verbreitet.With common materials, dimensions and torques of the screw connections, the internal twist angle is only small. Therefore, the known measuring devices would either be too imprecise or would be very complex for practical use. The use of this measurement variable has not yet been widespread in tools for practical assembly applications.

Daher stellt sich die technische Aufgabe der Erfindung, ein Messmittel zu schaffen, das hinreichend genaue Winkelmessungen erlaubt und dennoch für den Anwendungsfall der praktischen Schraubenmontage wenig Aufwand erfordert.
Für ein Montagewerkzeug erscheint ein berührungsloses Messprinzip besonders gut geeignet. Viele magnetische Messverfahren können ohne mechanischen Kontakt mit einem gewissen Abstand arbeiten. Mit einigen kann die Winkelposition über die Ausrichtung eines Magnetfeldes erfasst werden. Ein allseits bekanntes Beispiel dafür ist der Magnetkompass.Therefore, the technical task of the invention is to create a measuring device that allows sufficiently precise angle measurements and yet requires little effort for the practical screw assembly application.
A non-contact measuring principle appears to be particularly suitable for an assembly tool. Many magnetic measuring methods can work at a certain distance without mechanical contact. With some, the angular position can be detected via the orientation of a magnetic field. A well-known example of this is the magnetic compass.

Als Winkelsensor wird eine mikroelektronische Komponente mit einer dem Kompass etwa vergleichbaren Aufgabe bezeichnet. Typischerweise geben Winkelsensoren mit ihren elektronischen Ausgangssignalen die zwei- oder dreidimensionale Vektorkomponenten der Richtung des Magnetfeldes am Ort des Sensors aus. Im zweidimensionalen Fall ist die Bezeichung Sinus- und Cosinus-Signal gebräuchlich, welche einen zu messenden Winkel in der Bezugsebene des Sensors repräsentieren. Einige Sensortypen können neben Richtung auch die Feldstärke der jeweiligen Vektorkomponente ermitteln, beispielsweise in bestimmten Feldstärkebereichen unterhalb einer Sättigungsschwelle. Im Gegensatz zum Kompass wird bei Winkelsensoren in der mechatronischen Anwendung nicht das Erdmagnetfeld, sondern das Magnetfeld eines Encodermagneten erfasst. Dieser Magnet wird auch als Gebermagnet bezeichnet. Typischerweise wird ein Permanentmagnet eingesetzt. Im Nahbereich ist die Feldstärke dieser Feldquelle um mehrere Größenordnungen höher als der Einfluss aus der Umgebung.An angle sensor is a microelectronic component with a task roughly comparable to that of a compass. Typically, angle sensors use their electronic output signals to output the two- or three-dimensional vector components of the direction of the magnetic field at the location of the sensor. In the two-dimensional case is The term sine and cosine signals are used, which represent an angle to be measured in the reference plane of the sensor. In addition to the direction, some sensor types can also determine the field strength of the respective vector component, for example in certain field strength ranges below a saturation threshold. In contrast to the compass, angle sensors in mechatronic applications do not record the earth's magnetic field, but rather the magnetic field of an encoder magnet. This magnet is also known as a donor magnet. Typically a permanent magnet is used. At close range, the field strength of this field source is several orders of magnitude higher than the influence from the environment.

Magnetische Winkelsensoren sind als mikroelektronische Bauelemente kostengünstig verfügbar. Sie sind zudem sehr robust, andererseits gelten sie jedoch nicht als hochgenau. Die Robustheit kommt der Verwendung im Schraubwerkzeug entgegen, die Genauigkeit soll im Folgenden betrachtet werden.Magnetic angle sensors are available inexpensively as microelectronic components. They are also very robust, but on the other hand they are not considered to be highly accurate. The robustness is ideal for use in screwdriving tools; the accuracy will be considered below.

Winkelsensoren nutzen verschiedene physikalische Prinzipen, insbesondere den Halleffekt oder magnetoresistive Wirkungen, um Vektorkomponenten eines Magnetfeldes in elektrische Signale umzusetzen. Als Messgröße wird ein Winkel als Teil der Lagebeziehung zwischen diesem Encodermagneten und dem Winkelsensor bestimmt. Der Winkel wird um eine Drehachse definiert, die senkrecht auf der Chipfläche steht. Die Sensor-Hersteller spezifizieren dafür häufig minimale Winkelabweichungen im Bereich von 0,5 bis 1 Grad. Um diese Werte zu erreichen, sind sehr präzise Einbaulagen mit guter Symmetrie und fehlerfreier Achsenlage gegenüber dem Encodermagneten erforderlich. Diese Präzision ist für übliche Schraubwerkzeuge schwer umzusetzen.Angle sensors use various physical principles, in particular the Hall effect or magnetoresistive effects, to convert vector components of a magnetic field into electrical signals. An angle is determined as a measurement variable as part of the positional relationship between this encoder magnet and the angle sensor. The angle is defined around an axis of rotation that is perpendicular to the chip surface. Sensor manufacturers often specify minimal angular deviations in the range of 0.5 to 1 degree. In order to achieve these values, very precise installation positions with good symmetry and error-free axis position relative to the encoder magnet are required. This precision is difficult to achieve with conventional screwing tools.

Für minimale Winkelabweichungen sind auch präzise Aufmagnetisierungen des Encodermagneten erforderlich. Ebenso ist eine möglichst homogene magnetische Feldausprägung in der näheren Umgebung des Winkelsensors von Vorteil, weil sich Ablagen weniger auswirken. Diese Feldausprägung wird gewöhnlich durch relativ große Bauformen des Magneten, häufig als Scheiben oder Ringe, erreicht. Dies widerspricht jedoch dem begrenzten Bauraum beim Schraubenwerkzeug. Es ist davon auszugehen, dass der verbleibende Messfehler bei einem mikroelektronischen Winkelsensor in einem Schraubwerkzeug keinesfalls besser - sondern wahrscheinlich schlechter - als die Herstellerangaben sein würde.Precise magnetization of the encoder magnet is also required to ensure minimal angular deviations. It is also advantageous to have a magnetic field that is as homogeneous as possible in the immediate vicinity of the angle sensor because shelves have less of an impact. This field expression is usually achieved by relatively large magnet designs, often as disks or rings. However, this contradicts the limited installation space for screw tools. It can be assumed that the remaining measurement error with a microelectronic angle sensor in a screwing tool would in no way be better - but probably worse - than the manufacturer's specifications.

Andererseits treten für übliche Schraubendimensionen innere Verdrehungswinkel im Bereich von weit unter einem bis zu wenigen Winkelgrad auf. Daher wäre ein einzelner mikroelektronischer Winkelsensor selbst mit minimalen Messfehlern überfordert, um eine angemessene Messauflösung mit einen ansonsten vorteilhaften magnetischen Messprinzip für die innere Verdrehung zu liefern.On the other hand, for common screw dimensions, internal twist angles range from well below one to a few degrees. Therefore, a single microelectronic angle sensor, even with minimal measurement errors, would be overwhelmed to provide adequate measurement resolution with an otherwise advantageous magnetic measurement principle for internal rotation.

Möchte man die innere Verdrehung als primäre Messgröße verwenden und damit das Grundkonzept der Erfindung umsetzen, wird ein geringerer Messfehler und eine höhere Messauflösung erforderlich. Dabei ist die Verbesserung gegenüber dem einzelnen magnetischen Winkelsensor um etwa eine Größenordnung wünschenswert.If you want to use the internal twist as the primary measurement variable and thus implement the basic concept of the invention, a lower measurement error and a higher measurement resolution are required. The improvement over the individual magnetic angle sensor by about an order of magnitude is desirable.

Bessere Messauflösung durch ein Sensor-ArrayBetter measurement resolution through a sensor array

Die Erfindung schlägt zur technischen Umsetzung des gewählten Konzeptes, die Verdrehung der Schraube im zylindrischen Teil mit Schaft und Gewinde zu bestimmen, den Einsatz von Magnetsensor-Arrays vor. Hiermit sind deutlich bessere Möglichkeiten als mit einem einzelnen Winkelsensor gegeben, um die gewünschte Verbesserung der Messauflösung zu erreichen.The invention proposes the use of magnetic sensor arrays for the technical implementation of the chosen concept of determining the rotation of the screw in the cylindrical part with shaft and thread. This offers significantly better options than with a single angle sensor to achieve the desired improvement in measurement resolution.

Das Sensor-Array wird aus einer Vielzahl von magnetischen Sensorelementen gebildet. Dies hat eine Reihe von Vorteilen:

• - Die robuste, berührungslose Wirkungsweise von magnetischer Sensorik wird genutzt.
• - Bereits durch die Vielzahl der Sensorelemente eines Sensor-Arrays wird durch die Zusammenfassung vieler Messwerte die Reduzierung der Streuung gegenüber dem individuellen Mess- und Exemplarfehler eines einzelnen Sensors bewirkt.
• - Weiterhin reduziert sich die Auswirkung von Ablagen und von Verkippungen, die beim einzelnen Sensor deutliche Fehler verursachen. Bei einem Sensor-Array, das die axiale Symmetrielinie der Schraubverbindung umschließt, heben sich Fehler durch geringfügig asymmetrische Abweichungen der Position der Sensorelemente und begrenzte Verkippungen weitgehend auf. Das erklärt sich dadurch, dass auch die Ausgangswerte von gegenüberliegenden Sensorelementen einbezogen werden, welche gegenläufige Ablagen oder entgegengesetzte Verkippungen aufweisen. Diese wechselseitig fehlerkompensierende Anordnung der Sensorelemente bewirkt eine deutliche Reduzierung des resultierenden Messfehlers.
• - Als ein weiterer Vorteil gegenüber dem einzeln Winkelsensor ergibt sich, dass die möglichst homogene Auslegung des Magnetfeldes bei einem Sensor-Array nicht erforderlich ist. Der Encodermagnet kann daher geometrisch klein dimensioniert werden. Damit ist er im inneren Bereich eines Schraubwerkzeuges günstig platzierbar.
• - Für die Platzierung des Encodermagneten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dazu die sogenannte Schraubenspitze zu nutzen, also das Ende des freien Gewindeteils, welches aus der Mutter herausragt. Hier ist die Verdrehung gegenüber dem Schraubenkopf gegeben. Dieser Endbereich des Gewindes ist momentfrei und kann für die Befestigung des Encodermagneten genutzt werden. Im Allgemeinen kann der für den Encodermagneten benötigte Bauraum am Ende des Gewindes im oder beim Schraubwerkzeug freigehalten werden.
• - Bei Sensor-Arrays kann die analoge und digitale Signalverarbeitung der Ausgangssignale vieler örtlich verteilter Sensorelemente zur Quellenseparierung über Gradienten- oder Ortsfrequenzanteile genutzt werden. Dadurch kann zwischen mehreren magnetischen Quellen trotz Überlagerung unterschieden werden. Somit wird es beispielsweise möglich, einen relativ großen magnetischen Bezugsgeber und einen Encodermagneten gemeinsam mit nur einem Sensor-Array zu erfassen und dennoch deren Winkelposition getrennt auszuwerten. Außerdem können die Anteile von Störfeldern abgetrennt werden.
• - Inhomogene Magnetfeld-Verformungen durch die Flusskonzentration von ferromagnetischen Werkstoffen sind bei Sensor-Arrays im Allgemeinen weniger problematisch als bei Einzelsensoren. Die Signalauswertung vieler verteilter Sensoren erlaubt diese Einflüsse oft besser zu kompensieren.

The sensor array is formed from a large number of magnetic sensor elements. This has a number of advantages:

• - The robust, non-contact operation of magnetic sensors is used.
• - Due to the large number of sensor elements in a sensor array, the combination of many measured values reduces the spread compared to the individual measurement and sample error of a single sensor.
• - Furthermore, the effect of storage and tilting, which causes significant errors in individual sensors, is reduced. In a sensor array that encloses the axial line of symmetry of the screw connection, errors caused by slight asymmetrical deviations in the position of the sensor elements and limited tilting are largely canceled out. This is explained by the fact that the output values of opposing sensor elements are also included, which have opposite positions or opposite tilts. This mutually error-compensating arrangement of the sensor elements causes a significant reduction in the resulting measurement error.
• - Another advantage over the individual angle sensor is that the most homogeneous possible design of the magnetic field is not necessary for a sensor array. The encoder magnet can therefore be geometrically small. This means he is inside Can be conveniently placed in the area of a screwing tool.
• - For the placement of the encoder magnet, it is proposed according to the invention to use the so-called screw tip, i.e. the end of the free threaded part that protrudes from the nut. Here the rotation relative to the screw head is given. This end area of the thread is torque-free and can be used to attach the encoder magnet. In general, the space required for the encoder magnet can be kept free at the end of the thread in or near the screwing tool.
• - In sensor arrays, the analog and digital signal processing of the output signals of many locally distributed sensor elements can be used for source separation via gradient or spatial frequency components. This makes it possible to distinguish between several magnetic sources despite superimposition. This makes it possible, for example, to detect a relatively large magnetic reference transmitter and an encoder magnet together with just one sensor array and still evaluate their angular position separately. In addition, the components of interference fields can be separated.
• - Inhomogeneous magnetic field deformations caused by the flux concentration of ferromagnetic materials are generally less problematic with sensor arrays than with individual sensors. The signal evaluation of many distributed sensors often allows these influences to be better compensated.

Allgemeine Merkmale der ErfindungGeneral features of the invention

Es wird vorgeschlagen ein Schraubwerkzeug, das allgemein zur Montage von Schraubverbindungen geeignet ist, mit Messfunktionen für die innere Verdrehung auszustatten. Dafür gelten allgemein folgende Merkmale:

1. 1. Ein Encodermagnet [002] wird am Ende des Schraubengewindes befestigt.
2. 2. Das Magnetfeld des Encodermagneten [002] wird von einem Magnetsensor-Array [001] räumlich verteilt erfasst.
3. 3. Das Sensor-Array [001] wird aus mehreren Magnetsensoren [022] aufgebaut, die als Sensorelemente räumlich verteilt angeordnet sind.
4. 4. Der Winkel W₃ zwischen Sensor-Array [001] und Encodermagent [002] bezogen auf die axiale Symmetrielinie der Schraubverbindung wird aus den Ausgangsignalen der Sensorelemente [022] zusammenfassend ermittelt.
5. 5. Dieser Winkel W₃ trägt zusammen mit weiteren Bezugswinkeln W₁ und W₂ dazu bei, den inneren Verdrehungswinkel θ in Folge des Torsionsmoments auf die Schraube zu ermitteln.
6. 6. Der Verdrehungswinkel θ wird zur Ermittlung der Vorspannkraft F_M herangezogen.

It is proposed to equip a screwing tool that is generally suitable for assembling screw connections with measuring functions for internal rotation. The following characteristics generally apply to this:

1. 1. An encoder magnet [002] is attached to the end of the screw thread.
2. 2. The magnetic field of the encoder magnet [002] is detected in a spatially distributed manner by a magnetic sensor array [001].
3. 3. The sensor array [001] is constructed from several magnetic sensors [022], which are arranged spatially distributed as sensor elements.
4. 4. The angle W ₃ between sensor array [001] and encoder agent [002] based on the axial line of symmetry of the screw connection is determined from the output signals of the sensor elements [022].
5. 5. This angle W _3, together with other reference angles W ₁ and W ₂ , helps to determine the internal twist angle θ as a result of the torsional moment on the screw.
6. 6. The twist angle θ is used to determine the preload force F _M.

Die Bezugswinkel W₁ und W₂ werden entsprechend der folgenden Ausführungsformen mit magnetischen oder mechanischen Mitteln bestimmt. Weitere Merkmale kommen in den Ausführungsformen hinzu.The reference angles W ₁ and W ₂ are determined using magnetic or mechanical means according to the following embodiments. Further features are added in the embodiments.

Vorteilhafte AusführungsformenAdvantageous embodiments

Die Sensor-Arrays lassen sich vorteilhaft mit magnetischen Winkelsensoren als Sensorelemente aufbauen, wobei diese als mikroelektronische Bauelemente auf einer ebenen Leiterplatte platziert werden. Diese Leiterplatte kann mit einer zentralen Aussparung symmetrisch um die Achse der Schraubverbindung und des Werkzeugs angeordnet werden. Die Winkelsensoren des Sensor-Arrays erfassen dann jeweils die Vektorkomponenten in der Ebene der Leiterplatte. Der Winkel der Leiterplatte zur Magnetfeldquelle mit dem Sensor-Arrays wird aus der Gesamtheit dieser Vektorkomponenten zusammenfassend berechnet.
Sensor-Arrays können in den vorgeschlagenen Lösungsvarianten für verschiedene Magnetfeldquellen in den vorgeschlagenen Lösungen zum Einsatz kommen. Zunächst kann der Winkel zu einem Encodermagneten am Schraubenende bestimmt werden. Weiterhin kann der Winkel zu externen Bezugsgebern in Form von weiteren Magnetfeldquellen ermittelt werden. Mit diesen Bezugsgebern kann ein geometrisches Bezugssystem zum Schraubenkopf am anderen Ende der Klemmlänge hergestellt werden. Die Winkelposition des Kopfes kann im allgemeinen Fall als beliebig und zunächst als unbekannt gelten. Durch die Bezugsgeber ist es möglich, die Winkellage des Kopfes zu ermitteln. Als Differenz zu der Winkellage des Encodermagneten am Ende des Gewindes erhält man den inneren Verdrehungswinkel.The sensor arrays can advantageously be constructed with magnetic angle sensors as sensor elements, whereby these are placed as microelectronic components on a flat circuit board. This circuit board can be arranged symmetrically around the axis of the screw connection and the tool with a central recess. The angle sensors of the sensor array then detect the vector components in the plane of the circuit board. The angle of the circuit board to the magnetic field source with the sensor array is calculated from the totality of these vector components.
Sensor arrays can be used in the proposed solution variants for different magnetic field sources in the proposed solutions. First, the angle to an encoder magnet at the end of the screw can be determined. Furthermore, the angle to external reference sensors can be determined in the form of other magnetic field sources. These reference sensors can be used to create a geometric reference system for the screw head at the other end of the clamping length. In the general case, the angular position of the head can be considered arbitrary and initially unknown. The reference sensors make it possible to determine the angular position of the head. The internal twist angle is obtained as the difference from the angular position of the encoder magnet at the end of the thread.

Die Bezugsgeber können beispielsweise als Ringmagnete über erfasste Magnetfelder ohne weitere mechanische Fixierungen oder Messmittel berührungslos arbeiten. Es kann das Prinzip eines Halbach-Arrays vorteilhaft verwendet werden. Ein Halbach-Array setzt sich in diesem Fall aus vielen Permanentmagneten [025] zusammen, die so angeordnet sein können, dass näherungsweise ein homogenes Feld im Inneren des Ringes entsteht. Für sich allein betrachtet hätte es deutlich schwächere Gradienten und niedrige Ortsfrequenzen, als das Feld des Encodermagneten, wenn dieses ebenfalls allein wirken würde. Beide Anteile des Feldes überlagern sich und sind an einem einzelnen Punkt im Raum nicht zu trennen. Weil sie sich aber an verschiedenen Punkten im Raum in unterschiedlicher Weise zusammentreffen, sind beide durch Signalverarbeitung der Gesamtheit der Sensorelemente zu separieren.The reference transmitters can, for example, work contactlessly as ring magnets via detected magnetic fields without further mechanical fixations or measuring devices. The principle of a Halbach array can be used advantageously. In this case, a Halbach array is composed of many permanent magnets [025], which can be arranged in such a way that an approximately homogeneous field is created inside the ring. Viewed on its own, it would have significantly weaker gradients and lower spatial frequencies than the field of the encoder magnet if it were also acting alone. Both parts of the field overlap and are at a single point in space not to be separated. However, because they meet in different ways at different points in space, both have to be separated by signal processing of the sensor elements as a whole.

Beim Bezugsgeber kann der Ring für die Aufnahme der Permanentmagneten als Kunststoffformteil oder Metallteil aus nicht ferromagnetischen Werkstoffen (Aluminium, Bronze, Titan u.a.) gefertigt werden. Es sind Aussparungen oder andere Befestigungen für die Permanentmagnete vorzusehen. Es ist zu erwarten, dass der Ring bereits durch magnetische Haftkraft an Platten, die aus Stahl bestehen, ausreichend fixiert wird.In the case of the reference transmitter, the ring for holding the permanent magnets can be made as a molded plastic part or a metal part made of non-ferromagnetic materials (aluminum, bronze, titanium, etc.). Recesses or other fastenings must be provided for the permanent magnets. It can be expected that the ring will be sufficiently fixed to plates made of steel by magnetic adhesive force.

In weiteren Ausführungsformen ist der Bezug zu einer Platte ohnehin durch die Gestaltung der Schraubverbindung mechanisch hergestellt, so etwa bei einem fixierten Schraubenkopf oder einem Schweißbolzen. Damit kann der Bezugsgeber und das Sensor-Array auf der Seite des Schraubenkopfes entfallen.In further embodiments, the reference to a plate is already established mechanically through the design of the screw connection, for example in the case of a fixed screw head or a welding bolt. This means that the reference sensor and the sensor array on the side of the screw head can be omitted.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Sensor-Array nicht am Schraubwerkzeug, sondern mechanisch in Bezug zur Platte und/oder dem Schraubenkopf fixiert werden. Somit ist das erforderliche geometrische Bezugssystem bereits mechanisch hergestellt. Mit einer geeigneten Konstruktion sind dabei die erforderliche Genauigkeit und Stabilität sicherzustellen. Das hat den Vorteil der Reduzierung auf einen magnetischen Messvorgang. Wegen des Nachteils beim erforderlichen Aufwand und vor allem wegen der geringeren Flexibilität ist diese Ausführungsform mit mechanischer Fixierung vornehmlich für Prüfstände geeignet. In der gewöhnlichen Montageanwendung sind mechanische Befestigungsmittel zwischen Sensor-Array und Platte zusätzlich erforderlich. Derartige Befestigungen werden bisher nur bei großen motorischen oder hydraulischen Schraubwerkzeugen (sog. Hochmoment- oder Kraftschrauber) verwendet.In a further embodiment, the sensor array can not be fixed to the screwing tool, but rather mechanically in relation to the plate and/or the screw head. The required geometric reference system is therefore already mechanically produced. A suitable design must ensure the required accuracy and stability. This has the advantage of being reduced to a magnetic measuring process. Because of the disadvantage in terms of effort required and, above all, because of the lower flexibility, this embodiment with mechanical fixation is primarily suitable for test benches. In the usual assembly application, mechanical fasteners between the sensor array and the plate are additionally required. Such fasteners have so far only been used in large motorized or hydraulic screwdrivers (so-called high-torque or power screwdrivers).

Die Platzierung des Encodermagneten kann beispielsweise durch konstruktive Gestaltung des Schraubenendes formschlüssig oder durch eine Klebverbindung realisiert werden. Mit Hilfe eines anschraubbaren Adapters [012] und/oder durch magnetische Haftkraft verbunden mit einer mechanischen Führung kann der Encodermagnet kurzzeitig für die Montage platziert werden. Alternativ kann er dauerhaft am Schraubenende verbleiben.The placement of the encoder magnet can be achieved, for example, by designing the screw end in a form-fitting manner or by means of an adhesive connection. With the help of a screw-on adapter [012] and/or magnetic adhesive force combined with a mechanical guide, the encoder magnet can be placed briefly for assembly. Alternatively, it can remain permanently at the end of the screw.

Soweit das Schraubwerkzeug vom Magnetfeld durchdrungen werden muss, sind nicht ferromagnetische Werkstoffe zu bevorzugen, wie Titan, Bronze, Messing, Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, Wolfram, nichtmagnetische Stahllegierungen oder Kunststoffe. Dies ist im räumlichen Nahbereich der Encodermagneten von Vorteil, wenn das aufnehmende Sensor-Array außerhalb eines den Encodermagneten umschließenden Teils des Werkzeugs liegt. Wenn das aufnehmende Sensor-Array innerhalb eines umschließenden Teil des Werkzeugs liegt, gilt dieses sinngemäß für den Bezugsgeber. Für offene Formen des Schraubwerkzeuges - wie Maul- oder Ringschlüssel mit seitlichem Antrieb - kann auch Freiraum zwischen Sensor-Array und Encodermagneten bzw. Bezugsgeber vorhanden sein.If the screwing tool has to be penetrated by the magnetic field, non-ferromagnetic materials are preferred, such as titanium, bronze, brass, aluminum or magnesium alloys, tungsten, non-magnetic steel alloys or plastics. This is advantageous in the spatial proximity of the encoder magnets if the receiving sensor array is located outside a part of the tool that encloses the encoder magnet. If the receiving sensor array is located within an enclosing part of the tool, this applies analogously to the reference transmitter. For open forms of the screwing tool - such as open-end or ring wrenches with side drive - there can also be free space between the sensor array and the encoder magnet or reference sensor.

Eine weitere Ausführungsform verwendet ein Sensor-Array gemeinsam, um die Winkelposition des Encodermagneten und Bezugsgebers zu bestimmen. Die Daten vom überlagerten Magnetfeld werden durch Signalverarbeitung in die Anteile der beiden Quellen so zerlegt, dass deren Winkelausrichtungen separat bestimmt werden können. Durch die nachgelagerte Trennung kann auf ein zweites Sensor-Array auf der Seite der Mutter verzichtet werden. Es ist eine Verwendung baugleicher Schraub- und Messwerkzeuge für Kopf und Mutter möglich, nur die Signalverarbeitung ist zu unterscheiden.
Die vom Sensor-Array erfassten Feldvektoren des Bezugsgebers [009] entsprechen im Allgemeinen den kleineren Gradienten des Feldstärkeverlaufs im Raum.. Das erfasste Bild der Vektoren (Ausschnitt des Vektorfeldes) erscheint in der Richtung und Stärke gleichförmiger. Das Magnetfeld des vergleichsweise kleinen Encodermagneten [002] zeichnet sich durch stärker ausgeprägte Gradienten des Feldstärkeverlaufs aus. Das erfasste Vektorfeld erscheint in der Richtung und Stärke weit weniger gleichförmig. Derartiges kann mit Hilfe von Verfahren getrennt werden, die ähnlich den Medianfiltern der Bildverarbeitung arbeiten, jedoch auch mehrere Vektorkomponenten berücksichtigen. Eine einfach umzusetzende, aber weniger scharfe Unterscheidung liefert bereits der Abzug eines Mittelwertes von jeder Vektorkomponente der Sensor-Elemente. Dies gewichtet die Quelle des Encodermagneten stärker. Der Mittelwert selbst ist stärker vom Feld des Bezugsgebers geprägt.
Ebenso ist anschaulich nachvollziehbar, dass bei Sensor-Arrays mit mehrfachen konzentrischen Ringen der Sensorelemente ein innerer Ring stärkere Anteile vom Feld des Encodermagneten erfassen kann als ein außenliegender.Another embodiment uses a sensor array together to determine the angular position of the encoder magnet and reference transmitter. The data from the superimposed magnetic field is broken down into the components of the two sources by signal processing so that their angular orientations can be determined separately. The downstream separation means there is no need for a second sensor array on the mother side. It is possible to use identical screwing and measuring tools for the head and nut, only the signal processing is different.
The field vectors of the reference transmitter [009] recorded by the sensor array generally correspond to the smaller gradients of the field strength curve in space. The recorded image of the vectors (section of the vector field) appears more uniform in direction and strength. The magnetic field of the comparatively small encoder magnet [002] is characterized by more pronounced gradients in the field strength curve. The detected vector field appears far less uniform in direction and strength. Such things can be separated using methods that work similarly to the median filters in image processing, but also take several vector components into account. An easy-to-implement but less sharp distinction is provided by subtracting an average value from each vector component of the sensor elements. This gives greater weight to the source of the encoder magnet. The mean itself is more strongly influenced by the field of the referent.
It is also clearly understandable that in sensor arrays with multiple concentric rings of sensor elements, an inner ring can capture stronger components of the encoder magnet field than an outer one.

Weiterhin kann auch eine rechnerische Trennung der Signale anhand der Ortsfrequenzen erfolgen. Hierzu können die Tief- bzw. Hochpassfilterung oder die zwei- oder mehrdimensionale Fouriertransfor-, mation als zerlegende Schritte in der Signalverarbeitung benutzt werden.Furthermore, the signals can also be separated mathematically based on the spatial frequencies. For this purpose, low- or high-pass filtering or two- or multi-dimensional Fourier transformation can be used as decomposing steps in signal processing.

Darüber hinaus gibt es iterative Schätzverfahren, um die Position von Magnetfeld-Quellen zu ermitteln. Dazu können vereinfachte. und/oder vermessene Rechenmodelle der Feldquellen initial an fiktiven Anfangspositionen eingesetzt werden. Ein sehr einfaches Rechenmodell für den Encodermagneten kann beispielsweise der magnetische Dipol mit passenden Magnetisierungsparametern bilden. Mit diesem Vorwissen werden die (Winkel-)Positionen der Quellen iterativ solange variiert, bis die Überlagerung der Felder an den Sensorpositionen nur noch minimal von den Messwerten abweicht.In addition, there are iterative estimation methods to determine the position of magnetic field sources. This can be done using simplified and/or measured computational models of the field sources are initially used at fictitious starting positions. A A very simple calculation model for the encoder magnet can, for example, form the magnetic dipole with suitable magnetization parameters. With this prior knowledge, the (angular) positions of the sources are varied iteratively until the superimposition of the fields at the sensor positions only deviates minimally from the measured values.

Die Signalverarbeitung und Winkelermittelung erfordert entsprechende Softwarefunktionen. Das Funktionsmodul kann eigene Hardware als Prozessor- oder Mikrocontroller-Systeme benutzen oder auf der vorhandenen Hardware in automatisierten Montagesystemen implementiert werden. Das Funktionsmodul kann verkürzt als Gradientenseparation oder als Ortsfrequenzweiche bezeichnet werden.Signal processing and angle determination require appropriate software functions. The functional module can use its own hardware as a processor or microcontroller system or be implemented on existing hardware in automated assembly systems. The functional module can be referred to as gradient separation or as a spatial frequency filter.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Werkzeug durch die Messfunktionen für die Qualitätsbeurteilung des Schraubvorgangs nutzbar. Dies wird möglich, wenn der erfindungsgemäße innere Verdrehungswinkel θ sowie der äußere Drehwinkel κ, zwischen Mutter und Kopf, gleichzeitig im zeitlichen Verlauf aufgezeichnet werden. Der äußere Drehwinkel kann beispielsweise mit den vorgenannten magnetischen Bezugsgebern oder mit konventionellen Mittel bestimmt werden. Werden diese aufgezeichneten Werte in das Verhältnis zueinander gesetzt, lässt sich ein Gradient ∇ ermitteln durch ∇ = ∂θ(t)/∂κ(t) ≈ (θ(t₂) - θ(t₁))/(κ(t₂) - κ(t₁)). Ein stabiler Schraubprozess zeichnet sich, ab einer bestimmten Vorspannkraft, nach einer spielfreien und leicht vorgespannten Auflage der Reibflächen (ab etwa 10-30 % der maximalen ertragbaren Vorspannkraft) durch einen nahezu konstanten Gradienten ∇ ohne „Knickstellen“ oder Sprungstellen ab. In dieser Phase sollen der innere Verdrehungswinkel θ(t) sowie der äußere Drehwinkel κ(t) möglichst gleichmäßig und weitgehend proportional verlaufen. Der Gradient ∇ kann vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Mitteln erfasst werden und liefert einen Qualitätsmaßstab für Schraubprozesse.In a further embodiment, the tool can be used for assessing the quality of the screwing process through the measuring functions. This becomes possible if the internal rotation angle θ according to the invention and the external rotation angle κ, between the nut and the head, are recorded simultaneously over time. The external angle of rotation can be determined, for example, with the aforementioned magnetic reference sensors or with conventional means. If these recorded values are put in relation to each other, a gradient ∇ can be determined by ∇ = ∂θ(t)/∂κ(t) ≈ (θ(t ₂ ) - θ(t ₁ ))/(κ(t ₂ ) - κ(t ₁ )). A stable screwing process is characterized by an almost constant gradient ∇ without any “kinks” or jumps after a certain preload force has been reached and the friction surfaces have been lightly preloaded (from around 10-30% of the maximum bearable preload force). In this phase, the internal rotation angle θ(t) and the external rotation angle κ(t) should be as uniform and largely proportional as possible. The gradient ∇ can advantageously be recorded using the means according to the invention and provides a quality benchmark for screwdriving processes.

Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Lösungsdetails werden anhand der Zeichnungen erläutert.Further embodiments and advantageous solution details are explained using the drawings.

Allgemeine Herleitung des MessverfahrensGeneral derivation of the measurement method

Es soll das vorgeschlagene Verfahren zunächst in allgemeiner Form beschrieben und hergeleitet werden. Für die später dargestellten Ausführungsbeispiele ergeben sich fallweise verschiedene Vereinfachungen.The proposed method should first be described and derived in general form. For the exemplary embodiments presented later, various simplifications arise on a case-by-case basis.

Für die bessere Lesbarkeit der Beschreibung des Verfahrens und der Zeichnungen wird auf die explizite Darstellung von geringen, praktisch kaum vermeidbaren Abweichungen der Größen verzichtet. Beispielsweise werden die Werkzeuge bereits spielfrei am Schraubenkopf oder Mutter anliegend betrachtet, die zentralen Achsen werden ideal in Flucht angenommen und weitere geringe Abweichungen oder Verformungen vernachlässigt. Ein im nachfolgenden Text genannter funktionaler Zusammenhang wie Gleichheit, Übereinstimmung, Proportionalität oder Linearität ist immer nur als eine im technischen Sinne brauchbare Näherung zu verstehen. Sinngemäßes gilt für das mathematische Gleichheitssymbol in den Gleichungen, das sich auf einen modellhaft idealen Zusammenhang bezieht.In order to improve the readability of the description of the process and the drawings, small, practically unavoidable deviations in sizes are not explicitly shown. For example, the tools are already viewed with no play on the screw head or nut, the central axes are assumed to be ideally aligned and other minor deviations or deformations are ignored. A functional connection mentioned in the following text, such as equality, agreement, proportionality or linearity, is always only to be understood as a useful approximation in a technical sense. The same applies to the mathematical equality symbol in the equations, which refers to an ideal model connection.

Zur Notation ist vorab anzumerken: Mit griechischen Buchstaben sind Winkelangaben als absolute Größen in einem Zylinderkoordinatensystem angegeben, das um die zentrale Symmetrieachse der Schraubverbindung definiert ist. Die radiale und die Höhenkoordinate dieses Zylinderkoordinatensystems sind in der Herleitung nicht relevant.
Ebenso wie absolute Winkelangaben werden auch deren Differenzen mit griechischen Symbolen bezeichnet. Für Messwerte aus den Sensor-Arrays werden große lateinische Buchstaben benutzt. In der Fachliteratur sind diese Bezeichnungen und Formelzeichen teilweise anders belegt.Regarding notation, it should be noted in advance: Greek letters are used to indicate angles as absolute sizes in a cylindrical coordinate system that is defined around the central axis of symmetry of the screw connection. The radial and height coordinates of this cylindrical coordinate system are not relevant in the derivation.
Just like absolute angle information, their differences are also designated with Greek symbols. Large Latin letters are used for measured values from the sensor arrays. In the specialist literature, these names and formula symbols are sometimes used differently.

Zur Übersicht über die Komponenten und für die Winkelbezeichnungen sollte die Zeichnung 1 herangezogen werden. Die Herleitung stützt sich auf folgende Größen:Drawing 1 should be used to provide an overview of the components and the angle designations. The derivation is based on the following quantities:

Für die Seite des Schraubenkopfes werden folgende Winkelgrößen definiert:

• W₁ Messwert geliefert vom Sensor-Array am kopfseitigen Werkzeug, für die Winkellage des Kopfes bezüglich der geklemmten Platten
• α absoluter Winkel des Schraubenkopfes, gleich dem absoluten Winkel des kopfseitigen Werkzeugs
• β₁ absoluter Winkel des kopfseitigen Bezugsgebers an den geklemmten Platten

The following angle sizes are defined for the side of the screw head:

• W ₁ measured value supplied by the sensor array on the head-side tool, for the angular position of the head relative to the clamped plates
• α absolute angle of the screw head, equal to the absolute angle of the tool on the head side
• β ₁ absolute angle of the head-side reference sensor on the clamped plates

Für die Seite der Mutter werden folgende Winkelgrößen definiert:

• W₂ Messwert geliefert von einem Sensor-Array am mutternseitigen Werkzeug, für die Winkellage der Mutter bezüglich der geklemmten Platten
• β₂ absoluter Winkel des mutternseitigen Bezugsgebers an den geklemmten Platten
• γ absoluter Winkel der Mutter, gleich dem absoluten Winkel des Werkzeugs, damit zugleich der absolute Winkel der bzw. des Sensor-Arrays, das bzw. die am mutternseitigen Werkzeug befestigt sind
• W₃ Messwert geliefert von einem Sensor-Array am mutternseitigen Werkzeug, für die Winkelposition der Mutter bezüglich des Encodermagneten
• δ absoluter Winkel des Encodermagneten am Schraubenende

The following angle sizes are defined for the nut side:

• W ₂ Measured value provided by a sensor array on the nut-side tool for the angular position of the nut relative to the clamped plates
• β ₂ absolute angle of the nut-side reference sensor on the clamped plates
• γ absolute angle of the nut, equal to the absolute angle of the tool, and therefore also the absolute angle of the sensor array or arrays that are attached to the nut-side tool
• W ₃ measured value supplied by a sensor array on the nut-side tool, for the angle po position of the nut in relation to the encoder magnet
• δ absolute angle of the encoder magnet at the screw end

Zum gesuchten Verdrehungswinkel θ gelangt man mit folgenden Schritten der Herleitung: Gegeben sind die Messwerte W₁, W₂ und W₃, welche die Sensor-Arrays liefern. Es gilt: $$W_1=\alpha -{\beta }_1$$

$$W_2={\beta }_2-\gamma$$

$$W_3=\gamma -\delta$$

The desired twist angle θ can be obtained with the following steps in the derivation: Given are the measured values W ₁ , W ₂ and W ₃ , which the sensor arrays provide. The following applies: $${\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1=\alpha -{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2-\gamma$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3=\gamma -\delta$$

Gesucht wird der Verdrehungswinkel θ: $$\theta =\alpha -\delta$$

We are looking for the twist angle θ: $$\theta =\alpha -\delta$$

Weiterhin wird vorausgesetzt, dass die Bezugsgeber an den Platten ihre Lage während der Montage nicht ändern. Spätestens nach der Anfangsphase der Montage, also mit einsetzender Vorspannkraft, gilt dieses auch für die zu verbindenden Platten. Es gilt daher: $${\beta }_1=konstant$$

$${\beta }_2=konstant$$

$$\text{da}\dot{\text{m}}\text{it auch }{\beta }_1-{\beta }_2=konstant\stackrel{def}{=}{C}_0$$

It is also assumed that the reference sensors on the plates do not change their position during assembly. At the latest after the initial phase of assembly, i.e. when the pre-tensioning force begins, this also applies to the panels to be connected. The following therefore applies: $${\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1=kOnstant$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2=kOnstant$$

$$\text{there}\dot{\text{m}}\text{it too}{\beta }_1-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2=kOnstant\stackrel{def}{=}{C}_0$$

Zunächst werden die Gleichungen (1) bis (3) nach α und δ umgeformt. $$\alpha =W_1+{\beta }_1$$

$$\gamma ={\beta }_2-W_2$$

$$\delta =\gamma -W_3$$

First, equations (1) to (3) are transformed into α and δ. $$\alpha ={\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1+{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1$$

$$\gamma ={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2$$

$$\delta =\gamma -{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3$$

In der Gleichung (10) wird γ gemäß Gleichung (9) substituiert. $$\delta ={\beta }_2-W_2-W_3$$

In equation (10), γ is substituted according to equation (9). $$\delta ={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3$$

Damit können in Gleichung (4) die Variablen α gemäß Gleichung (8) und δ in Gleichung (11) ersetzt werden. $$\begin{array}{l}\theta =\underset{W_1-{\beta }_1}{\underbrace{\alpha }}-\underset{{\beta }_2-W_2-W_3}{\underbrace{\delta }}\\ \theta =W_1+{\beta }_1-{\beta }_2+W_2+W_3\\ \theta =W_1+W_2+W_3+\underset{C_0}{\underbrace{{\beta }_1-{\beta }_2}}\end{array}$$

$$\theta \left(t\right)=W_1+W_2+W_3+C_0$$

This means that the variables α according to equation (8) and δ in equation (11) can be replaced in equation (4). $$\begin{array}{l}\theta =\underset{{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1-{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1}{\underbrace{\alpha }}-\underset{{\beta }_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2-{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3}{\underbrace{\delta }}\\ \theta ={\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1+{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2+{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3\\ \theta ={\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2+{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3+\underset{C_0}{\underbrace{{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\beta "\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_1-{\beta }_2}}\end{array}$$

$$\theta \left(t\right)={\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_1+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0018.png,DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_2+{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="W"\; filenames="DE102022002785A1\_0019.png"\; state="\{\{state\}\}">W</figure-callout>}}_3+C_0$$

In der Gleichung sind alle Größen außer C₀ zeitveränderlich, also: $$\theta \left(t\right)=W_1\left(t\right)+W_2\left(t\right)+W_3\left(t\right)+C_0$$

In the equation all quantities except C ₀ are time-varying, so: $$\theta \left(t\right)=W_1\left(t\right)+W_2\left(t\right)+W_3\left(t\right)+C_0$$

Am Ende der Anfangsphase des Anziehens zum Zeitpunkt t = t₀ kommt es zum Einsetzen der Vorspannkraft beginnend ab dem Wert Null, also gilt F_M(t₀) = 0. Dementsprechend gibt es zu diesem Zeitpunkt t = t₀ noch kein Torsionsmoment und der resultierende Verdrehungswinkel θ hat ebenfalls den Anfangswert Null, d.h. θ(t₀) = 0 . Damit gilt: $$\underset{0}{\underbrace{\theta \left(t_0\right)}}=W_1\left(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)+C_0$$

$$C_0=-\left(W_1(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)).$$

At the end of the initial phase of tightening at time t = t ₀ , the preload force sets in starting from the value zero, so F _M (t ₀ ) = 0. Accordingly, at this time t = t ₀ there is still no torsional moment and the The resulting twist angle θ also has the initial value zero, ie θ(t ₀ ) = 0. This means: $$\underset{0}{\underbrace{\theta \left(t_0\right)}}=W_1\left(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)+C_0$$

$$C_0=-\left(W_1(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)).$$

Das bedeutet, die Konstante Co ist durch Aufsummieren der Messwerte zu einem erkannten Zeitpunkt t₀ zu ermitteln. Das kann durch temporäres Speichern dieser Messwerte geschehen. Der Zeitpunkt t = t₀ kann mit verschiedenen Mitteln erkannt werden. Dazu gehören beispielsweise das Überschreiten eines Schwellwerts für das Drehmoment, ein erreichter Drehwinkel, die Änderung der Drehgeschwindigkeit oder durch die veränderte Leistungsaufnahme eines motorischen Werkzeugantriebes. Der Zeitpunkt kann auch manuell dem Messwerkzeug mitgeteilt werden, wenn die einsetzende Vorspannkraft haptisch, akustisch oder visuell bemerkbar wird. Nach dem Zeitpunkt t = t₀ gilt: $$\theta \left(t\right)=W_1\left(t\right)+W_2\left(t\right)+W_3\left(t\right)-\left(W_1\left(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)\right)$$

This means that the constant Co can be determined by adding up the measured values at a recognized time t ₀ . This can be done by temporarily saving these measured values. The time t = t ₀ can be recognized using various means. These include, for example, exceeding a threshold value for the torque, a rotation angle that has been reached, a change in the rotation speed or due to the changed power consumption of a motorized tool drive. The time can also be communicated manually to the measuring tool when the initial preload force becomes noticeable tactilely, acoustically or visually. After time t = t ₀ the following applies: $$\theta \left(t\right)=W_1\left(t\right)+W_2\left(t\right)+W_3\left(t\right)-\left(W_1\left(t_0\right)+W_2\left(t_0\right)+W_3\left(t_0\right)\right)$$

Nachdem der Verlauf des Verdrehungswinkels θ(t) ermittelt wurde, ist als nächster Schritt die Vorspannkraft F_M(t) zu bestimmen. Dies basiert darauf, dass eine Beziehung zwischen dem inneren Verdrehungswinkel θ(t) als Eingangsgröße und der Montagevorspannkraft F_M(t) als Ausgangsgröße bekannt ist. Für diese Beziehung gilt in guter Näherung ein linearer Zusammenhang für einen relevanten Teil des Montagevorgangs. Ein Beispiel zeigt die Zeichnung 10. Diese Beziehung lässt sich im Prüfstand für den Schraubentyp und die Klemmlänge experimentell ermitteln, tabellieren und speichern. Vergleichbares gilt für Simulationen. In der Versuchs- oder Simulationsauswertung kann auch eine empirische Näherungsformel erstellt werden. Auch eine analytische Berechnung ist möglich, wenn zunächst eine Zylinderform betrachtet und der Gewindebereich mit einem vereinfachten Modell berücksichtigt wird. Für den Zustand nach Abschluss der Montage ist die Bestimmung der statischen Vorspannkraft F_M(t_s) anhand der statischen inneren Verdrehung θ(t_s) möglich. Gegenüber der letzten dynamischen Verdrehung θ(t) mit Anziehmoment sind noch Korrekturen, unter anderem wegen Setzungserscheinungen, zu berücksichtigen.After the course of the twist angle θ(t) has been determined, the next step is to determine the preload force F _M (t). This is based on knowing a relationship between the internal twist angle θ(t) as an input and the assembly preload force F _M (t) as an output. To a good approximation, a linear relationship applies to this relationship for a relevant part of the assembly process. An example is shown in drawing 10. This relationship can be determined experimentally, tabulated and saved in the test bench for the screw type and the clamping length. The same applies to simulations. An empirical approximation formula can also be created in the test or simulation evaluation. An analytical calculation is also possible if a cylindrical shape is first considered and the thread area is taken into account using a simplified model. For the state after completion of assembly, it is possible to determine the static preload force F _M (t _s ) based on the static internal rotation θ(t _s ). Compared to the last dynamic rotation θ(t) with tightening torque are still correct ures, due to, among other things, settlement phenomena must be taken into account.

Dabei kann es von Vorteil sein, den abschließenden Schritt der Berechnung der Vorspannkraft F_M(t) auf mehrere Eingangsgrößen auszudehnen. Die Kombination des erfindungsgemäß ermittelten inneren Verdrehungswinkels θ(t) mit den Messwerten des Anzugsmoments oder des Drehwinkels kann die Zuverlässigkeit erhöhen. Letzterer entspricht der Differenz der absoluten Winkel des Schraubenkopfes α und der Mutter γ kann zusätzlich auch aus -den Messwerten W₁ und W₂ gewonnen werden.It can be advantageous to extend the final step of calculating the preload force F _M (t) to several input variables. The combination of the internal twist angle θ(t) determined according to the invention with the measured values of the tightening torque or the angle of rotation can increase reliability. The latter corresponds to the difference between the absolute angles of the screw head α and the nut γ and can also be obtained from the measured values W ₁ and W ₂ .

Mit dieser Herleitung wurde gezeigt, dass mit den erfindungsgemäßen Mitteln gemessenen Winkeln W₁, W₂ und W₃ über den Zwischenschritt der Verdrehung θ die Montagevorspannkraft F_M ermittelt werden kann.With this derivation it was shown that the assembly preload force F _M can be determined using the means according to the invention measured angles W ₁ , W ₂ and W ₃ via the intermediate step of twisting θ.

Liste der ZeichnungenList of drawings

• Die Zeichnung 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit drei Sensor-Arrays.Drawing 1 shows an exemplary embodiment with three sensor arrays.
• Die Zeichnung 2 stellt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Sensor-Arrays dar.Drawing 2 shows an exemplary embodiment with two sensor arrays.
• Die Zeichnung 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Sensor-Array und einem fixierten Schraubenkopf.Drawing 3 shows an exemplary embodiment with a sensor array and a fixed screw head.
• Die Zeichnung 4 zeigt eine Anordnung mit fixiertem Schraubenkopf und fixiertem Sensor-Array.Drawing 4 shows an arrangement with a fixed screw head and fixed sensor array.
• Die Zeichnung 5 zeigt ein Beispiel eines Befestigungsadapters für den Encodermagneten.Drawing 5 shows an example of a mounting adapter for the encoder magnet.
• Die Zeichnung 6 zeigt Beispiele für ein ringförmiges Sensor-Array.Drawing 6 shows examples of a ring-shaped sensor array.
• Die Zeichnung 7 zeigt Beispiele für ein matrixförmiges Sensor-Array.Drawing 7 shows examples of a matrix-shaped sensor array.
• Die Zeichnung 8 zeigt einen Bezugsgeber mit einem Halbach-Array und einem Sensor-Array.Drawing 8 shows a reference transmitter with a Halbach array and a sensor array.
• Die Zeichnung 9 zeigt einen weiteren Bezugsgeber mit Halbach-Array und einem Sensor-Array.Drawing 9 shows another reference transmitter with a Halbach array and a sensor array.
• Die Zeichnung 10 stellt schematisch Messwerte bei einem Montagevorgang dar.The drawing 10 shows schematically measured values during an assembly process.
• Die Zeichnung 11 stellt schematisch die Beziehung der inneren Verdrehung zur Montagevorspannkraft dar.Drawing 11 shows schematically the relationship of internal twist to assembly preload force.

Liste der Bezugszeichen für Winkelangaben und physikalische Größen

α

Drehwinkel Schraubenkopf

β1

Drehwinkel des Bezugsgebers an der Platte auf der Seite des Schraubenkopfes

β2

Drehwinkel des Bezugsgebers an der Platte auf der Seite der Mutter

β

gemeinsamer Drehwinkel der Platten

γ

Drehwinkel der Mutter

δ

Drehwinkel des Encodermagneten

θ

innerer Verdrehungswinkel der Schraube durch Torsion

κ

äußerer Drehwinkel zwischen Mutter und Kopf

∇

Gradient des Verhältnisses zwischen innerem Verdrehungswinkel θ und äußerem Drehwinkel κ

θ(t0)

innerer Verdrehungswinkel der Schraube am Anfang des Anziehens mit Vorspannkraft

θ(t)

innerer Verdrehungswinkel der Schraube während der Montage

θ(ts)

Verdrehungswinkel der Schraube im statischen Fall nach der Montage

W1

Winkel-Messwert zum Bezugsgeber an der Platte auf der Seite des Schraubenkopfes, wird durch die Auswertung eines Sensor-Arrays ermittelt

W2

Winkel-Messwert zum Bezugsgeber an der Platte auf der Seite der Mutter, wird durch die Auswertung eines Sensor-Arrays ermittelt

W3

Winkel-Messwert zum Encodermagneten am Schraubenende, der durch die Auswertung der Messwerte eines Sensor-Arrays auf der Seite der Mutter ermittelt wird

FM

Vorspannkraft bzw. Montagevorspannkraft

FM(t0)

Montagevorspannkraft am Anfang des Anziehens

FM(t)

Montagevorspannkraft während des Anziehens

FM(ts)

Vorspannkraft im statischen Fall nach der Montage

List of reference symbols for angle information and physical quantities

α

Screw head rotation angle

β1

Angle of rotation of the reference sensor on the plate on the side of the screw head

β2

Angle of rotation of the reference sensor on the plate on the nut side

β

common angle of rotation of the plates

γ

Angle of rotation of the nut

δ

Angle of rotation of the encoder magnet

θ

internal twist angle of the screw due to torsion

κ

external rotation angle between nut and head

∇

Gradient of the ratio between internal twist angle θ and external twist angle κ

θ(t0)

Internal twist angle of the screw at the beginning of tightening with preload force

θ(t)

internal twist angle of the screw during assembly

θ(ts)

Angle of rotation of the screw in the static case after assembly

W1

The angle measurement value for the reference sensor on the plate on the side of the screw head is determined by evaluating a sensor array

W2

The angle measurement value for the reference sensor on the plate on the nut side is determined by evaluating a sensor array

W3

Angle measurement value for the encoder magnet at the end of the screw, which is determined by evaluating the measured values of a sensor array on the side of the nut

FM

Preload force or assembly preload force

FM(t0)

Assembly preload force at the beginning of tightening

FM(t)

Assembly preload force during tightening

FM(ts)

Preload force in the static case after assembly

Liste der Bezugszeichen der Zeichnungen

[001]

magnetisches Sensor-Array

[002]

Encodermagnet am gewindeseitigen Schraubenende

[003]

zylindrischer Teil mit Gewinde und ggf. mit Schaft

[004]

Mutter

[005]

zu verbindende Platte

[006]

weitere zu verbindende Platte

[007]

Schraubenkopf

[008]

magnetisches Sensor-Array

[009]

ringförmiger magnetischer Bezugsgeber an der Platte [006]

[010]

Permanent-Magnete in Bezugsgebern [009] und [015]

[011]

Befestigung für Sensor-Array am Werkzeug

[012]

Adapter zur Fixierung des Encodermagnetens am Schraubenende

[013]

Schraubwerkzeug für die Mutter, beispielweise ein Steck-, Ring- oder Maulschlüssel oder eine Stecknuss

[014]

magnetisches Sensor-Array

[015]

ringförmiger magnetischer Bezugsgeber an der Platte

[016]

Klemmlänge, hier wird der zylindrische Teil der Schraube als Torsionsstab betrachtet

[017]

Schraubwerkzeug für den Kopf, beispielweise ein Steck-, Ring- oder Maulschlüssel, eine Stecknuss oder ein Schraubendreher

[018]

Ankoppelung des Antriebs

[019]

Funktionsmodul zur Separierung der Signalanteile verschiedener Magnetfeldquellen, kurz Gradientenseparation oder Ortsfrequenzweiche

[020]

Fixierung des Schraubenkopfs oder Fixierung eines Endes einer kopflosen Schraube oder eines Schraubenbolzens

[021]

Befestigungsmittel des Sensor-Arrays an der Platte oder andere Verbindung, welche die Lage des Sensor-Arrays [001] in Bezug auf die Platte [006] fixiert

[022]

Magnetische Sensoren, als Elemente des Sensor-Arrays

[023]

Zentrale Aussparung im Sensor-Array

[024]

Magnetische Bezugsgeber, in der Ausführung als Halbach-Array

[025]

Mehrere Permanentmagneten, aus denen ein Halbach-Array zusammengesetzt wird

[026]

Anfangsphase des Montagevorgangs ohne relevante Vorspannkraft

[027]

Anziehphase des Montagevorgangs, in der die wirksame Vorspannkraft aufgebaut wird

[028]

Übergangphase des Montagevorgangs, in der das Anziehmoment zurückgenommen wird

[029]

Statische Phase des Montagevorgangs, nach dem sich eine dauerhaft wirkende Vorspannkraft eingestellt hat

List of reference numbers of the drawings

[001]

magnetic sensor array

[002]

Encoder magnet on the threaded end of the screw

[003]

cylindrical part with thread and possibly with shaft

[004]

Mother

[005]

plate to be connected

[006]

another plate to be connected

[007]

screw head

[008]

magnetic sensor array

[009]

ring-shaped magnetic reference transmitter on the plate [006]

[010]

Permanent magnets in reference sensors [009] and [015]

[011]

Attachment for sensor array to tool

[012]

Adapter for fixing the encoder magnet at the end of the screw

[013]

Screwing tool for the nut, for example a socket, ring or open-end wrench or a socket

[014]

magnetic sensor array

[015]

ring-shaped magnetic reference transmitter on the plate

[016]

Clamp length, here the cylindrical part of the screw is considered as the torsion bar

[017]

Screwing tool for the head, for example a socket, ring or open-end wrench, a socket or a screwdriver

[018]

Coupling the drive

[019]

Functional module for separating the signal components of different magnetic field sources, in short gradient separation or spatial frequency filter

[020]

Fixing the screw head or fixing one end of a headless screw or screw bolt

[021]

Fastening means of the sensor array to the plate or other connection that fixes the position of the sensor array [001] with respect to the plate [006].

[022]

Magnetic sensors, as elements of the sensor array

[023]

Central recess in the sensor array

[024]

Magnetic reference sensors, designed as a Halbach array

[025]

Several permanent magnets from which a Halbach array is assembled

[026]

Initial phase of the assembly process without relevant preload force

[027]

Tightening phase of the assembly process in which the effective preload force is built up

[028]

Transition phase of the assembly process in which the tightening torque is reduced

[029]

Static phase of the assembly process, after which a permanent preload force has been established

Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings

Die Zeichnung 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Schraubverbindung, bestehend aus dem zylindrischen Teil [003] der Schraube mit Schaft und Gewindebereich, Schraubenkopf [007] und Mutter [004] verbindet bestimmungsgemäß die Platten [005] und [006]. Der Begriff der Platte steht als die fachlich übliche Bezeichnung für alle Bauteile, Gegenstände und Objekte, welche durch die Schraubverbindung verbunden werden.Drawing 1 shows an exemplary embodiment of the arrangement according to the invention.
The screw connection, consisting of the cylindrical part [003] of the screw with shaft and thread area, screw head [007] and nut [004], connects the plates [005] and [006] as intended. The term plate is the usual technical term for all components, objects and objects that are connected by screw connections.

Zwei Sensor-Arrays [001] und [008] sind mit Befestigungselementen [011] an dem Werkzeug [013] für die Mutter [004] befestigt. Ein weiteres Sensor-Array [014] ist mit Befestigungselementen [011] an dem Werkzeug [017] für den Schraubenkopf [007] befestigt.Two sensor arrays [001] and [008] are attached to the tool [013] for the nut [004] with fasteners [011]. Another sensor array [014] is attached to the tool [017] for the screw head [007] with fastening elements [011].

Die Werkzeuge [013] und [017] werden mit einem angekoppelten Antrieb [018] gedreht. Dafür werden Drehmomente, Schläge oder Impulse eingeleitet. Sie stammen typischerweise aus manueller, motorischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebsquellen.The tools [013] and [017] are rotated with a coupled drive [018]. Torques, impacts or impulses are introduced for this purpose. They typically come from manual, motor, pneumatic or hydraulic drive sources.

Der Encodermagnet [002] ist am Ende des Gewindes platziert und befestigt.The encoder magnet [002] is placed and secured at the end of the thread.

Der absolute Drehwinkel α des Schraubenkopfs [007] wird durch das dortige Werkzeug bestimmt, es kann eine Anziehbewegung vollziehen oder nur eine Haltefunktion haben. Der Bezugsgeber an der Seite des Schraubenkopfs [007] wird an der Platte [005] fixiert angelegt, beide haben den absoluten Drehwinkel β₁. Entsprechendes erfolgt an der Platte [006], der absolute Drehwinkel ist dort β₂. Die Drehwinkel der beiden Bezugsgeber sind in der relevanten Phase der Montage konstant. Das Werkzeug für die Mutter [013] folgt mit den dort befestigten Sensor-Arrays [001] und [008] der Drehbewegung um den absoluten Drehwinkel γ. Er kann eine Anziehbewegung vollziehen oder nur eine Haltefunktion haben.The absolute angle of rotation α of the screw head [007] is determined by the tool there; it can carry out a tightening movement or only have a holding function. The reference sensor on the side of the screw head [007] is fixed to the plate [005], both have the absolute angle of rotation β ₁ . The same happens on the plate [006], where the absolute angle of rotation is β ₂ . The angles of rotation of the two reference sensors are constant in the relevant phase of assembly. The tool for the nut [013], with the sensor arrays [001] and [008] attached there, the rotational movement follows the absolute rotation angle γ. It can perform a tightening movement or only have a holding function.

Der Verdrehungswinkel δ an der Spitze der Schraube, welcher durch die Torsion beeinflusst wird, wird vom Encodermagneten [002] über dessen Magnetfeld an das Sensor-Array [001] vermittelt. Nach messtechnischer Erfassung und rechnerischer Auswertung der Daten der Einzelsensoren der Sensor-Arrays-ergeben sich als Messwerte:

• Das Sensor-Array [014] liefert den gemessenen Winkel W₁, entsprechend der Winkeldifferenz α - β₁.
• Das Sensor-Array [008] liefert den gemessenen Winkel W₂, entsprechend der Winkeldifferenz β₂ - γ.
• Das Sensor-Array [001] liefert den gemessenen Winkel W₃, entsprechend der Winkeldifferenz γ - δ.
• Wie in der Herleitung zuvor dargestellt, fließen diese gemessenen Winkel W₁, W₂ und W₃ in die Berechnung des Verdrehungswinkels θ ein. Dieser wird wiederum zur Bestimmung der Montagevorspannkraft F_M genutzt.

The twist angle δ at the tip of the screw, which is influenced by the torsion, is transmitted by the encoder magnet [002] to the sensor array [001] via its magnetic field. After metrological recording and computational evaluation of the data from the individual sensors of the sensor arrays, the measured values are:

• The sensor array [014] supplies the measured angle W ₁ , corresponding to the angle difference α - β ₁ .
• The sensor array [008] delivers the measured angle W ₂ , corresponding to the angle difference β ₂ - γ.
• The sensor array [001] delivers the measured angle W ₃ , corresponding to the angle difference γ - δ.
• As previously shown in the derivation, these measured angles W ₁ , W ₂ and W ₃ are included in the calculation of the twist angle θ. This in turn is used to determine the assembly preload force F _M.

Die Zeichnung 2 stellt eine weitere vorteilhafte Ausführung des Lösungsvorschlags dar.
Die Bezugszeichen entsprechen der Zeichnung 1, jedoch entfällt das Sensor-Array [008] am Werkzeug auf der Seite der Mutter [004]. Dieses kann somit den erforderlichen Winkel W₂ nicht liefern. Stattdessen werden beide Winkel W₂ imd W₃ vom verbleibenden Sensor-Array [001] abgeleitet. An diesem Sensor-Array [001] liegt ein überlagertes, deutlich inhomogenes Magnetfeld vor. Es wird erzeugt durch die beiden Quellen [002] und [009]. Wenn die beiden Felder getrennt voneinander betrachtet werden, zeigen sie die deutlich verschiedenartige Gestalt. Durch die räumliche Anordnung der vielen Sensoren des Sensor-Array lassen sich die Anteile der Quellen rechnerisch trennen. Diese Separierung erfolgt im Rahmen der nachgelagerten digitalen Signalverarbeitung.Drawing 2 represents a further advantageous embodiment of the proposed solution.
The reference numbers correspond to drawing 1, but the sensor array [008] on the tool on the nut side [004] is omitted. This therefore cannot provide the required angle _W2 . Instead, both angles W ₂ and W ₃ are derived from the remaining sensor array [001]. There is a superimposed, clearly inhomogeneous magnetic field on this sensor array [001]. It is generated by the two sources [002] and [009]. When the two fields are viewed separately, they show a clearly different shape. The spatial arrangement of the many sensors in the sensor array allows the components of the sources to be separated mathematically. This separation takes place as part of the downstream digital signal processing.

Die Zeichnung 3 stellt eine weitere Ausführung des Lösungsvorschlags dar. Die Bezugszeichen der Komponenten und Winkel entsprechen den vorhergehenden Zeichnungen. Der Schraubenkopf [007] ist hier jedoch mit der Platte [005] durch eine geeignete Fixierung [020] verbunden. Das kann beispielsweise durch die dargestellte umschließende Formgebung der Platte umgesetzt werden. Alternativ sind Befestigungen durch Fügen, Einpressen, Kleben, Löten oder Schweißen oder weitere Lösungen möglich. Anstelle einer Kopfschraube ist auch ein feststehender Schraubenbolzen ohne Kopf - beispielsweise ein Schweißbolzen - möglich. Das Sensor-Array [014] auf der Seite des Kopfes ist nicht erforderlich. Der Bezugsgeber [015] und das Werkzeug [017] entfällt ebenfalls.
Wie in der Zeichnung 2 ist das Sensor-Array [001] weiterhin am Werkzeug der Mutter [013] befestigt. Auch der Bezugsgeber [009] ist an der Platte [006] platziert. Dort erfolgt ebenso die Ermittlung der Winkel W₂ und W₃ nach Separierung durch nachgelagerte Signalverarbeitung [019] im Modul der sog. Ortsfrequenzweiche.
Der Winkel W₁ entfällt in der Herleitung des Verfahrens, weil er konstant bleibt. Das kann mit einem beliebig gewählten Anfangswert W₁(t) = W₁(t₀) nachvollzogen werden. Wird dieser beliebige Wert in Gleichung (17) für den Verdrehungswinkel θ eingesetzt, dann entfällt W₁. Letztlich werden nur die Messgrößen W₂ und W₃ benötigt.Drawing 3 represents a further embodiment of the proposed solution. The reference numbers of the components and angles correspond to the previous drawings. However, the screw head [007] is here connected to the plate [005] by a suitable fixation [020]. This can be implemented, for example, by the enclosing shape of the plate shown. Alternatively, fastenings by joining, pressing in, gluing, soldering or welding or other solutions are possible. Instead of a head screw, a fixed screw bolt without a head - for example a welding bolt - is also possible. The sensor array [014] on the side of the head is not required. The reference sensor [015] and the tool [017] are also omitted.
As in drawing 2, the sensor array [001] is still attached to the tool of the nut [013]. The reference transmitter [009] is also placed on the plate [006]. The angles W ₂ and W ₃ are also determined there after separation by downstream signal processing [019] in the module of the so-called spatial frequency switch.
The angle W ₁ is omitted from the derivation of the method because it remains constant. This can be reproduced with an arbitrarily chosen initial value W ₁ (t) = W ₁ (t ₀ ). If this arbitrary value is used in equation (17) for the twist angle θ, then W ₁ is omitted. Ultimately, only the measured variables W ₂ and W ₃ are required.

Die Zeichnung 4 stellt eine weitere Ausführung des Lösungsvorschlags dar. Der Aufbau und die Bezugszeichen entsprechen der vorhergehenden Zeichnung 3. Der Schraubenkopf [007] ist ebenfalls mit der Platte [005] durch eine geeignete Fixierung [020] verbunden. Das Sensor-Array [001] ist durch eine geeignete Befestigung [021] direkt oder indirekt verbunden, es ist nicht am Werkzeug [013] befestigt. Das Werkzeug [017] und der Bezugsgeber [015] entfallen ebenfalls.
Die Winkel W₁ und W₂ entfallen als sensorisch zu erfassende Messgrößen, sie sind konstant. Entsprechend der vorstehenden Herleitung lässt sich zeigen, dass die Berechnung mit dem gleichen Ansatz erfolgen kann. Dazu werden beliebige konstante Anfangswerte für W₁(t) = MWa(t₀) und für W₂(t) = W₂(t₀) entsprechend dem Beginn der effektiven Anziehphase in Gleichung (17) eingesetzt. In Ergebnisberechnung entfallen alle Beiträge von W₁ und W₂ und der gemessene Winkel W₃ ist bereits der Verdrehungswinkel θ. Die dargestellte Anordnung kann vorteilhaft für einen Schraubenprüfstand oder in Hochmomentschraubern mit gesonderter Befestigung an der Platte verwendet werden.Drawing 4 represents a further embodiment of the proposed solution. The structure and reference numbers correspond to the previous drawing 3. The screw head [007] is also connected to the plate [005] by a suitable fixation [020]. The sensor array [001] is connected directly or indirectly by a suitable attachment [021]; it is not attached to the tool [013]. The tool [017] and the reference sensor [015] are also omitted.
The angles W ₁ and W ₂ are no longer measured variables to be detected by sensors; they are constant. According to the above derivation, it can be shown that the calculation can be done using the same approach. For this purpose, any constant initial values for W ₁ (t) = MWa(t ₀ ) and for W ₂ (t) = W ₂ (t ₀ ) are used in equation (17) corresponding to the start of the effective tightening phase. In the result calculation, all contributions from W ₁ and W ₂ are omitted and the measured angle W ₃ is already the twist angle θ. The arrangement shown can be advantageously used for a screw test stand or in high-torque screwdrivers with separate attachment to the plate.

Die Zeichnung 5 stellt ein Ausführungsbeispiel für die Befestigung des Encodermagneten dar. Hierbei wird ein Permanentmagnet als Encoder [002] durch ein nichtmagnetisches Bauteil als Adapter [012] an der Schraubenspitze am Ende des Gewindes aufgeschraubt. Der Adapter befindet sich auf der dem Kopf abgewandten kraftfreien Seite der Mutter im drehmomentfreien Bereich des Gewindes. Zwischen Mutter und Adapter erfolgt keine zusätzliche Torsion des Gewindebereichs. Der Permanentmagnet kann axialsymmetrisch positioniert und radial magnetisiert sein. Nach dem Montagevorgang kann der Adapter mit dem Permanentmagneten wieder entfernt und erneut verwendet werden.Drawing 5 shows an exemplary embodiment for attaching the encoder magnet. Here, a permanent magnet as an encoder [002] is screwed onto the screw tip at the end of the thread through a non-magnetic component as an adapter [012]. The adapter is located on the force-free side of the nut facing away from the head in the torque-free area of the thread. There is no additional torsion of the thread area between the nut and adapter. The permanent magnet can be positioned axially symmetrically and magnetized radially. After the assembly process, the adapter with the permanent magnet can be removed and used again.

Die Zeichnung 6 stellt Ausführungsbeispiele für ein Lösungsdetail dar. Die Magnetsensoren [022] sind als Elemente des Sensor-Arrays [001] ringförmig um die axiale Symmetrielinie der Schraubverbindung angeordnet. Die Elemente können auch mehrfache Ringe bilden. Die Magnetsensoren [022] messen die lokale Feldstärke bzw. Flussdichte und/oder Richtung des Feldes. Als Ausgabewerte liefern sie typischerweise Vektorkomponenten in einer, zwei oder drei orthogonalen Bezugsrichtungen. Bei üblichen Winkelsensoren erfolgt die Ausgabe von zwei Bezugsrichtungen (Sinus- und Cosinus-Werte), sie liegen in der Ebene einer flachen Trägeranordnung, beispielsweise einer Leiterplatte. Der Encodermagnet [002] und die Mutter [004] sind zur besseren Übersicht mit dargestellt, sie sind aber unabhängig von der gezeigten Ausführungsvariante. Die Anordnung kann auch bei [008] oder [014] verwendet werden.Drawing 6 shows exemplary embodiments of a solution detail. The magnetic sensors [022] are arranged as elements of the sensor array [001] in a ring around the axial line of symmetry of the screw connection. The elements can also form multiple rings. The magnetic sensors [022] measure the local field strength or flux density and/or direction of the field. As output values they typically provide vector components in one, two or three orthogonal reference directions. With conventional angle sensors, two reference directions (sine and cosine values) are output; they lie in the plane of a flat support arrangement, for example a circuit board. The encoder magnet [002] and the nut [004] are shown for better clarity, but they are independent of the embodiment variant shown. The arrangement can also be used at [008] or [014].

Die Zeichnung 7 stellt Ausführungsbeispiele für ein Lösungsdetail dar. Die Magnetsensoren [022] sind als Elemente des Sensor-Arrays [001] in der Form einer Matrix angeordnet. Die Matrix kann hierzu im zentralen Bereich [023] unvollständig mit Sensorelementen besetzt sein. Das Trägerelement der Sensorelemente, welches als Leiterplatte realisiert werden kann, wird an dieser Stelle ausgespart. Magnetsensoren [022] messen die lokalen Feldvektoren des Magnetfeldes. Der Encodermagnet [002] und die Mutter [004] sind zur besseren Übersicht mit dargestellt, sie sind aber unabhängig von der gezeigten Ausführungsvariante. Die Anordnung kann auch bei [008] oder [014] verwendet werden.Drawing 7 shows exemplary embodiments of a solution detail. The magnetic sensors [022] are arranged as elements of the sensor array [001] in the form of a matrix. For this purpose, the matrix can be incompletely occupied with sensor elements in the central area [023]. The carrier element of the sensor elements, which can be implemented as a circuit board, is left out at this point. Magnetic sensors [022] measure the local field vectors of the magnetic field. The encoder magnet [002] and the nut [004] are shown for better clarity, but they are independent of the embodiment variant shown. The arrangement can also be used at [008] or [014].

Die Zeichnung 8 stellt ein Ausführungsbeispiel für ein Lösungsdetail dar. Der Bezugsgeber [015] und/oder der Bezugsgeber [009] wird hier als ringförmiges Halbach-Array [024] ausgeführt. Es werden ein ringförmiges Sensor-Array [001] und der Encodermagnet [002] sowie die Mutter [004] dargestellt.Drawing 8 shows an exemplary embodiment of a solution detail. The reference transmitter [015] and/or the reference transmitter [009] is designed here as an annular Halbach array [024]. A ring-shaped sensor array [001] and the encoder magnet [002] as well as the nut [004] are shown.

Die Zeichnung 9 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Lösungsdetail dar. Die Lösung entspricht der Zeichnung 8 mit dem Unterschied, dass ein matrixförmiges Sensor-Array gemäß Zeichnung 7 verwendet wird. Bei dieser Matrixform kann ebenfalls die Separierung anhand der Ortsfrequenzen durch eine zweidimensionale Fouriertransformation berechnet werden. Einzelne Elemente aus der Ergebnismatrix der Transformation werden entsprechend den zu trennenden Quellen verschieden gewichtet.Drawing 9 represents a further exemplary embodiment of a solution detail. The solution corresponds to drawing 8 with the difference that a matrix-shaped sensor array according to drawing 7 is used. With this matrix form, the separation can also be calculated using the spatial frequencies using a two-dimensional Fourier transformation. Individual elements from the transformation result matrix are weighted differently depending on the sources to be separated.

Die Zeichnung 10 stellt als Beispiel zwei Messwerte in ihrem zeitlichen Verlauf bei einem Montagevorgang in schematischer Form dar. Messtechnisch wurden die Vorspannkraft F_M bzw. F_Ms mit einem Kraftmessring und der Verdrehungswinkel θ mit den erfindungsgemäßen Mitteln erfasst. Als Kurvenverlauf ist die Vorspannkraft als Funktion der Differenz des Drehwinkels der Mutter und des Encodermagneten schematisch dargestellt. Im Kurvenverlauf zeigt sich zunächst eine Anfangsphase [026], bevor eine relevante Vorspannkraft F_M aufgebaut wird. Anschließend durchläuft der Montagevorgang die Anzugsphase [027] mit etwa proportionaler Beziehung zwischen Vorspannkraft und dem Verdrehungswinkel θ durch Torsion.
Abschließend ist der Eintritt in die statische Phase [029] nach dem Montagevorgang dargestellt, welche sich nach Entlastung des Werkzeugs vom Montagedrehmoment einstellt. Nach einer kurzen Übergangsphase [028] nach Wegfall des Anziehmoments wirkt die statische Vorspannkraft F_Ms dauerhaft. Dieser Verlauf wurde mit einem Prüfstand der einer Anordnung aus Zeichnung 4 äquivalent ist, bei welcher das Sensor-Array und der Schraubenkopf mit den Platten fixiert sind, bestätigt.The drawing 10 shows, as an example, two measured values in their time course during an assembly process in schematic form. In terms of measurement technology, the preload force F _M or F _Ms was recorded with a force measuring ring and the twist angle θ with the means according to the invention. The preload force is shown schematically as a curve as a function of the difference in the angle of rotation of the nut and the encoder magnet. The course of the curve initially shows an initial phase [026] before a relevant preload force F _M is built up. The assembly process then goes through the tightening phase [027] with an approximately proportional relationship between the preload force and the twist angle θ due to torsion.
Finally, the entry into the static phase [029] after the assembly process is shown, which occurs after the tool has been relieved of the assembly torque. After a short transition phase [028] after the tightening torque has been eliminated, the static preload force F _Ms has a permanent effect. This course was confirmed with a test bench that is equivalent to an arrangement from drawing 4, in which the sensor array and the screw head are fixed to the plates.

Die Zeichnung 11 basiert auf dem Beispiel von Messwerten bei einem Montagevorgang, welches in Zeichnung 10 schematisch dargestellt wurde. Es werden der innere Verdrehungswinkel θ und die gemessene Vorspannkraft F_M in ihrer Abhängigkeit dargestellt. Es zeigt sich ein etwa linearer Zusammenhang für die Phase des effektiven Anziehens [027]. Dieser ist nutzbar, um Momentanwerte der Montagevorspannkraft F_M(t) aus den Momentanwerten des inneren Verdrehungswinkels θ(t) zu berechnen. Nach einer kurzen Übergangsphase [028], nach Wegfall des Anziehmoments, stellt sich nach einer kleineren Veränderung des Verdrehungswinkels θ, dem sogenannten Rückfedern, die statische Vorspannkraft F_M(t_s) dauerhaft ein. Dies kann experimentell quantifiziert werden und in die Messergebnisse einfließen.Drawing 11 is based on the example of measured values during an assembly process, which was shown schematically in drawing 10. The internal twist angle θ and the measured preload force F _M are shown as a function of their relationship. There is an approximately linear relationship for the phase of effective tightening [027]. This can be used to calculate instantaneous values of the assembly preload force F _M (t) from the instantaneous values of the internal twist angle θ(t). After a short transition phase [028], after the tightening torque has been eliminated, the static preload force F _M (t _s ) is permanently established after a smaller change in the twist angle θ, the so-called springback. This can be quantified experimentally and incorporated into the measurement results.

Die Zeichnung 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel als schematische Explosionsdarstellung. Zwei Sensor-Arrays [001] und [008] sind mit dem Werkzeug für die Mutter befestigt. Der Encodermagnet [002] befindet sich am Ende des Gewindes. Ein weiteres Sensor-Array [014] ist am Werkzeug für den Schraubenkopf befestigt. Es wird exemplarisch die Ringanordnung der Sensorelemente gezeigt. Die Schraubverbindung verbindet bestimmungsgemäß die Platten [005] und [006]. Diese sind aus grafischen Gründen teilweise transparent dargestellt. An diesen Platten sind jeweils die Bezugsgeber [015] und [009] fixiert. Hier wird exemplarisch eine Ringform mit Permanentmagneten eingesetzt. Diese Ringe können allein schon durch die magnetische Haftkraft fixiert werden, wenn die Platten aus ferromagnetischen Material bestehen. Die Permanentmagneten können in der Anordnung als Halbach-Array im Inneren des Rings ein näherungsweise homogenes Magnetfeld erzeugen, das sich damit vom deutlich inhomogenen Magnetfeld des Encodermagneten [002] unterscheidet. Die skizzierten manuellen Antriebe sind nur Beispiele, es können auch motorische, hydraulische oder pneumatische Antriebe zum Einsatz kommen.Drawing 12 shows an exemplary embodiment as a schematic exploded view. Two sensor arrays [001] and [008] are attached with the nut tool. The encoder magnet [002] is located at the end of the thread. Another sensor array [014] is attached to the screw head tool. The ring arrangement of the sensor elements is shown as an example. The screw connection connects the plates [005] and [006] as intended. For graphical reasons, these are partially shown transparently. The reference sensors [015] and [009] are fixed to these plates. A ring shape with permanent magnets is used here as an example. These rings can be fixed using the magnetic force alone if the plates are made of ferromagnetic material. When arranged as a Halbach array, the permanent magnets can generate an approximately homogeneous magnetic field inside the ring, which is therefore different from the clearly inhomogeneous magnetic field of the encoder magnet [002]. det. The manual drives outlined are just examples; motor, hydraulic or pneumatic drives can also be used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 4017726 C2 [0015]DE 4017726 C2 [0015]
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• DE 202022100423 U1 [0016]DE 202022100423 U1 [0016]
• DE 102016218017 B3 [0017]DE 102016218017 B3 [0017]
• DE 102013219079 A1 [0017]DE 102013219079 A1 [0017]
• EP 0609463 A1 [0017]EP 0609463 A1 [0017]
• EP 2216702 A1 [0017]EP 2216702 A1 [0017]
• CN 110273909 A [0018]CN 110273909 A [0018]

Claims (15)

Werkzeug zur Montage von Schraubverbindungen mit integrierten Messfunktionen, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein Encodermagnet [002] am Ende des Schraubengewindes befestigt ist, b) dass das Magnetfeld des Encodermagneten [002] von einem Sensor-Array [001], gebildet aus mehreren Magnetsensoren [022], räumlich verteilt erfasst wird, c) dass die Ausgangswerte des Sensor-Arrays [001] dazu beitragen, den inneren Verdrehungswinkel θ in Folge des in der Schraube wirkenden Torsionsmoments zu ermitteln.Tool for assembling screw connections with integrated measuring functions, characterized in that a) an encoder magnet [002] is attached to the end of the screw thread, b) that the magnetic field of the encoder magnet [002] is generated by a sensor array [001], formed from several magnetic sensors [022], is detected spatially distributed, c) that the output values of the sensor array [001] contribute to determining the internal twist angle θ as a result of the torsional moment acting in the screw. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass der innere Verdrehungswinkel θ zur Ermittlung der Vorspannkraft F_M herangezogen wird, b) wobei die ermittelte Abhängigkeit der Vorspannkraft F_M vom Verdrehungswinkel θ genutzt wird, welche durch Berechnung, Simulation und/oder Versuchsaufzeichnung ermittelbar ist.Tool after Claim 1 , characterized in that a) the internal twist angle θ is used to determine the preload force F _M , b) the determined dependence of the preload force F _M on the twist angle θ is used, which can be determined by calculation, simulation and / or test recording. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein erstes Sensor-Array [014] am Montagewerkzeug des Schraubenkopfes [007] befestigt ist und das Magnetfeld von einem magnetischen Bezugsgeber [015] erfasst, welches dem Drehwinkel β₁ der Platte [005] folgt und somit den Winkel W₁ liefert, b) dass dieser Winkel W₁ der Differenz zwischen den Drehwinkeln des Schraubenkopfes α und des Platte β₁ entspricht, c) dass ein zweites Sensor-Array [008] am Montagewerkzeug der Mutter [004] befestigt ist und das Magnetfeld von einem magnetischen Bezugsgeber [009] erfasst, welches dem Drehwinkel β₂ der Platte [006] folgt und somit den Winkel W₂ liefert d) dass dieser Winkel W₂ der Differenz zwischen den Drehwinkeln der Platte β₂ und der Mutter γ entspricht, e) dass ein weiterer Winkel W₃, welcher der Differenz zwischen den Drehwinkeln γ der Mutter [004] und Winkel δ des Encodermagnet [002] entspricht, aus den Daten des zweiten Sensor-Arrays [008] mit Signalverarbeitung abgetrennt wird, f) dass der innere Verdrehungswinkel θ in Folge des Torsionsmoments auf die Schraube aus der Summe der Winkel W₁, W₂ und W₃ ermittelt wird, g) wobei davon die Summe der Anfangswerte abgezogen wird, welche die drei Messwerte der Winkel W₁, W₂ und W₃ bei Beginn der effektiven Anziehphase [027] des Montagevorgangs mit wirksamer Montagevorspannkraft F_M aufweisen.Tool after Claim 1 , characterized in that a) a first sensor array [014] is attached to the assembly tool of the screw head [007] and detects the magnetic field from a magnetic reference sensor [015], which follows the angle of rotation β ₁ of the plate [005] and thus the Angle W ₁ provides, b) that this angle W ₁ corresponds to the difference between the rotation angles of the screw head α and the plate β ₁ , c) that a second sensor array [008] is attached to the assembly tool of the nut [004] and the magnetic field detected by a magnetic reference transmitter [009], which follows the angle of rotation β ₂ of the plate [006] and thus provides the angle W ₂ d) that this angle W ₂ corresponds to the difference between the angles of rotation of the plate β ₂ and the nut γ, e ) that a further angle W ₃ , which corresponds to the difference between the rotation angles γ of the nut [004] and angle δ of the encoder magnet [002], is separated from the data of the second sensor array [008] with signal processing, f) that the internal twist angle θ as a result of the torsional moment on the screw is determined from the sum of the angles W ₁ , W ₂ and W ₃ , g) from which the sum of the initial values is deducted, which are the three measured values of the angles W ₁ , W ₂ and W ₃ at the beginning of the effective tightening phase [027] of the assembly process with effective assembly preload force F _M. Werkzeug nach Anspruch 2 oder 3, jedoch abweichend dadurch gekennzeichnet, a) dass der Schraubenkopf [007] an einer der Platten [005] befestigt ist b) dass das Werkzeug für den Schraubenkopf [007] entfallen kann, c) ebenso wie das erstes Sensor-Array [014] und Bezugsgeber [015] wegfällt, und d) dass der Winkel W₁ als konstanter Wert nicht mehr berücksichtigt werden muss.Tool after Claim 2 or 3 , but characterized differently in that a) that the screw head [007] is attached to one of the plates [005] b) that the tool for the screw head [007] can be omitted, c) as well as the first sensor array [014] and Reference transmitter [015] is omitted, and d) that the angle W ₁ no longer has to be taken into account as a constant value. Werkzeug nach Anspruch 4, jedoch abweichend dadurch gekennzeichnet, a) dass eine Schraubenbauform ohne Schraubenkopf [007] zum Einsatz kommt, und b) dass der Schraubenbolzen unmittelbar an einer der Platten [005] befestigt ist.Tool after Claim 4 , but characterized differently in that a) a screw design without a screw head [007] is used, and b) that the screw bolt is attached directly to one of the plates [005]. Werkzeug nach Anspruch 4, jedoch abweichend dadurch gekennzeichnet, a) dass das Sensor-Array [001] nicht am Montagewerkzeug der Mutter [004] befestigt ist, sondern mit einem Befestigungsmittel [021] der Platte [006] auf der Seite der Mutter fixiert ist, b) dass durch den entstandenen geometrischen Bezug die Winkel W₁ und W₂ konstant bleiben, und c) dass der verbleibende Winkel W₃ unmittelbar dem gesuchten Verdrehungswinkel θ entspricht, d) wenn davon ein Anfangswert abgezogen wird, der bei Beginn der effektiven Anziehphase [027] erfasst wird.Tool after Claim 4 , but characterized differently in a) that the sensor array [001] is not attached to the assembly tool of the nut [004], but is fixed on the side of the nut with a fastening means [021] of the plate [006], b) that Due to the resulting geometric reference, the angles W ₁ and W ₂ remain constant, and c) that the remaining angle W ₃ directly corresponds to the sought angle of rotation θ, d) if an initial value is subtracted from this, which is recorded at the beginning of the effective tightening phase [027]. becomes. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Encodermagnet [002] mit einem anschraubbaren Adapter [012] am Gewindeende der Schraube [003] befestigt ist, und b) dass der Adapter [012] aus nicht ferromagnetischen Material gefertigt ist.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) that the encoder magnet [002] is attached to the threaded end of the screw [003] with a screw-on adapter [012], and b) that the adapter [012] is made of non-ferromagnetic material . Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens eines der Sensor-Arrays [001], [008] und [014] aus ringförmig angeordneten Magnetsensoren [022] aufgebaut ist, b) wobei mindestens ein Ring aus diesen Magnetsensoren [022] symmetrisch um die axiale Symmetrielinie der Schraubverbindung platziert ist.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) at least one of the sensor arrays [001], [008] and [014] is constructed from ring-shaped magnetic sensors [022], b) at least one ring of these magnetic sensors [ 022] is placed symmetrically around the axial line of symmetry of the screw connection. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens eines der Sensor-Arrays [001], [008] und [014] aus matrixartig angeordneten Magnetsensoren [025] aufgebaut ist, b) dass die matrixartige Anordnung symmetrisch um die axiale Symmetrielinie der Schraubverbindung platziert ist, c) wobei der benötigte Platz [023] für die Durchführung eines Schraubwerkzeuges ausgespart ist.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) that at least one of the sensor arrays [001], [008] and [014] is constructed from magnetic sensors [025] arranged in a matrix-like manner, b) that the matrix-like arrangement is symmetrical about the axial Line of symmetry of the screw connection is placed, c) the space required [023] for the implementation of a screwing tool is left out. Werkzeug nach einem Anspruch zuvor, dadurch gekennzeichnet a) dass mindestens einer der Bezugsgeber [009] und [015] mehrere Permanentmagneten [025] in Ringanordnung aufweisen, b) wobei diese Ringanordnung mit den Magnetausrichtungen nach dem Prinzip des Halbach-Arrays für ein nahezu homogenes Feld im Innenbereich der Ringanordnung sorgt, c) so dass die Überlagerungsanteile des Magnetfeldes mit der Ringanordnung und des Encodermagneten [002] nach diesen Quellen getrennt werden können, wobei deren unterschiedliche Gradientenverläufe rechnerisch ausgewertet werden, d) um damit nach der Trennung die jeweiligen Winkeldifferenzen W₂ und W₁ der Quellen zum Sensor-Array [001] zu erhalten.Tool according to one of the preceding claims, characterized a) that at least one of the reference sensors [009] and [015] have several permanent magnets [025] in a ring arrangement, b) this ring arrangement with the magnet alignments according to the principle of the Halbach array ensures an almost homogeneous field in the interior of the ring arrangement, c ) so that the superposition components of the magnetic field with the ring arrangement and the encoder magnet [002] can be separated according to these sources, with their different gradient curves being evaluated computationally, d) in order to determine the respective angular differences W ₂ and W ₁ of the sources to the sensor after the separation -Array [001] to get. Werkzeug nach einem Anspruch zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass mindestens einer der Bezugsgeber [009] und [015] durch eine Anordnung von Elektromagneten gebildet wird, b) wobei diese Elektromagneten ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, und c) die Anteile des magnetischen Wechselfeldes und des magnetischen Gleichfeldes des Encodermagneten [002] anhand unterschiedlicher Frequenzanteile getrennt werden.Tool according to one of the previous claims, characterized in that a) at least one of the reference sensors [009] and [015] is formed by an arrangement of electromagnets, b) these electromagnets generate an alternating magnetic field, and c) the components of the alternating magnetic field and of the direct magnetic field of the encoder magnet [002] can be separated based on different frequency components. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet a) dass der Beginn der Anziehphase [027] mit effektiver Vorspannkraft, durch das Überschreiten eines Schwellwerts des Anziehmoments und/oder des Drehwinkels der Mutter und/oder des Kopfes festgestellt wird, b) dass die Feststellung mit messtechnischen Mitteln und/oder durch die montierende Person und/oder bei der nachgelagerten Auswertung erfolgt, c) dieser Zeitpunkt t = t₀ als der Beginn der Anziehphase [027] bestimmt wird, d) wobei dann die abzuziehenden Anfangswerte der Winkel W₁(t = t₀),W₂(t = t₀) und W₃(t = t₀) festgehalten werden.Tool according to one of the preceding claims, characterized a) that the start of the tightening phase [027] with effective preload force is determined by exceeding a threshold value of the tightening torque and / or the angle of rotation of the nut and / or the head, b) that the determination is carried out using measuring technology and/or by the person assembling and/or in the subsequent evaluation, c) this point in time t = t ₀ is determined as the start of the tightening phase [027], d) the initial values of the angle W ₁ ( t = t ₀ ),W ₂ (t = t ₀ ) and W ₃ (t = t ₀ ) are recorded. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Erfassung und Digitalisierung der Sensorwerte der Sensor-Arrays, die Signalverarbeitung und die Zwischenspeicherung sowie die erforderlichen Berechnungen auf einen Prozessorsystem und/oder einen Mikrocontroller ablaufen.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) the acquisition and digitization of the sensor values of the sensor arrays, the signal processing and the buffering as well as the necessary calculations take place on a processor system and/or a microcontroller. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass der ermittelte Verdrehungswinkel θ genutzt wird, um das Torsionsmoment zu ermitteln, b) wobei die Regeln der technischen Mechanik mit Hilfe des Schubmoduls als Materialeigenschaft und des Modells der Geometrie der Drehstabfeder angewendet werden, und c) dass durch die Berücksichtigung des Torsionsmoments eine Überbeanspruchung der Schraube durch Torsion vermieden werden kann.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) the determined angle of rotation θ is used to determine the torsional moment, b) the rules of technical mechanics are applied with the aid of the shear modulus as a material property and the model of the geometry of the torsion bar spring, and c) that by taking the torsional moment into account, overstressing of the screw due to torsion can be avoided. Werkzeug nach einem der Ansprüche zuvor, dadurch gekennzeichnet, a) dass es als Schraubwerkzeug für die Demontage einer Schraubverbindung verwendet wird, b) dass der ermittelte Verdrehungswinkel θ beim Lösen der Verbindung benutzt wird, anstelle der Ermittlung eine Vorspannkraft F_M in dieser Verwendung die beschädigende Überlastung der Komponenten der Schraubverbindung zu vermeiden.Tool according to one of the preceding claims, characterized in that a) that it is used as a screwing tool for dismantling a screw connection, b) that the determined angle of rotation θ is used when loosening the connection, instead of determining a preload force F _M in this use which is damaging To avoid overloading the components of the screw connection.

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