DE19507390A1 - Schraubvorrichtung mit Meßeinrichtung - Google Patents
Schraubvorrichtung mit MeßeinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schraubvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist schon eine derartige
Schraubvorrichtung bekannt (EP 467 262 A1) bei der ein
Schraubwerkzeug in Umfangsrichtung und axial fest mit einer
Drehantriebswelle der Schraubvorrichtung verbunden ist. Eine
Messung der Vorspannkraft in der Schraubverbindung nach dem
Ultraschallwellen-Laufzeitverfahren ist mit dieser
Schraubvorrichtung nur bei positionsgenau auf die
Schraubverbindung aufgestecktem Schraubwerkzeug möglich, da
nur dann eine sichere Kontaktierung der Schraubverbindung
über Kontaktierungsmittel erfolgt. Vor dem Meßvorgang muß
das Schraubwerkzeug daher stets vollständig auf die
Schraubverbindung aufgesteckt werden, was sehr umständlich
ist. Werden die Kontaktierungsmittel axial federnd über das
Schraubwerkzeug hinausragend ausgebildet, besteht die
Gefahr, daß die empfindlichen Kontaktierungsmittel
beschädigt werden.
Die erfindungsgemäße Schraubvorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, daß eine Messung der Vorspannkraft auch dann
gewährleistet ist, wenn sich die Kanten von Schraubwerkzeug
und Schraubverbindung nicht exakt decken und daher das
Schraubwerkzeug nicht vollständig auf die Schraubverbindung
aufsetzbar ist. Dabei ist es unerheblich, ob das
Schraubwerkzeug für den Inneneingriff (z. B. Imbus) oder den
Außeneingriff (z. B. Außensechskant) ausgebildet ist. Es ist
eine sichere Kontaktierung der Messeinrichtung in jedem Fall
gewährleistet. Die Kontaktierungsmittel sind vor
Beschädigungen geschützt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen
Schraubvorrichtung möglich.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine
Schraubvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Schraubvorrichtung
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine
Ansicht einer Haltescheibe, Fig. 5 eine Ansicht eines
Schraubwerkzeugs, Fig. 6 eine Teilansicht der
Schraubvorrichtung gemäß Pfeil VI in Fig. 3 und Fig. 7
einen Querschnitt gemäß Linie VII-VII in Fig. 3.
In Fig. 1 ist mit 10 ein vorderer, schraubwerkzeugseitiger
Teil einer Schraubvorrichtung bezeichnet. Die
Schraubvorrichtung 10 weist eine Drehantriebswelle 11 auf,
welche mittels eines nicht näher dargestellten
Antriebsmotors drehend antreibbar ist. Am in Fig. 1
dargestellten Ende der Drehantriebswelle 11 ist eine
Werkzeugaufnahme 12 für ein Schraubwerkzeug 13 vorgesehen,
welches zum Anziehen einer Schraubverbindung dient. Von der
Schraubverbindung ist lediglich eine Schraube 14
beispielhaft dargestellt. Die Schraubvorrichtung 10 kann
jedoch ebenso an eine Mutter der Schraubverbindung angesetzt
werden. Das Schraubwerkzeug 13 ist an seinem der Schraube 14
zugewandten Ende 15 abgesetzt und mit einem Außensechskant
versehen, der zum Inneneingriff in eine entsprechende,
sechskantige Aufnahmeöffnung 16 in einem Kopf 14a der
Schraube 14 ausgebildet ist.
Die Schraube 14 ist an ihrem Kopf 14a mit einem
Schwingkörper 19, z. B. einem Piezokristall, versehen, der
bei entsprechender elektrischer Anregung hochfrequente
akustische Schwingungen erzeugt und in die Schraubverbindung
leitet. Umgekehrt empfängt der Schwingkörper 19
Echoschwingungen aus der Schraubverbindung und wandelt diese
in zugehörige Echosignale um. Durch Vergleichen von
Erregersignalen und Echosignalen in einer schematisch
dargestellten Auswerteeinrichtung 18 kann in bekannter Weise
auf den Spannungszustand in der Schraubverbindung und damit
auf die aktuelle Vorspannkraft geschlossen werden. Der
Schwingkörper 19 ist beispielsweise zentral in der
Aufnahmeöffnung 16 an einer Grundfläche 17 angeordnet.
Zur elektrischen Signalübertragung von der
Auswerteeinrichtung 18 auf den Schwingkörper 19 und
umgekehrt weist die Schraubvorrichtung 10
Kontaktierungsmittel 20 auf. Die Kontaktierungsmittel 20
umfassen ein Übertragungselement 21, das sich überwiegend in
der Drehantriebswelle 11 in einer Axialbohrung 22 axial
erstreckt. Das Übertragungselement 21 ist an seinem
schraubwerkzeugseitigen Ende zweiteilig mit einem axial
teleskopartig verschiebbaren, mit Federkraft in Richtung auf
die Schraube 14 beaufschlagten Kontaktstift 23 ausgebildet.
Das Übertragungselement 21 ist zur Aufnahme des
Kontaktstiftes 23 entsprechend hohlzylindrisch geformt. Ein
in Fig. 1 nicht dargestellter Anschlag verhindert, daß der
Kontaktstift 23 durch die Federkraft aus dem
Übertragungselement 21 herausgeschoben wird. In Fig. 1
befindet sich der Kontaktstift 23 in seiner
schraubwerkzeugseitigen Anschlagposition. An der freien
Spitze des Kontaktstiftes 23 ist eine Kontaktfläche 24
vorgesehen, die zur Kontaktierung des Schwingkörpers 19
dient. Das Übertragungselement 21 und der Kontaktstift 23
sind gegenüber der Drehantriebswelle 11 bzw. dem
Schraubwerkzeug 13 durch Isoliermittel 26, 27 elektrisch
isoliert.
Der Stromkreis von der Auswerteeinrichtung 18 zum
Schwingkörper 19 wird über einen Masseanschluß 25
geschlossen. Der Masseanschluß erfolgt dabei über die
Drehantriebswelle 11, das Schraubwerkzeug 13 und die
Schraube 14 zum Schwingkörper 19 die jeweils elektrisch
leitend ausgeführt sind. Es kann aber grundsätzlich auch ein
separater, isolierter Leiter als Masseanschluß vorgesehen
sein. Die Drehantriebswelle 11 und das Schraubwerkzeug 13
sind über ein Mehrkantprofil 30 drehschlüssig verbunden. Wie
aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Mehrkantprofil 29
beispielhaft als Vierkantprofil ausgebildet. Die
Werkzeugaufnahme 12 ist hierzu als Außenvierkant 30 geformt,
der teilweise in eine entsprechend als Innenvierkant 31
ausgebildete Öffnung 32 im Schraubwerkzeug 13 eingreift.
Axial gesichert wird das Schraubwerkzeug 13 auf der
Werkzeugaufnahme 12 durch zwei Sicherungselemente 33, welche
jeweils mit einem stiftartigen Ende radial durch Bohrungen
34, 35 im Schraubwerkzeug 13 in Längsnuten 36, 37 in der
Werkzeugaufnahme 12 eingreifen. Die Sicherungselemente 33
sind jeweils mit Spannbügeln 38, 39 versehen, welche sich
ringförmig über mehr als einen Viertelkreis und weniger als
einen Halbkreis erstrecken und aus federnd nachgiebigem
Material gefertigt sind. Die Spannbügel 38, 39 liegen am
Außenumfang des Schraubwerkzeugs 13 an. Nach Aufspreizen der
Spannbügel 38, 39 nach radial außen sind die
Sicherungselemente 33 vom Schraubwerkzeug 13 abziehbar.
Das Schraubwerkzeug 13 ist mit der Kraft einer Feder 40 in
Richtung auf die Schraube 14 beaufschlagt. Die Feder 40
stützt sich einerseits an einem Bund 41 der
Drehantriebswelle 11 und andererseits stirnseitig am
Schraubwerkzeug 13 ab. Am der Schraube 14 zugewandten Ende
15 des Schraubwerkzeugs 13 ist stirnseitig ein Ringvorsprung
42 angeordnet, der eine störungsfreie Kontaktierung zwischen
Schraubwerkzeug 13 und Schraube 14 im Bereich der
Grundfläche 17 ermöglicht.
Die Kontaktierung des Schwingkörpers 19 beim Aufsetzen des
Schraubwerkzeugs 13 erfolgt folgendermaßen: Ist lediglich
eine Messung der Vorspannkraft in der Schraubverbindung
beabsichtigt, wird die Drehantriebswelle 11 aus der in Fig.
1 gezeigten Position koaxial zur Schraube 14 an diese
herangefahren, bis die Stirnseite 43 des Schraubwerkzeugs 13
an der Schraube 14 aufliegt. Dabei ist die Lage der Kanten
von Schraubwerkzeug 13 und Aufnahmeöffnung 16 zueinander
unerheblich. Decken sich die Kanten in axialer Richtung
nicht, kommt das Schraubwerkzeug 13 mit seiner Stirnseite 43
an einer Kopffläche 44 der Schraube 14 zur Anlage und der
elektrische Massekontakt zwischen dem Schraubwerkzeug 13 und
der Schraube 14 wird geschlossen. Aufgrund der Längsnuten
36, 37 ist das Schraubwerkzeug 13 gegenüber der
Drehantriebswelle 11 entgegen der Federkraft 40 axial
verschiebbar, so daß die Drehantriebswelle 11 weiter zur
Schraube 14 hin verschiebbar ist, bis der Kontaktstift 23
den Schwingkörper 19 kontaktiert. Dabei kann die
Drehantriebswelle 11 zumindest soweit verschoben werden, bis
der Kontaktstift 23 in das Übertragungselement 21 einfedert.
In dieser Stellung ist der Schwingkörper 19 vollständig
elektrisch kontaktiert, so daß die Messung der Vorspannkraft
mittels der Ultraschall-Meßeinrichtung durchführbar ist.
Soll die Schraubverbindung 14 über die Schraubvorrichtung 10
angezogen bzw. gelöst werden, so sind die Kanten von
Schraubwerkzeug 13 und Aufnahmeöffnung 16 zueinander in
Deckung zu bringen. Das Schraubwerkzeug 13 kann dann in die
Aufnahmeöffnung 16 eingreifen, so daß der Ringvorsatz 42 an
der Grundfläche 17 zur Anlage kommt. Die Vorspannkraft ist
dann auch während des Anziehens bzw. Lösens der
Schraubverbindung meßbar.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 bis 7
sind gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gleiche oder
gleichwirkende Teile mit um 100 erhöhten Bezugszeichen
gekennzeichnet. Der Hauptunterschied zwischen dem ersten und
dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht in der Art und Weise
der axialen Festlegung des Schraubwerkzeugs 13, 113
gegenüber der Werkzeugaufnahme 12, 112, sowie in der
Ausbildung des Schraubwerkzeugs 13, 113. Analog zum ersten
Ausführungsbeispiel ist die Drehantriebswelle 111 von einem
Übertragungselement 121 axial durchzogen, an dem endseitig
ein teleskopartig einfederbarer Kontaktstift 123 angeordnet
ist. Übertragungselement 121 und Kontaktstift 123 sind
gegenüber der Drehantriebswelle 111 bzw. dem Schraubwerkzeug
113 durch Isoliermittel 126, 127 elektrisch isoliert. Über
die Kontaktfläche 124 des Kontaktstiftes 123 ist der
Schwingkörper 19 am Kopf 114a der Schraube 114 elektrisch
leitend mit der Auswerteeinrichtung 118 verbunden. Der
Stromkreis wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
über den Massenanschluß 125 geschlossen.
Die Werkzeugaufnahme 112 ist ebenfalls als Außenvierkant 130
ausgebildet, der bei aufgesetztem Schraubwerkzeug 113 in
eine entsprechende Innenvierkantaufnahme 131 des
Schraubwerkzeugs 113 greift. Der axialen Sicherung des
Schraubwerkzeugs 113 gegenüber der Drehantriebswelle 111
dient ein Bereich 136 mit gegenüber der Werkzeugaufnahme 112
verringertem Kantenquerschnitt des Außenvierkants 130. Eine
Scheibe 150 ist über eine Renkverbindung 151 mit dem
Schraubwerkzeug 113 auf deren der Drehantriebswelle 111
zugewandten Stirnseite verbunden. Am Schraubwerkzeug 113
sind hierzu mehrere Hinterschneidungen 152 am Umfang
verteilt angeordnet, in die die Scheibe 150 eingreifen kann.
In Fig. 4 ist die Scheibe 150 in Ansicht dargestellt,
während die Fig. 5 eine Ansicht der drehantriebsseitigen
Stirnseite des Schraubwerkzeugs 113 zeigt. An der Scheibe
150 sind am Umfang verteilt vier Flügel 153 angeordnet, die
in der gezeigten Drehstellung von Scheibe 150 und
Schraubwerkzeug 113 in zugehörige Ausnehmungen 154 axial
einschiebbar sind. Durch anschließendes Verdrehen der
Scheibe 150 gegenüber dem Schraubwerkzeug 113 entgegen dem
Uhrzeigersinn hintergreifen die Rastvorsprünge 152 einen
Überdeckungsbereich 155 der Flügel 153, so daß das
Schraubwerkzeug 113 axial in Grenzen des Bereichs 136 auf
der Werkzeugaufnahme 112 festgelegt ist. Die Scheibe 150
weist eine Durchgangsbohrung 156 auf, die so geformt ist,
daß sie über den Außenmehrkant 130 aufschiebbar ist und im
Bereich 136 mit verringertem Kantenquerschnitt der
Längsnuten 136, 137 gegenüber der Drehantriebswelle 111
verdrehbar ist. In Fig. 7 ist die Durchgangsbohrung 156 der
Scheibe 150 erkennbar. Im Bereich 136 sind die Kanten 137
des Außenvierkants 130 abgerundet. In der gezeigten
Drehstellung der Scheibe 150 wird das Schraubwerkzeug 113
durch die Kanten 137 des Mehrkantprofils 29 axial begrenzt.
Gegen Verdrehen in Umfangsrichtung ist die Scheibe 150 durch
ein Sicherungsblech 157 (siehe auch Fig. 6) gesichert, das
in der gesicherten Stellung in Rastvertiefungen 158 am
Außenumfang des Schraubwerkzeugs 113 federnd einrastet.
Das Schraubwerkzeug 113 ist auch beim zweiten
Ausführungsbeispiel durch eine Feder 140 in Richtung auf die
Schraube 114 vorgespannt. Die Feder 140 ist dabei in einem
Sackloch 160 am Ende 150 der Drehantriebswelle 111 teilweise
untergebracht und stützt sich an der Drehantriebswelle 111
ab.
Beim axialen Heranfahren der Drehantriebsspindel 111 an die
Schraube 114 sitzt das Schraubwerkzeug 113 zunächst am
Schraubenkopf 114a auf. Um dabei in jedem Falle einen
sicheren Massekontakt zu gewährleisten, ist stirnseitig im
Schraubwerkzeug 113 eine Ringausnehmung 160 angeordnet,
deren Durchmesser das Kantenmaß der Schraube 114 übersteigt.
Stehen die Kanten 161, 162 von Schraubwerkzeug 113 und
Schraubenkopf 114a nicht in Deckung, so wird beim weiteren
Heranfahren der Drehantriebswelle 111 das Schraubwerkzeug
113 axial entgegen der Kraft der Feder 140 verschoben, bis
der Kontaktstift 123 mit der Kontaktfläche 124 den
Schwingkörper 119 kontaktiert. Stehen die Kanten 161, 162
dagegen in Deckung zueinander, so übergreift das
Schraubwerkzeug 113 den Schraubenkopf 114a. Innerhalb der
Aufnahmeöffnung kann ein Ringvorsprung 142 vorgesehen sein
der die Massekontaktierung bei vollständig auf den
Schraubenkopf 114a aufgesetztem Schraubwerkzeug 113
zusätzlich verbessert. Durch die axiale Verschiebbarkeit des
Schraubwerkzeugs 113 ist jedoch eine Messung der
Vorspannkraft der Schraubverbindung auch möglich, ohne
vorher das Schraubwerkzeug 113 lagerichtig auf den
Schraubenkopf 114a aufsetzen zu müssen.
Claims (6)
1. Schraubvorrichtung mit Ultraschall-Meßeinrichtung, welche
Schraubvorrichtung (10, 110) mit einer Drehantriebswelle
(11, 111) zur Übertragung eines Drehmoments auf ein
Schraubwerkzeug (13, 113) versehen ist und
Kontaktierungsmittel (20, 120) zur elektrischen
Signalübertragung von einer Auswerteeinrichtung (18, 118) zu
einem an der Schraubverbindung (14, 114) angeordneten
Schwingkörper (19, 119) und umgekehrt hat, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13, 113) in
Umfangsrichtung drehfest und axial in Grenzen gegenüber der
Drehantriebswelle (11, 111) verschiebbar mit dieser
verbunden ist und in Richtung auf die Schraubverbindung (14,
114) zu axial mit der Kraft einer Feder (40, 140)
beaufschlagt ist.
2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) zum
Inneneingriff in eine Aufnahmeöffnung (16) am Kopf (14)
einer Schraube (14) ausgebildet ist.
3. Schraubvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß stirnseitig am Schraubwerkzeug (13) ein
Ringvorsprung (42) zur Kontaktierung der Schraube (14) im
Bereich einer Grundfläche (17) der Schraube (14) vorgesehen
ist.
4. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (13) mittels
Sicherungselementen (33) axial auf der Werkzeugaufnahme (12)
gesichert ist, welche Sicherungselemente (33) radial in
Längsnuten (36, 37) in der Drehantriebswelle (11)
eingreifen.
5. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schraubwerkzeug (113) mittels einer
Renkverbindung (151) gegenüber der Werkzeugaufnahme (112)
axial gesichert ist, wobei eine mit dem Schraubwerkzeug
(113) axial und in Umfangsrichtung verdreh- und
verschiebefest verbindbare Scheibe (150) in einen Bereich
(136) mit gegenüber der Werkzeugaufnahme (112) verringertem
Kantenquerschnitt eingreift.
6. Schraubvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Festlegung der Schreibe (150) gegen
Verdrehen in Umfangsrichtung mittels wenigstens eines
Sicherungsblechs (157) erfolgt, das in eine am Außenumfang
des Schraubwerkzeugs angeordnete Rastvertiefung (58)
einrastbar ist.
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