DE2708923A1

DE2708923A1 - Steuerkreis fuer ein drehmoment-werkzeug

Info

Publication number: DE2708923A1
Application number: DE19772708923
Authority: DE
Inventors: Gregg Jonsson
Original assignee: Thor Power Tool Co
Current assignee: Thor Power Tool Co
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1977-09-08
Also published as: BR7701304A; CA1106040A; IN148711B; JPS52111100A; SE7702322L; GB1577526A; JPS5758271B2; MX146004A; AU506635B2; IT1080417B; US4074772A; ZA77547B; FR2343285B1; FR2343285A1; AU2212477A

Description

PATOJTANWALT

DIPL-ING.

HELMUT GCRTZ

6 FrtuiUurS osi Won 70 Cf.

TU1707>

1. März 1977 THOR POWER TOOL COMPANY Gzw/goe

Steuerkreis für ein Drehmoment-Werkzeug.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuerkreis für ein Drehmoment -Werkzeug gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Die Erfindung betrifft somit Steuerkreise für Werkzeuge zur AusDrehmoments .

übung eines/Im speziellen betrifft sie Schaltkreise, die das Arbeiten eines Drehmoment-Werkzeuges, z.B. eines Mutternsch^aubers oder einer ähnlichen Einrichtung, steuern. Dieser Typ eines Drehmoment-Werkzeuges kann elektrisch oder pneumatisch angetrieben werden und wird dazu verwendet, eine Mutter auf einen Gewindebolzen zu schrauben oder v.'ird für ähnliche Drehmomentvorgänge bei anderen Typen von Befestigungseinrichtungen verwendet.

Solche Werkzeuge waren an sich für eine bestimmte Zeitperiode in Betrieb. Es ist seit langer Zeit ein Problem, die Arbeitsperiode des Werkzeuges Jeder Befestigungseinrichtung zu bestimmen, damit eine maximale Festigkeit und Stärke erzielt werden kann. Daher weisen die meisten Werkzeuge eine Einrichtung zum Begrenzen des Betrages des Drehmoments auf, das durch das Werkzeug entwickelt wird, so daß die von dem Werkzeug angezogene Befesti-

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gungseinrichtung nicht bis zu einem Punkt mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, bei dem sie bricht oder sich wesentlich lockert. Bekannte Techniken zum Steuern des Abschaltpunktes der Einrichtung verwenden eine Schlupfkupplung, eine Drehmoment-Erfassungseinrichtung zum Vergleichen dos entwickelten Drehmoments mit einem vorbestimmten Maximum und ähnliche Anordnungen.

Vor kurzem wurde gefunden, daß auf einer Befestigungseinrichtung ein Maximum an Ermüdungswiderstand (fatigue resistance) mit minimalen zusätzlichen Kräften (stress) ausgeübt werden kann, indem man eine Mutter auf einer Schraube bis zu einem Punkt befestigt, bei dem die Schraube (oder andere Befestigungseinrichtungen) erstmalig die Streckgrenze (yield) erreicht oder bis zu einem Punkt, der dicht darunter liegt, abhängig von der gewünschten Anordnung. Diese Gedanken finden sich in dem Artikel: "Preloading for optimum Bolt Efficiency" von R.J.Finkeiston, Aug. 197¹I in der Zeitschrift "Assembly Engineering", Seiten 2H-28.

Es ist gegenwärtig noch keine Einrichtung entwickelt worden, die akkurat das Einsetzen der Torsionsgrenze (onset of yield) bestimmt und davon abhängig das auf eine Befestigungseinrichtung während des Arbeitens des Werkzeuges ausgeübte Drehmoment steuert. Beispiele von bekannten Werkzeugen, die eine Drehmomentsteuerung oder Drehmoment-Erfassungsmittel aufweisen, finden sich z.B.

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in den US-PS 3,827,5o6 und 3,538,763. In beiden Schriften werden die Befestigungseinrichtungen bis zu einem vorbestimmten maximalen Drehmoment mit Drehmoment beaufschlagt, ohne jedoch dabei das Drehmoment Im Auge zu haben, das notwendig ist, eine gegebene Befestigungseinrichtung in den Torsionsgrenzbereich zu bringen. Aufgrund der von Probe zu Probe auftretenden Änderungen in den Befestigungseinrichtungen konnte kein optimales Resultat erzielt werden, insofern, als einige Befestigungseinrichtungen über die Torsionsgrenze hinaus mit einem Drehmoment beaufschlagt wurden, während andere diesen Grenzbereich nicht erreichen bder sogar überdreht werden.

Eine bekannte Methode zum Bestimmen des Erreichens der Torsionsgrenze besteht darin, die Änderung des Drehmomentes in Bezug auf die Winkelposition des Werkzeuges zu messen. Diese Methode ist zwar Im Prinzip funktionsfähig, hat jedoch den Nachteil, daß das Werkzeug in einem Rahmen oder einer anderen Aufhängung montiert sein muß, derart, daß sich die Winkelorientierung des Werkzeuges nicht verschiebt und dadurch den Steuerkreis verstimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile dieser bekannten Methode zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches·

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Der Nachteil der bekannten Methode wird somit durch die Erfindung in der Welse vermieden, daß das überschreiten der Torsionsgrenze bzw. das Einsetzen der Torsionsscherung dadurch bestimmt wird, daß man die zeitliche Änderung des Drehmomentes mißt. Dies ist dadurch möglich, weil die Zeit eindeutig zu den Umdrehungen eines Drehmoment ausübenden Werkzeuges in Beziehung steht, wenn das Werkzeug eine ausreichende Kraft besitzt, um die Schraube abzuscheren, auf der es eine Befestigungseinrichtung betätigt. Die Befreiung des Werkzeuges von der Notwendigkeit einer Aufhängung 1st ein wesentlicher Vorteil bzw. ein wesentliches Erfordernis, wenn solche Werkzeuge Im großen Umfang in den heutigen Zusammenbau-Arbeitsvorgängen verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich fomit auf einen Drehmomentwerkzeug-Steuerkreis, der in der Lage ist, das Einsetzen der Torsionsscherung in einer Befestigungseinrichtung festzustellen und das Drehmoment-Werkzeug an einem vorbestimmten Punkt im plastischen Bereich abzuschalten.

Der Steuerkreis betätigt vorzugsweise das Drehmoment-Werkzeug zyklisch, um somit übergroße Drehmoment-Beträge zu verhindern, solange sich die Befestigungseinrichtung der Torsionsgrenze nähert. Diese Steuereinrichtung für ein Drehmoment-Werkzeug erfaßt mit Vorteil das Einsetzen der Torsionsscherung in eine Befestigungseln-

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richtung, ohne Verwendung von Winkelcodierer und ohne das Erfordernis einer Befestigungseinrichtung für das Werkzeug.

Die Erfindung findet im speziellen Anwendung bei einem pneumatisch gesteuerten Mutter/Schrauben-System, bei dem ein Drehmoment-Werkzeug eng gesteuert ist, um wiederholbar ein gewünschtes Drehmoment in dem elastischen Bereich der Befestigungseinrichtung zu erhalten,

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbe!spielen.

Es zeigen:

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehmoment-Werkzeuges entsprechend der Erfindung in Verbindung mit einem Blockschaltbild eines Steuerkreises für das Werkzeug;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Steuerkreises nach Pig. I; Fig. 3 eine detaillierte Schaltung des Steuerkreises;

Fig. 4 eine detaillierte schematische Darstellung eines modifizierten Detektors zur Verwendung in einem Steuerkreis entsprechend der Erfindung;

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Pig. 5 ein Kurvenform- und Zeitdiagramm zur Erleichterung des Verständnisses der Schaltungs-Arbeitsweise.

Pig. 1 zeigt einen luftgesteuerten Mutterschrauber mit einem Sockelstift (socket pin) 10, der durch einen Luftmotor 11 angetrieben wird. Dieser Luftmotor 11 erhält von einer Luft-Eingangsversorgung 12 über ein Steuerventil 13 Luft. In dem vorliegenden Pail wird das Ventil 13 durch eine elektrische Spule I¹I gesteuert. Der Luftmotor 11 ist mit dem Sockel Io über einen Getriebekasten 16 verbunden. Ein übertrager oder Dehnungs-Meßstreifen 17 erfaßt den Betrag des Drehmoments, der von dem Sockel bzw. der Fassung Io ausgeübt wird. Das Luftventil, der Motor, der Getriebekasten und der übertrager sind in einem Gehäuse 15 eingeschlossen, während

sich der Sockel Io an einer Welle 2o befindet, die sich durch das eine Ende des Gehäuses hindurch erstreckt.

Der übertrager 17 ist ein Brückenkreis, mit einer Brückenschaltung l8_t der veränderliche Widerstands-Dehnungsmeßstreifen vorsieht. Die Einzelheiten des Übertragers 17 und anderer Teile des Systems sind in den US-PS 3,92o,o82; 3,92o,o88 und 3,926,2611 erläutert. Das Ausgangssignal des Brückenkreises 18 besteht aus einer veränderlichen Gleichspannung auf den zwei Ausgangsleitungen 19· Die Höhe der Gleichspannung ist eine Punktion des dynamischen Ausgangs-Drehmoments des Werkzeuges. Es sind Kondensatoren 2k vorgesehen,

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AO

um sicherzustellen, daß die Spannring über den Leitungen 19 das dynamische Drehmoment und nicht das Start-Drehmoment repräsentiert, das auftritt, wenn das Werkzeug zunächst eingeschaltet wird. Die Kondensatoren wirken in der V/eise, daß sie Spannungsspitzen, die beim Startvorgans auftreten, wegnehmen.

Der Ausgang der Brücke 18 ist mit einem Vorverstärker 21 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit einem Spitze- und Haltekreis 22 und mit dem Werkzeug-Steuerkreis 26 verbunden ist. Der Spitze- und Haltekreis ist von bekanntem Aufbau und arbeitet in der Welse, daß er den Spitzenwert der Spannung am Ausgang des Vorverstärkers 21 speichert, bis er durch ein Signal auf der Leitung 23 zu Beginn jeder Werkzeuginbetriebnahme zurückgestellt wird. Das Ausgangssignal des Spitzen- und Haltekreises 22, welches die Spitzenspannung, die von dem Vorverstärker 21 während eines Werkzeugzyklus erzeugt wird, darstellt, wird über die Leitung 25 dem Werkzeugsteuerkreis zugeführt.

Der Steuerkreis 26 erhält das Vorverstärkersignal und das Spitze- und Haltesignal und pulst auf eine Art und Weise, die nunmehr beschrieben wird, die Spule I¹I wiederholt ,um das Werkzeug mit kurzen Impulsen zu beaufschlagen, bis durch den übertrager 17 und den Schaltkreis 26 das Eintreten in den Torsionsscherbereich angezeigt wird. Da das Eintreten in diesen Bereich ein Signalmuster erzeugt,

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das sehr ähnlich demjenigen beim anfänglichen Hochlauf ist, d.h. dem freien Lauf der Mutter auf der Schraube, ist ein Drehmoment-Schwellwertkreis vorgesehen, um zu verhindern, daß das Werkzeug abgeschaltet wird, bevor mindestens ein minimales Drehmoment erfaßt worden 1st.

Aus Fig. 2, die ain detailliertes Blockschaltbild darstellt, sind die Grundfunktionen, die von dem Steuerkreis 26 durchgeführt werden, ersichtlich. Das Spitze- und Haltesignal wird an einen Detektor 3o und an einen Schwellwertkreis 32 angelegt. Der Detektor 3o erfaßt eine positive zeitliche Änderung des Drehmomentes. Der Schwellwertkreis 32 verhindert ein vorzeitiges Abschalten des Werkzeuges. Der dem Vorverstärker zugeordnete untere Eingang ist mit einem Impulskreis 31 verbunden, der während der ersten Stufe des Betriebes das Ein- und Ausschalten des Werkzeuges über den Spulen-Treiberkreis 36 übernimmt.

Die Ausgangssignale des Detektors 3o und des Schwellwertkreises 32 werden einem Impulsformerkreis Io zugeführt, von wo aus sie auf einen integrierenden Schaltkreis 12 gelangen. Es erfolgt ein Abschalten des Werkzeuges, wenn der Integrator Massesignal eines anfänglichen Punktes erreicht, der auf einen gewünschten Punkt in dem plastischen Bereich eingestellt werden kann, an dem eine Abschaltung erfolgen soll. Solange ein Anwachsen des Drehmoments

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erfaßt wird, hat die Befestigungseinrichtung noch nicht diesen plastischen Bereich erreicht, d.h. ist noch nicht- in den Bereich der Torsionsscherung eingetreten. Daher wird das Ausgangssignal des Kreises 4o dazu verwendet, den Integrator 42 zurückzustellen, um ihn auf seinem anfänglichen Wert zu halten. Wenn man sich in der plastischen Region befindet, baut sich das Drehmoment nicht weiter auf, vgl. Fig. 5, wodurch der Integrator nicht mehr länger durch den Detektor 3o über den Impulsformerkreis 4o zurückgestellt wird. Der Integrator 42 integriert dann von seinem vorgegebenen Wert auf Null. Wenn der Integrator Massesignal erreicht, wird ein Ausgangssignal an einen Vergleicherkreis 44 angelegt, der ein Abschalten des Impulskreises 34 bewirkt.

Der Schwellwertformer, die Integrator- und Pulskreise weisen einstellbare Widerstandselemente, z.B. Potentiometer, auf, um den Steuerkreis wie gewünscht einstellen zu können. So kann z.B. der Niedrigpegel-Schwellwert abhängig von den Werkzeugcharakteristiken und dem Typ der angetriebenen Befestigungseinrichtungen auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Der Former 4o kann ebenfalls auf die gewünschte Arbeitsweise eingestellt werden und der Integrator 42 kann so eingestellt werden, daß sein Anfangspunkt oberhalb des Massesignals liegt. Nachdem diese anfänglichen Einstellungen vorgenommen worden sind, beginnt der Steuerkreis zu arbeiten und pulst das Werkzeug, um die Mutter auf den Bolzen zu schrauben, bis das Eintreten der Torsionsscherung erfaßt wird. An diesem

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Punkt, abhängig von der Einstellung des Integrator-Potentiometers, wird durch die Arbeitsweise des Werkzeuges die Mutter auf einen gewünschten Drehmomentpunkt in der Dehnungskurve (vgl. Fig. 5) eingestellt.

Die Fig. 3 zeigt ein Schaltbild des Steuerkreises. Zur Erleichterung des Verständnisses sind Teile der Schaltung mit gestrichelten Linien umgeben, wobei diese Abschnitte des Blocks dem Blockschaltbild nach Fig. 2 entsprechen. Betrachtet man den Abschnitt mit dem Detektor 3o, so ist ersichtlich, daß das Spitzen- und Haltesignal des Spitzen- und Haltekreises 22 über ein Paar von Widerständen 53 und 54 an die Eingänge eines Operationsverstärkers 5o angelegt ist. Der Plus-Eingang des Verstärkers 5o ist über einen Kondensator 56 mit Masse verbunden, währenddessen der Minus-Eingang des Verstärkers über einen Rückkoppel-Widerstand 58 mit dem Verstärkerausgang verbunden ist.

Durch das Vorhandensein des Kondensators 56 eilt der positive Eingang dem negativen Eingang nach. Dies bewirkt, daß das Ausgangssignal des Verstärkers immer dann ins Negative geht, wenn das Spitzen- und Haltesignal anwächst. In Fig. 5 stellt die Ziffer 122 das momentane Drehmoment-Ausgangssignal des Vorverstärkers 21 dar, und die Ziffer 124 kennzeichnet das Spitzen- und Halte-Ausgangssignal des Kreises 22. Währenddessen das Signal 122 sich in einer pulsierenden Weise ändert, verbleibt das Signal 124 durch die Speicherfunktion des Kreises 22 auf dem vorausgehenden Spitzen-

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wert des Signals 122. Das Signal 124 ist in Fig. 5 in gestrichelten Linien dargestellt. Wenn das Spitze- und Haltesignal 124 konstant ist, dann ist das Ausgangs signal des Verstärkers gleich Null oder besitzt einen kleinen positiven Wert gleich dem Spitzen- und Haltesignal. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß, wenn das Spitzen- und Haltesignal 124 ansteigt, das Ausgangssignal des Verstärkers 5o ins Negative geht. Ist das Spitzen- und Haltesignal 124 konstant, dann hat das Ausgangssignal des Verstärkers einen schwach positiven Wert gleich dem Wert des Spitzen- und Haltesignals. In Fig. 5 zeigt der Kurvenvei3auf 128 das Ausgangssignal des Verstärkers 5o.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Detektorabschnittes 3o dargestellt. In dieser dargestellten Ausführungsform ist der von dem Verstärker 5o erzeugte Spannungsverlauf der gleiche, Jedoch sind die Eingangsverbindungen unterschiedlich. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Spitzen- und Haltesignal an den negativen Eingang des Verstärkers über einen Kondensator 62 angelegt, währenddessen der positive Eingang mit dem Massesignal verbunden ist. Ein Rückkoppel-Widerstand 64 in Verbindung mit einem parallel geschalteten Kondensator ist zwischen den Verstärkerausgang und den negativen Eingang geschaltet und bildet ein Differenzierglied. Dieser Teilschaltkreis erzeugt nur dann ein negatives Ausgangssignal von Massepotential, wenn eine dyna-

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mische Änderung in dem angelegten Spitzen- und Haltesignal vorhanden 1st. Das bedeutet, daß, wenn das Spitzen- und Haltesignal 12M ansteigt, der Verstärker, wie in Pig. 5 dargestellt, ein negatives Ausgangssignal erzeugt.

Zurück zur Pig. J; das Spitzen- und Haltesignal 12Ί wird weiterhin an den Niedrigpegel-Schwellwertkreis 32 angelegt. Dieser Schaltkreis weist einen Operationsverstärker 66 auf, dessen negativer Eingang über eine Reihenschaltung von Widerständen einschließlich eines veränderlichen Widerstandes 68 mit einer positiven Bezugsspannung verbunden ist. Das Spitzen- und Haltesignal 124 wird über den Widerstand 7o an den Plus-Eingang des Verstärkers angelegt. Solange das angelegte Spitzen- und Haltesignal kleiner als die Bezugsspannur.g, vorgegeben durch den Widerstand 68, ist, ist das Ausgangssignal des Verstärkers 66 negativ. Wenn das Spitzen-und Haltesignal die Bezugsspannung übersteigt, dann geht das Ausgangssignal des Verstärkers 66 ins Positive (Kurven-

Wie bereits früher erwähnt, besteht der Zweck des Schwellwertkreises darin, zu verhindern, daß der Integratorkreis 42 während des anfänglichen Hochlaufens der Mutter auf der Schraube arbeitet. Wie man bei der Betrachtung der Kurvenform 122 in Fig. 5 erkennt, wird während des anfänglichen Hochlaufes eine im wesentlichen flache Dröroment-Charakteristik erzeugt, die nahezu identisch mit der Charakteristik ist, die das Einsetzen des unelastischen

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- >9 Ab

bzw. plastischen Bereiches anzeigt. Der Schwellwert-Sperrkreis hält den Integrator-Kreis 42 in zurückgestelltem bzw. gelöschtem Zustand, bis ein ausreichendes Drehmoment erfaßt worden ist, um sicherzustellen, daß der anfängliche Hochlauf überschritten ist. Dieser ausreichende Drehmoment-Wert wird durch eine geeignete Einstellung des Potentiometers 68 vorgegeben. Wenn das Spitzen- und Haltesignal 124 den durch das Potentiometer 68 vorgegebenen Spannungswert 126 übersteigt, dann hat das Drehmoment den vorbestimmten Wert Überschritten, so daß nunmehr der Integrator freigegeben werden kann,damit er in der gewünschten Weise arbeitet.

Der Kurvenformerkreis 4o erhält an seinem negativen Eingang das Ausgangssignal der Verstärker 5o und 66. Das Gegenwärtigsein eines negativen Signals auf beiden Verstärkern veranlaßt, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 74 ins Positive geht. Dies reicht aus, um den Integratorkreis 42 in einer Art zurückzustellen, die nunmehr beschrieben werden soll. Wenn einmal die Drehmoment-Schvrel-Ie überschritten worden ist, dann geht der Verstärker 66 ins Positive und beeinträchtigt nicht länger mehr die Arbeitsweise des Verstärkers 74. Seine Arbeitsweise wird allein durch das Ausgangssignal des Verstärkers 5o gesteuert.

Das Signal am positiven Eingang des Verstärkers Tk ist eine negative Spannung, die durch die Einstellung eines variablen Widerstandes 79 bestimmt wird, dessen Wert so gewählt ist, daß er eine

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geeignete Impulsform und Impulsbreite für die Verwendung in dem verbleibenden Teil des Schaltkreises erhält. Das Ausgangssignal des Verstärkers 7¹· ist in Fig. 5 als Kurvenform 80 dargestellt. Aus dieser Kurvenform ist ersichtlich, daß bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Sperr-Schwellwertsignal 126 ansteigt, das Ausgangssignal des Verstärkers 7^ auf dem Wert "hoch" bleibt. Nachdem das Schwellwertsignal 126 überschritten worden ist, folgt das Ausgangssignal des Verstärkers 7** dem Ausgangssignal 128 des Verstärkers 5o und gebt dabei ins Positive .jedesmal dann, wenn ein Ansteigen des Spitzen- und haltesignals 12¹I erfaßt wird, sowie ins Negative, wenn das Spitzen- und Haltesignal 124 konstant bleibt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 7^ wird an den Integratorkreis 42 angelegt. Dieser Integratorkreis kZ weist einen Feldeffekt-Transistor 82 auf, der im Rückkoppelkreis zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 84 geschaltet ist. Der Transistor 82 arbeitet als eine Art Rückstellschalter für den Verstärker, der als Integrator geschaltet ist. Der Punkt, an dem die Integration beginnt, wird durch die Einstellung eines variablen Widerstandes 86 bestimmt, der eine positive Spannung gegenüber dem Potential Masse vorgibt. Der Integrator arbeitet nur in dem Intervall der Impulsperlode, indem das Werkzeug abgeschaltet ist, wobei dieser Zustand erfaßt wird, indem man das

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Ausgangssignal des Impuls-Steuerkreises 34 an den negativen Eingang des Verstärkers 84 über die Leitung 88 und die Diode 9o anlegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 84 wird über die Leitung 92 abgenommen und an den Vergleicherkreis 44 angelegt.

Das Einstellen des variablen Widerstandes 86 gibt den Spannungswert vor, bei dem die Integration beginnt und bestimmt weiterhin die Größe des Integrals entsprechend einer Formel, die weiter unten folgt. Während seines Betriebes fällt das Ausgangssignal des Verstärkers 84 von dem anfänglichen positiven Wert auf einen negativen Spannungspegel. Wenn der Wert des Ausgangsigna.ls des Verstärkers 84 auf der Leitung 92 ins Negative bis auf die Systemmasse geht, erzeugt der Vergleicher 44 ein Ausschaltsignal, und das weitere Arbeiten des Werkzeuges wird gestoppt.

Es ist aus der beschriebenen Schaltung ersichtlich, daß zwei Bedingungen vorliegen müssen, damit der Integrator arbeitet. Zuerst muß das Ausgangssignal des Verstärkers 74 negativ sein, so daß der Transistor 82 gesperrt ist. (Ist das Ausgangssignal des Verstärkers 74 positiv, ist der Transistor 82 eingeschaltet und stellt den Verstärker 84 auf seinen anfänglichen Wert zurück und sperrt die Integration.) Zweitens muß das Ausgangssignal des Impuls-Steuerkreises 34 positiv sein, was anzeigt, daß das Werkzeug abgeschaltet ist.

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In Abweserheit eines positiven Signals auf der Leitung 88 wird der Integrator im Hinblick auf die Sperrwirkung der Diode 9o nicht integrieren. Wenn ein positives Signal erfaßt ist, tritt über der Diode ein Spannungsabfall von ungefähr 0,5 Volt auf, und der Rückkoppel-Kondensator 5¹· beginnt sich aufzuladen. Dies bewirkt, daß der negative Eingang des Verstärkers 84 ins Positive geht in Bezug auf den Plus-Eingang des Verstärkers, um dabei ein negatives Ausgangssignal auf der Leitung 92 zu erzeugen. Abhängig von dem Wert des Kondensators 9^ erniedrigt sich die Spannung an dem Ausgang auf der Leitung 92 um einen bestimmten Betrag.

Die Integrationszeit des dargestellten Operationsverstärkers-Schaltkreises kann in bekannter Weise wie folgt berechnet werden:

T =

wobei T - die Zeit in Sekunden

V - die Potentiometerspannung

R_ft£ = den Wert des Widerstandes 96 in Ohm 96

Cgi. = den Wert der Kapazität des Kondensators 9** in Farad V = die Ausgangsspannung des Verstärkers Io4 V. * den Spannungsabfall über der Diode 90 darstellen.

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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß der Integrator für die Dauer Jedes AÜS-Intervalles während des Arbeltens des Werkzeuges eingeschaltet 1st, wobei die Annahme getroffen 1st, daß die Niedrigpegel-Schwelle fiberschritten worden 1st. Jedesmal dann, wenn der Integrator angeschaltet 1st, beginnt er den Integrationsvorgang auf einen negativen Wert hin, wobei er, wenn er nicht durch das Erfassen eines ansteigenden Spitzen- und Haltesignals 124 zurückgestellt wird, bis hin zu dem Signal Nasse integriert, so wie es durch die Kurvenform 98 angezeigt ist. Wenn der Integrator bis zu dem Signal Masse Integriert, schaltet der Vergleicherkreis 44 das Werkzeug ab. Das Ausgangssignal des Integrator-Verstärkers 84 ist als Kurvenform 98 in Pig. 5 dargestellt.

Die Dauer der Zeit T zum Umladen des Kondensators 94 von dem hohen Rflckstellwert auf das Signal Nasse kann als Zeltperiode oder Zeltintervall aufgefaßt werden, wobei die Dauer der Zeit T durch die Werte der Schaltungskomponenten des Integrators 42 bestimmt wird. Wenn Innerhalb dieser Zeitperiode ein Anstieg in dem Spitzen- und Haltesignal 124 nicht erfaßt wird, so wird das Werkzeug abgeschaltet. Daher erfaßt über die Dauer der Zeitperiode der Integrator das Fehlen eines Anstieges In dem Signal 124 und schaltet beim Fehlen eines Anstieges in der Drehmomentspitze das Werkzeug ab.

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Das Ausgangssignal des Integrators auf der Leitung 92 wird an den negativen Eingang eines Operationsverstärker:; loo des Vergleicherkreises M angelegt. Der positive Eingang dieses Verstärkers liegt auf einem Bezugspotential, dem Massepotential. Solange das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers positiv in Bezug auf das Massesignal ist, ist das Ausgangssignal des Verstärkers loo negativ und ist gegenüber dem Pulsgeneratorkreis durch die Diode Io2 gesperrt. Wenn das Integrator-Ausgangssignal in Bezug auf das Massesignal ins Negative geht, dann geht das Ausgangssignal des Verstärkers loo ins Positive, wobei dieses Signal an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers ΙοΊ über die Leitung io6 angelegt ist.

Ein Verstärker ΙοΊ des Impuls-Steuerkreise3 3^ empfängt das vorverstärkte Signal 122 des Vorverstärkers 21 an seinem positiven Eingang, an dem weiterhin das Signal des Verstärkers loo anliegt. Der negative Eingang dieees Verstärkers loi liegt an einer Bezugsspannung, nämlich auf einer vorbestimmten positiven Spannung, die durch den Wert des veränderlichen Widerstandes Io8 bestimmt wird. Solange das Ausgangssignal des Verstärkers loo sich ins Positive ändert, ist das Signal am Plus-Eingang des Verstärkers loM eine Punktion des Vorverstärkersignals. V/enn das Werkzeug ein Drehmoment auf die Befestigungseinrichtung ausübt, dann steigt das Vorverstärkersignal an. Wenn dieses Signal den Wert der Impuls-

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schwelle 13ο, bestimmt durch den Widerstand I08, überschreitet, dann geht das Ausgangssignal des Verstärkers Io4 ins Positive, so wie es in der Kurvenform Ho in Fig. 5 dargestellt ist. Ein positives Ausgangssignal von diesem Verstärker bewirkt, daß die Treiberspule 36 abgeschaltet wird, wodurch das Werkzeug gestoppt wird. Infolge der Ansprechverzögerung des Ventils und des Werkzeug-Trägheitsmomentes steigt das Drehmoment weiter an, so wie es in der Kurve 122 in Fig. 5 dargestellt ist. Nachdem diese Effekte abgeklungen sind, beginnt das Drehmoment zu fallen und mit ihm das Vorverstfirker-Ausgangssignal. Wenn das VorverstSrker-Aupgangssignal unterhalb der Schwelle des Impuls-Schwellwertes 13o abfällt, dann geht das Ausgangssignal des Verstärkers Io4 ins Negative, wodurch erneut die Treiberspule 36 angeschaltet wird, die das Werkzeug erneut anschaltet. Dieser Zyklus wiederholt sich solange, bis das Ausgangs signal des Verstärkers loo ins Positive geht, und die Arbeitsweise des Impulskreises übersteuert und das Werkzeug ausschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers loo ist in Fig. 5 als Kurvenform 112 dargestellt. Wie bereits früher erwähnt, wird das Ausgangssignal des Verstärkers Io4 über die Leitung 88 auf den Integratorabschnitt zurückgeführt.

Das Ausgangssignal des Impulskreises 3¹* wird an den Treiberspulenkreis 36 angelegt, der einen Verstärkerabschnitt darstellt und einen Transistor 114 sowie ein Verstärkerpaar Ho und II8 in Darlington-Schaltung aufweist. Der Spulentreiber ist an die Kontakte

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einer Spule l4 angelegt zwecks Betätigung des Luftventils 13· Falls erforderlich, kann ein Spannungs-Verdopplungskreis mit einem Kondensator 12o und einem Widerstand 122 vorgesehen werden, um die Arbeitsweise der Luftventilbetätigung zu verbessern.

Der beschriebene Schaltkreis arbeitet wie folgt:

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 kann die Arbeitswelse der Schaltung am besten beschrieben werden, Indem man die Ausgangssignale der verschiedenen Abschnitte in Bezug auf die graphische Darstellung des Drehmomentes als Funktion der Zelt betrachtet. Ein typischer

Kurveηverlauf, der dfe zeitliche Änderung des Drehmomentes darstellt, ist In Fig« 5 unter der Bezugsnummer 122 dargestellt. Die dargestellte Kurvenform stellt die typische Arbeltsweise eines Nutt er schrauber s dar, der e'.ne Mutter auf eine Schraube aufschraubt und die Mutter auf einen vorbestimmten Punkt in den plastischen Bereich der Schraube bringt.

Die Tätigkeit des Anziehens der Befestigungseinrichtungen vrird eingeleitet durch das Drücken des Schalters 31 durch den Werkzeug- Bedienenden. Dadurch wird ein Rückstellsignal erzeugt, das über die Leitung 23 an den Spitzen- und Haltekreis 22 angelegt ist. VIe der abfallende Teil der gestrichelten Linie zum Ausdruck bringt, bewirkt dies, daß das Spitzen- und Haltesignal 124 zu Beginn des Arbeitszyklus auf Null abfällt. Wenn das Signal unterhalb des Sperrwertes 126 des Schwellwertkreises 32 fällt, ändert

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sich das Ausgangssignal des Verstärkers 66 auf einen negativen Wert, stellt den Integrator zurück und hält ihn auf seinem anfänglichen Wert. Dies wiederum stellt den Vergleicherabschnitt M zurück, wodurch es dem Impulskreis 3¹» möglich ist, den Spulen-Treiberkreis einzuschalten zwecks Einleitung des Arbeitens des Werkzeuges.

Das Werkzeug beginnt, die mit einem Gewinde versehene Befestigungseinrichtung zu drehen. Wie es durch die Kurvenform 122 zum Ausdruck kommt, wird während des anfänglichen Hochlaufes (Abschnitt A) "nur ein kleines Drehmoment aufgebaut, da die Mutter frei auf dem Gewinde läuft. Da der Drehmomentwert unterhalb des Sperr-Schwellwertes liegt,angezeigt durch die horizontale Linie 126, wird der Integrator auf seinem anfänglichen Zustand gehalten.

Wenn das Werkzeug beginnt, die Verbindung herzustellen, baut sich ein Drehmoment auf, wodurch sowohl der Wert des Spitzen- und Haltesignals als auch der Wert des Vorverstärkersignals ansteigt. Wenn das Vorverstärkersignal 122 die Impulsschwelle 13o überschreitet, schaltet das Werkzeug bedingt durch eine Änderung in dem Ausgangssignal des Verstärkers Io4 (Kurvenform llo) ab. Das Werkzeug baut weiterhin ein Drehmoment auf, bedingt durch das Trägheitsmoment des Werkzeuges und die System-Ansprechverzögerung.

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ZS

Wenn das Spitzen- und Haltesignal 12Ί die Sperr-Schwelle 126 überschreitet, geht das Ausgangssignal des Verstörkers 66 hoch und gibt das Arbeiten des Integrators frei. Nachdem die Energie des Werkzeuges aufgebraucht ist, sinkt das Drehmoment rapide ab. (Abschnitt B). Das Ausgangssignal des Detektorkreises 3o geht auf Null zurück, da das Drehmoment nicht weiter ansteigt. Dadurch ist es dem Integrator möglich, den Integrationsvorgang Richtung Systemmasse zu beginnen. VJenn das Vorverstärkersignal unterhalb des Impuls-Schwellwertes fällt, schaltet der Verstärker loi das Werkzeug wiederum ein, unterbricht die Integration, stellt jedoch den Integrator nicht zurück.

Nachdem das Werkzeug wiederum eingeschaltet ist, steigt das Drehmoment rapide an (Segment C) und da die Mutter noch nicht den unelastischen Bereich erreicht hat, wird ein Anstieg des Spitzen- und Haltewertes durch den Verstärker 5o erfaßt, wodurch der Integratorverstärker 42 zurückgestellt wird. Dieser Prozeß des Ein- und Abschaltens des Werkzeuges setzt sich über mehrere Zyklen hinweg fort. In jedem dieser Fälle stellt ein Anstieg in dem Spitzen- und Haltewert den Integrator auf seinen anfänglichen Wert zurück und verhindert, daß er das Masse-Signal während der Zeitperiode erreicht.

Schließlich erreicht am Punkt D die Schraube die elastische Grenze und tritt in den plastischen Bereich ein. Von diesem Punkt an

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steigt das Drehmoment nicht weiter an. Ohne einen Anstieg im Drehmoment bleibt Jedoch das Ausgangssignal des Verstärkers 5o positiv und der Integrator wird während der Zeitperiode nicht zurückgestellt. Dadurch wird er während jedes Ausschalt-Zyklus des Werkzeuges ausgehend von seinem anfänglichen Wert herunterintegrieren, bis er am Punkt E das Masse-Potential erreicht und ins Negative geht. Dadurch ist für die Dauer des Zeitintervalls, das sich vom Punkt D zum Punkt E erstreckt, kein Anstieg in dem Drehmomentspitzensignal 124. Dies bewirkt, daß der Vergleicherkreis 4¹» den Impulsgenerator 3^ abschaltet, wodurch die Operation abgeschlossen ist. " ' ·

Der Punkt E, oder die Länge der Zeitperiode, kann auf die Elastizitätsgrenze oder auf irgendeinen Punkt des nichtelastischen Bereichs eingestellt werden, so wie es für einen bestimmten Typ von Befestigungseinrichtung sowie für die spezielle Anwendung erforderlich ist.

Der Steuerkreis arbeitet in der Weise, daß er das Drehmoment nach der Zeit differenziert. Nimmt man Bezug auf die Kurvenform 12¹I, so erkennt man, daß mit Anwachsen der Zeit die Befestigungseinrichtung angezogen wird und der Drehmomentwert ansteigt, bis der plastische Bereich erreicht wird, worauf dann das Drehmoment im wesentlichen zeitlich konstant ist. Der Steuerkreis erfaßt somit

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den Betrag der Drehmomentänderung in einem kleinen Zeitintervall, was nichts anderes als der zeitliche Differentialquotient des Drehmomentes ist, und schaltet das Werkzeug ab, wenn die Drehmomentänderung für die Zeitperiode Null ist. Oder anders ausgedrückt, der Steuerkreis differenziert die Drehmoment-Zeitkurve und schaltet das Werkzeug ab, wenn die Steigung für die Dauer der Zeitperiode gleich Null ist. Der Verstärker 5o arbeitet dabei als ein Differenzierglied, weil er eine Anzeige dafür gibt, wann die Steigung der Drehmoment-Zeitkurve gleich Null ist oder das Drehmoment nicht ansteigt.

Die vorgehende Beschreibung bezieht sich auf ein System, das in der Lage ist, das Eintreten in den unelastischen Bereich zu erfassen und genau, ungeachtet der von Abtastwert zu Abtastwert auftretenden Änderungen in der Befestigungseinrichtung-Kraft, die Mutter auf einen Drehmomentwert gerade innerhalb der plastischen Region einzustellen. Ungeachtet dessen kann das System, falls erforderlich, auch in einer Drehmoment-Steuerbetriebsart betätigt werden, ähnlich zu den gegenwärtig erhältlichen Systemen. Dies wird erreicht, indem man den veränderlichen Widerstand des Integrators auf einen sehr niedrigen Wert einstellt, wodurch der Integrator das Masse-Signal bei Jedem AUS-Impuls des Werkzeuges erreicht. Das Abschalten des Werkzeuges kann dann gesteuert werden, indem man den Widerstand 68 des Schwellwert-Sperrkreises 32 auf irgendeinen gewünschten Drehmomentwert einstellt.

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Im Vorhergehenden wurden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist. Es ist verständlich, daß der Fachmann Änderungen, die im Rahmen der Erfindung liegen, vornehmen kann.

Die Erfindung wendet sich somit an einen Steuerkreis, der ein Signal von einer Drehmoment-Meßeinrichtung erhält, die an dem Werkzeug vorgesehen ist, und den geeigneten Abschaltpunkt für das Werkzeug bestimmt. Dieser Kreis steuert nicht nur das Werkzeug-Abschalten, sondern auch den Betrag des angelegten Drehmomentes, indem ein pulsierender Kreis vorgesehen wird. Der Kreis ist in der Lage, das Eintreten in den unelastischen Bereich zu erfassen und kann genau und wiederholbar eine Befestigungseinrichtung auf einen gewünschten Punkt in dem plastischen Bereich bringen. Das Eintreten in den unelastischen Bereich kann erfaßt werden, indem man das Drehmoment nach der Zeit differenziert..

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Claims

Patentansprüche

. _v Drehmoment-Werkzeug-Steuei'kreis zum Betätigen eines rotierenden Werkzeuges mit einer Einrichtung zur Erfarsung des Drehmomentes, die ein Abbild des Ausgangs-Drehmomentes des Werkzeuges abgibt, gekennzeichnet durch eine erste Schaltung (42) zum periodischen Starten der Erzeugung einer Zeitpericde und durch eine zweite Schaltung (3o, 44), die auf die Zeitperiode und das Ausgangs-Drehmoment anspricht und das Werkzeug abschaltet, wenn über die Dauer der Zeitperiode das Ausgangsdrehmoment im wesentlichen konstant ist.

2, Steuerkreis nach Anspruch 1 mit einer dritten Schaltung zum Betätigen des Werkzeuges in einer pulsierenden Betriebsweise, bei der das Werkzeug ein- und ausgeschaltetvird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung (42) auf die dritte Schaltung (34) anspricht und jedesmal dann, wenn das Werkzeug eingeschaltet ist und das Ausgangs-Drehmoment ansteigt, die Erzeugung einer Zeitperiode startet.

3. Steuerkreis nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung einen Spitzen- und Haltekreis (22) aufweist, zum Umwandeln des Ausgangs-Drehmomentes auf einen Wert, der den vorausgegangenen höchsten Wert des gemessenen Drehmomentes darstellt,

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ORIGINAL INSPECTED

Ί. Steuerkreis nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung eine Rückstelleinrichtung (30, 82) aufweist, die auf da& Ausgangs-Drehmoment anspricht und die erste Schaltung zurückstellt sowie Jedesmal dann, wenn das Ausgangs-Drehmoment ansteigt, einen Zeitperlode auslöst.

5. Steuerkreis nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung einen Zeitkreis (84, 9Ό aufweist zwecks Integration von einem ersten Spannungspegel auf einen zweiten Spannungspegel, wobei die Zeitdauer, die benötigt wird, um von dem ersten Pegel zu dem zweiten Pegel zu kommen, die Zeitperiode bildet, und daß die zweite Schaltung einen Rückstellkreis (3o, 82) aufweist, zwecks Rückstellung der ersten Schaltung auf den ersten Spannungspegel als Antwort auf einen Anstieg im Drehmoment-Ausgang, und daß die zweite Schaltung ferner· einen Komperator (loo) aufweist, zwecks Abschaltung des Werkzeuges, wenn der zweite Spannungspegel erreicht ist.

6. Steuerkreis nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitkreis aus einem Integrator (9¹O besteht.

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7. Steuerkreis nach Anspruch 5 mit einer Pulsschaltung zum Betätigen des Werkzeuges in einer pulsierenden Arbeitsweise, bei der das werkzeug ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitkreis (84, 95) so verschaltet ist, daß er auf die Pulsschaltung (3¹I) anspricht, um nur dann zu integrieren, wenn das Werkzeug eingeschaltet 1st.

8. Steuerkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schwellwertanordnung (32), die auf das Ausgangs-Drehmoment anspricht und mit der 'zweiten Schaltung (30, 44) so verbunden ist, daß sie verhindert, daß die zweite Schaltung das Werkzeug abschaltet, bis das Ausgangs-Drehmoment sich oberhalb eines niedrig-pegeligen Drehmoment-Schwellwertes befindet.

9* Steuerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung (3o) einen Differenzierkreis (5o) aufweist, der auf das Drehmoment-Ausgangssignal anspricht und eine Anzeige dafür gibt, wenn das Drehmoment-Ausgangssignal zeltlich ansteigt*

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