DE2713099C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Bei einer aus der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 zugrundeliegenden DE OS 23 36 896 bekannten Vorrichtung dieser Art wird beim Anziehen der Schraubverbindung als Belastungskurve eines Bauteils die Drehmoment/ Drehwinkel-Kurve zugrundegelegt, deren jeweilige Steigung bzw. jeweiliger Gradientenwert dadurch ermittelt wird, daß das Anziehdrehmoment und dessen Änderungen in konstanten Winkelabständen gemessen und daraus der die Steigung repräsentierende Gradientenwert gebildet wird. Nicht nur die die Drehwinkeländerungen repräsentierenden Signale müssen in der Vorrichtung aus der kinematischen Kette zwischen dem Antriebsmotor, der Vorrichtung und dem einzuschraubenden Bauteil abgegriffen und in eine logische Schaltung eingeführt werden, die letztendlich das Steuersignal erzeugt, sondern auch die das jeweilige Drehmoment repräsentierenden Signale. Insbesondere zum Abgreifen der Drehmomentsignale ist eine teure und schwierig in die Vorrichtung eingliederbare Drehmoment-Zelle erforderlich und ein erheblicher schaltungstechnischer Aufwand, um deren Signale exakt abzugreifen und weiterzuleiten. Anstelle einer Drehmoment-Zelle können auch zwei die Verdrehung abgreifende Kodierer vorgesehen sein, deren Signale dann in der Schaltung schwierig zu verarbeiten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen jede Schraubverbindung individuell bis zu einem signifikanten und vorbestimmten Belastungszustand anziehbar ist, wobei sich die Vorrichtung durch einen baulich und regeltechnisch geringen Aufwand auszeichnen soll.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen gelöst.

Es brauchen bei diesem Verfahren nur die Drehwinkelsignale von der Verbindung zwischen dem Motor und der anzuziehenden Schraube abgegriffen zu werden, was sich auf baulich und regelungstechnisch einfache Weise vollziehen läßt. Die Zeitsignale, die zum Ermitteln der Drehwinkelgeschwindigkeitssignale benutzt werden, können hingegen extern erzeugt und in den Regelkreis eingebracht werden. Dies hat auch den Vorteil, daß das Verfahren einfach an individuelle Schraubverbindungen anpaßbar ist und mit einem einfachen und störungsunempfindlichen Regelkreis durchführbar ist.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 die Darstellung einer Kurve, die die Eigenschaften einer typischen Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs- Beziehung und einer zugeordneten Drehmoment- Winkelverschiebungs-Beziehung angibt, die bei einem Befestigungsmittel während eines Festziehvorganges auftreten,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Festzieh- und Steuersystems, und

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Festzieh- und Steuersystems.

In Fig. 1 ist eine typische Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs- Kurve und eine Drehmoment-Winkelverschiebungs- Kurve für ein anzuziehendes, ein Gewinde aufweisendes Befestigungssystem dargestellt. Die Winkelgeschwindigkeit und das Drehmoment sind längs der vertikalen Achse und die Winkelverschiebung ist längs der horizontalen Achse aufgetragen. Die Kurve weist einen Anfangs- oder Aufdrehbereich auf, der sich vom Schnittpunkt der Achsen bis zum Punkt A auf beiden Geschwindigkeits- und Drehmoment-Kurven erstreckt. Der Punkt A kennzeichnet den Beginn eines im wesentlichen linearen Teils der Kurve, der als Festziehbereich bekannt ist.

Etwa am Punkt A auf der Kurve sind die Konstruktionselemente durch die Befestigungsanordnung zusammengezogen und das tatsächliche Festziehen der Verbindung beginnt. Zum besseren Verständnis ist darauf hinzuweisen, daß die Drehmoment-Winkelverschiebungs- Kurve in Fig. 1 lediglich zum Verständnis der Winkelgeschwindigkeits- Winkelverschiebungs-Kurve überlagert gezeigt ist. Es wird keine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes erläutert, da zum Ausführen der Erfindung die Messung des Drehmoments nicht erforderlich ist. Die in Fig. 1 gezeigte Drehmoment-Winkelverschiebungs-Kurve wurde durch hier nicht gezeigte externe herkömmliche Meßeinrichtungen erhalten. Das Drehmoment am Punkt A wird allgemein als das Fügemoment bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß das Auftreten des Punktes A auf der Drehmoment-Kurve im wesentlichen dem Beginn des Abfalls der Winkelgeschwindigkeit in Bezug auf die Winkelverschiebung der Schraube entspricht. Im Festziehbereich der Kurve, der sich vom Punkt A zum Punkt B erstreckt, und der die von der Schraube aufgebrachte axiale Kraft zum Klemmen der Verbindungsmittel angibt, ist im wesentlichen linear, kann jedoch auch leicht gebogen sein. Im Falle einer Biegung zwischen den Punkten A und B erreicht die Steigung der Kurve einen typischen Maximalwert. Jedoch wird nachfolgend der Festziehbereich zwischen den Punkten A und B als ein im wesentlichen linearer Teil der Kurve bezeichnet. Wie dieses noch näher erläutert wird, kann ein Punkt A′ gewählt werden, der in dem im wesentlichen linearen Teil der Winkelgeschwindigkeits- Winkelverschiebungs-Kurve zwischen den Punkten A und B liegt und der Punkt in dem Festziehvorgang ist, bei dem das Gradientenberechnungssystem eingeschaltet wird. Beim Punkt B ist die Proportionalitätsgrenze der Verbindungsanordnung überschritten und die Winkelgeschwindigkeit beginnt langsamer abzunehmen als der zugeordnete Anstieg der Winkelverschiebung. Am Punkt B auf der Drehmoment-Winkelverschiebungs- Kurve beginnt zum Vergleich das Drehmoment langsamer anzusteigen als die entsprechend ansteigende Winkelverschiebung. Daraus ist zu erkennen, daß die zwei Kurven gleiche Eigenschaften haben, in dem bemerkenswerte Änderungen in den jeweiligen Steigungen der beiden Kurven bei etwa dem gleichen Wert der Winkelverschiebung auftreten. Zum Zwecke dieser Erläuterung wird der Punkt B als Beginn des Streckbereichs betrachtet, es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß oberhalb des Punktes B immer noch eine zusätzliche Belastung auf die Verbindungsanordnung aufgebracht wird, jedoch mit einer nicht linearen Größe des Anstieges. Der Punkt C entspricht der Streckgrenze der Verbindungsanordnung und, da die Definition der Streckgrenze etwas unterschiedlich ist, kann er als der Punkt betrachtet werden, oberhalb dem die Spannung oder Dehnung des Bolzens nicht länger rein elastisch ist. Wie noch klar werden wird, kann ein solches Festziehsystem die Streckgrenze C auf der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve oder andere Punkte zwischen dem Punkt B und dem Punkt C im Streckbereich erfassen und in Abhängigkeit davon ein Steuersignal erzeugen. Bei bestimmten Anwendungen können sich die Punkte B und C grob entsprechen, jedoch würde dieses Entsprechen die Arbeitsweise des Festziehsystems nicht beeinflussen.

Während im vorangegangenen Absatz auf die Grenze der Proportionalität und die Streckgrenze der Verbindungsanordnung Bezug genommen wurde, ist darauf hinzuweisen, daß infolge der herkömmlichen Auslegungskriterien diese Ausdrücke allgemein auf Eigenschaften der Befestigungsanordnung und gewöhnlich auf die Schraube oder den Bolzen bezogen sind, da Befestigungsanordnungen gewöhnlich nicht so starr sind, wie die die Verbindungsanordnung bildenden Konstruktionsteile.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Vorrichtung auch bestimmte Abweichungen vom an sich fast linearen Bereich einer Winkelgeschwindigkeit-Winkelverschiebungs-Kurve berücksichtigen kann. Die jeweilige Schraube kann nämlich so konstruiert sein, daß die erwähnte Kurve bei einer bestimmten Klemmbelastung von jener Linearität abweicht, die am Beginn des Streckbereiches des Materials der Schraube vorliegen sollte. Eine solche Abweichung kann durch das Steuersystem der Vorrichtung erfaßt und zur Erzeugung eines Steuersignals benutzt werden. Aus diesem Grund soll der Ausdruck "Streckgrenze" so verstanden sein, daß er die Streckgrenze des Materials, aus dem die Schraube hergestellt ist, und auch Punkte entlang eines fast flachen Teils der Winkelgeschwindigkeits- Winkelverschiebungs-Kurve umfaßt, der sich durch die Konfiguration bzw. Konstruktion der Schraube bei einer bestimmten Klemmbelastung ergibt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer Schraubvorrichtung 10 dargestellt; diese weist einen Schraubenschlüssel 12 mit einem Motor 14, einer Antriebswelle 16 und einem Antriebseinsatz 18 auf. Die Antriebswelle 16 wird von dem Motor 14 angetrieben. Der Schraubenschlüssel 12 kann von herkömmlicher Bauart sein.

Der Motor 14 kann luftgetrieben sein. Er wird durch ein geeignetes, elektrisch betätigtes, elektromagnetisches Steuerventil 20 gesteuert. Der Motor 14 kann auch elektrisch, hydraulisch oder irgendeine Kombination von pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch sein.

Die genauen Einzelheiten der Motoreigenschaften müssen jedoch bekannt sein. Der Motor 14 ist ein Typ, der eine definierte Beziehung zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit hat. Im Falle eines luftgetriebenen Motors sollte der Motor eine einfache lineare Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und dem Drehmoment bei einem festen Luftdruck haben. Mathematisch kann dieses in der folgenden Weise ausgedrückt werden.

T = C-K ω

Darin sind C und K Konstanten, T das Ausgangsdrehmoment des Motors und l die Winkelgeschwindigkeit des Motors. Wird diese Beziehung nach der Winkeldrehung ϑ des Motors differenziert, so ergibt sich der Ausdruck

Dieser Ausdruck gibt an, daß der Geschwindigkeitsgradient eine einfache lineare Beziehung zu dem Drehmomentgradienten hat, so daß der Geschwindigkeitsgradient des Motors in einem Steuersystem anstelle des Drehmomentgradienten, wie dieses bisher gelehrt wurde, benutzt werden kann.

Der Schraubenschlüssel 12 ist an einem starren Rahmen 22 befestigt. Auf der Abtriebswelle 16 vorzugsweise innerhalb des Motors 14 ist ein geeigneter Kodierer 24 befestigt, der mit einem Annäherungsdetektor 26 zum Erzeugen von Signalen zusammenwirkt, die die inkrementelle Winkelverschiebung oder Drehung des Befestigungsmittels angibt. Der Kodierer 24 umfaßt bei dieser Ausführungsform eine Reihe von Zähnen 28. Der Annäherungsdetektor 26 erfaßt die Gegenwart von Metall und daher das Hindurchgehen der Zähne und erzeugt ein elektrisches Signal.

Das Steuersystem weist ein Gradientenberechnungssystem auf, das den augenblicklichen Gradienten oder die Steigung der Winkelgeschwindigkeits- Winkelverschiebungs-Kurve bestimmt, und ein diese angebendes elektrisches Signal erzeugt. Das Gradientenberechnungssystem weist einen einstellbaren Oszillator 30 auf. Das Zeitintervall zwischen den Signalen ( Δ t) ist konstant und kann auf die bekannte Ausgangsgeschwindigkeit des Motors abgestimmt werden.

Etwa 200 bis 250 Impulse des Taktoszillators 30 pro Umdrehung der Motorausgangswelle wurden auf der Grundlage einer Motorgeschwindigkeit in der Mitte des Bereiches der Geschwindigkeiten der charakteristischen, hier nicht gezeigten Geschwindigkeits-Drehmoment-Kurve als annehmbarer Bereich festgestellt. Ein "Gatter" 32 erhält inkrementelle Winkelverschiebungsimpulse ( R i) vom Kodierer 24 und gibt, da es durch jedes der konstanten Zeitintervallsignale ( Δ t) vom Taktoszillator geöffnet und geschlossen wird, Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignale ( ω i) ab. Jedes Ausgangssignal des "Gatters" 32 ist ein Signal, das durch die Anzahl der während der Öffnungsperiode des "Gatters" 32 durchgegangenen Winkelverschiebungssignale ( R i) gekennzeichnet ist und deshalb die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit ( ω i) des Motors 14 und der festzuziehenden Schraube angibt. Die Signale des Kodierers 24 sind wie die Ausgangssignale des "Gatters" 32 digitale Signale. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Vorrichtung 10 werden jedoch Analogsignale bevorzugt, so daß jedes digitale Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal des "Gatters" 32 durch einen Digital-Analog-Wandler 34 in ein Analogsignal umgeformt wird. Jedes ein konstantes Zeitintervall angebendes Signal ( Δ t) vom Taktoszillator 30 wird an eine Verzögerungsschaltung 36 gegeben, um eine Einstellzeit für den Digital-Analog-Wandler 34 und ein Rücksetzen des Digital-Analog-Wandlers 34 nach jeder durchgeführten Umwandlung zu gewährleisten, damit das nächstkommende digitale Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignal vom Gatter 32 angenommen werden kann. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 34 wird an eine Abtast- und Halteschaltung 38 gegeben, die außerdem die Signale ( Δ t) des Taktoszillators 30 erhält, die die Abtastzeit steuern. Das analoge Winkelgeschwindigkeitssignal wird in der Schaltung 38 abgetastet und während einer bestimmten Zeitdauer festgehalten, und das Ausgangssignal von dieser Schaltung wird an ein herkömmliches, mehrstufiges analoges Schieberegister 40 gegeben, das von inkrementellen Winkelverschiebungs-Impulsen ( ΔR _i ) vom Kodierer 24 getaktet wird. Abhängig von der Anzahl der Stufen in dem Schieberegister 40 gibt sein Ausgangssignal, das einige Winkelverschiebungsimpulse zuvor ermittelt wurde, an. Ein Vergleicher 42 in Form einer geeigneten Subtraktionsschaltung erhält Ausgangssignale ( ω _R ) vom Schieberegister 40 und die Signale ( ω i) vom Digital-Analog-Wandler 34 und erzeugt ein Ausgangssignal ( ω _i -ω _R ) über ( ΔR ) das die Differenz zwischen beiden angibt. Da die Winkelgeschwindigkeitssignale über feste Inkremente der Winkelverschiebung ( ΔR ) subtrahiert werden, gibt das Ausgangssignal vom Vergleicher 42 den augenblicklichen Gradienten (G _i ) der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs- Kurve an.

Das Gradientenberechnungssystem weist Schaltungen zum Bestimmen und Speichern des maximalen Gradienten (G _max ) auf. Ein Vergleicher 46 ist vorgesehen, um die augenblicklichen Gradientensignale (G _i ) mit dem zuvor gespeicherten maximalen Gradientensignal (G _max ) aus der Speicherschaltung 44 zu vergleichen. Ist ein augenblickliches Gradientensignal (G _i ) größer als ein gespeichertes maximales Gradientensignal (G _max ) so wird das augenblickliche Gradientensignal dann in der Speicherschaltung 44 gespeichert. Das gespeicherte maximale Gradientensignal wird dann in eine Teilerschaltung 48 eingegeben. Es kann z. B. ein Wert von etwa 2/3 des maximalen Gradientensignals (G _max ) gewählt werden. Die Wahl des Punktes G bei etwa 2/3 des maximalen Gradientenwertes stellt sicher, daß Rauschen oder Störsignale, die während des im wesentlichen linearen Teils der Winkelgeschwindigkeits-Winkelverschiebungs-Kurve erzeugt werden, kein vorzeitiges Abschalten des Festziehsystems bewirken können. Auch Werte innerhalb des Bereichs von 25% bis 75% des maximalen Gradientensignals (G _max ) wurden als annehmbar festgestellt. Dieser Abschaltwert wird in einen Vergleicher 50 eingegeben, wo er mit dem augenblicklichen Gradientensignal (G _i ) vom Vergleicher 42 verglichen wird. Sind die zwei Signale im wesentlichen gleich, so wird ein Abschaltsignal vom Vergleicher 50 an das elektromagnetische Ventil 20 abgegeben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 gezeigt, wo der Schraubenschlüssel und die Einrichtung zum Messen der inkrementellen Winkelverschiebung des Befestigungsmittels die gleichen sind, wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen in Fig. 3 bezeichnen daher gleiche Teile, die in Verbindung in Fig. 2 erläutert wurden, und eine Beschreibung des Schraubenschlüssels und der Meßeinrichtung wird daher nicht erneut vorgenommen.

Statt der aus den Gliedern 40 und 42 bestehenden Gradientenschaltung ist ein Differenzierglied 70, das das Winkelgeschwindigkeitssignal nach der Zeit differenziert. Das Ausgangssignal vom Differenzierglied 70 ( oder G _i ) gibt den Gradienten der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit an. Der Rest der Schaltung ist analog zu der in Fig. 2 gezeigten Schaltung aufgebaut.

Claims (9)

1. Verfahren zum Anziehen einer Schraubverbindung, bei der beim durch einen Motor bewirkten Anziehen in etwa ab einem Fügezustand der Verbindung der Gradient einer das Drehmoment als Funktion des Drehwinkels repräsentierenden Meßkurve ermittelt, ein charakteristischer Gradientenwert, insbesondere der Maximalwert des Gradienten, gespeichert und ein Abschaltsignal erzeugt wird, sobald der ermittelte Gradientenwert einen durch den gespeicherten Gradientenwert bestimmten Schwellwert unterschritten hat, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Motor aufgebrachte Drehmoment zur Motordrehzahl in einer in etwa linearen Beziehung steht und daß die Meßkurve eine aus Zeitsignalen und Drehwinkelsignalen ermittelte Drehwinkelgeschwindigkeit/Drehwinkel-Kurve ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Schraubenschlüssel, der aufweist

• - einen Antriebsmotor (14),
• - einen Geber (24,26) für den Drehwinkel,
• - einen ersten Differenzierer zur Bildung des Gradienten nach dem Drehwinkel,
• - einen Speicher (44) für den charakteristischen Wert, insbesondere den Maximalwert des Gradienten,
• - einen Vergleicher (46), an dessen Eingängen der Gradient und ein vom charakteristischen Wert abhängiger Schwellwert liegen, und dessen Ausgang ein Abschaltsignal liefert,

gekennzeichnet durch einen zweiten Differenzierer ("Gatter" 32), der das Drehwinkelsignal ( ΔR i) nach der Zeit ( Δ t) differenziert und dessen Ausgangssignal ( ω i) dem ersten Differenzierer (42) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (30), insbesondere ein Oszillator als Zeitbasis für den zweiten Differenzierer (32), vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelgeber (26) ein Inkrementalgeber ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenwerte der Drehwinkelgeschwindigkeit/ Drehwinkel-Kurve jeweils durch Subtraktion eines wenigstens ein Drehwinkel-Inkrement zurückliegenden Drehwinkelgeschwindigkeitswertes vom augenblicklichen Drehwinkelgeschwindigkeitswert bildbar sind.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Taktgeber (30) pro Motorumdrehung zwischen 200 und 250 Zeitsignale (t) erzeugbar sind.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltsignal erzeugbar ist, wenn der augenblickliche Gradientenwert zwischen annähernd 25% bis 75% des maximalen, gespeicherten Gradientenwertes beträgt.

8. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt der Drehwinkelgeschwindigkeit/ Drehwinkel-Kurve eine Drehwinkelgeschwindigkeit/Zeit- Kurve ermittelt wird.