DE2713099C2 - - Google Patents
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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.
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