DE3330028C2

DE3330028C2 -

Info

Publication number: DE3330028C2
Application number: DE3330028A
Authority: DE
Inventors: Tabito Hachioji Jp Doniwa
Original assignee: Daiichi Dentsu Kk Chofu Jp
Current assignee: Daiichi Dentsu Kk Chofu Jp
Priority date: 1982-10-13
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 1989-09-14
Also published as: DE3330028A1; US4554980A; JPS5969271A

Description

Die Erfindung betrifft ein Muttern-Aufschraubgerät mit einem Asynchronmotor als Antriebsmotor, mit einer mit dem Schraubelement kuppelbaren Antriebswelle, mit einem Untersetzungsgetriebe zwischen Antriebsmotor und Antriebswelle, mit einem Drehmomentdetektor zum Messen des auf die Antriebswelle aufgebrachten Drehmomentes und mit einer den Antriebsmotor in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Drehmomentdetektor steuernden Steuerschaltung, die den Motor während einer ersten Stufe bis zum Erreichen des Fügemoments schnell und während einer zweiten Stufe langsam laufen läßt.

Es ist ein Gerät der vorgenannten Art bekannt (DE-OS 30 49 200), das als Antriebsmotor einen dreiphasigen Mittelfrequenz-Asynchronmotor mit einer Vorrichtung zur Frequenzumschaltung von Mittelfrequenz auf eine niedrigere Netzfrequenz verwendet, wobei die Vorrichtung über eine mit einem Drehmomentsensor in Verbindung stehende Ablaufsteuerung beim Auftreten des Setzmomentes betätigt wird. Diese bekannte Vorrichtung benötigt zwei speisende Netze verschiedener Frequenz. Sie ist infolgedessen sehr aufwendig, und sie arbeitet in bezug auf die Drehzahl, das Drehmoment und die Bremskraft nicht sehr genau. Es sind auch mit einem Gleichstrommotor betriebene Muttern-Aufschraubgeräte bekannt (z. B. US-PS 42 73 198). Solche Gleichstrommotoren besitzen normalerweise Bürsten, die wegen ihrer Abnutzung nachteilig sind. Bei Verwendung von Gleichstrom getriebenen bürstenlosen Antrieben sind der Motoraufbau und die erforderliche Steuerschaltung sehr komplex. Außerdem ist bei einem Gleichstrommotor das Motorvolumen in bezug auf die Ausgangsleistung groß.

Es sind auch in der Drehzahl verstellbare Drehstromantriebe für industrielle Zwecke, wie Bearbeitungs-Verarbeitungsmaschinen, Walzwerke, Zementtechnik, Kraftwerkstechnik, Tagebauförderanlagen und dgl. bekannt (DE-Z "Elektrie", Band 34 [1980, Heft 2, Seiten 59 bis 65]; DE-Z "Der Elektromeister und deutsches Elektrohandwerk", 1979, Heft 4, Seiten 227 bis 229 und 236; DE-Z "Regelungstechnische Praxis", 1978, Heft 3, Seiten 87 bis 94; "Philips' Application Information", Nr. 468, ausgegeben am 4. 9. 1973), die für Muttern-Aufschraubgeräte nicht ohne weiteres verwendbar sind.

Es sind auch allgemein Abtriebvorrichtungen unter Verwendung von Asynchronmotoren und besonderen Bremsschaltungen bekannt (DE-AS 28 27 812; DE-OS 30 14 371; DE-OS 25 08 093).

Ferner sind allgemein über Wechselrichter oder Verstärker steuerbare Asynchronmotoren bekannt (US-PS 40 54 818; US-PS 37 60 248; DE-OS 27 18 722; DE-OS 30 46 767).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Muttern-Aufschraubgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das klein, stabil und leicht zu unterhalten ist.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:

a) Verwendung eines Zweiphasen-Asynchronmotors;
b) Verwendung eines Wechselrichters mit Drehrichtungsumsteuerung, der von der Steuerschaltung angesteuert wird;
c) Ausbildung der Steuerschaltung derart, daß sie den Motor am Ende der ersten Stufe und der zweiten Stufe, wenn das durch den Drehmomentdetektor gemessene Drehmoment einen voreingestellten Bezugswert erreicht, bis zum Stillstand abbremst.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht, welche die Konstruktion des erfindungsgemäßen Muttern-Aufschraubgerätes zeigt,

Fig. 2A und 2B Schaltdiagramme, welche in Kombination eine Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Muttern-Aufschraubgerätes zeigen,

Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm, welches die Spannungen der entsprechenden Teile in den Fig. 2A und 2B zeigt,

Fig. 4 ein Schaltbild, welches eine Leistungsstufe und die Motorverbindung zeigt,

Fig. 5 ein Zeitablaufdiagramm, welches die Spannungen der entsprechenden Teile der Fig. 4 bei Abschalten eines Thyristors zeigt,

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Wellenformen der Impulsspannungen zeigt, die den Feldspulen des Motors zugeführt werden,

Fig. 7 eine Ansicht einer Verschraubung zur Erläuterung und

Fig. 8 ein Zeitschaubild, welches die Umdrehungsgeschwindigkeit und den Drehmomentverlauf des Muttern-Aufschraubgerätes zeigt.

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Ansicht, welche die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Muttern-Aufschraubgerätes zeigt, welches einen Induktionsmotor (im folgenden einfach als Motor bezeichnet) als Antriebsmotor verwendet. Eine Steuerschaltung, die allgemein außerhalb eines Muttern-Aufschraubgerätes vorgesehen ist, mit einer Leistungsstufe ist hier Teil des Gerätes.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Motor. 2 bezeichnet ein Untersetzungsgetriebe. 3 ist ein Drehmomentdetektor. 4 ist eine Antriebswelle, an deren oberem Ende eine Steckhülse zur Aufnahme eines Schraubenkopfes oder einer Mutter angeordnet ist. 5 ist ein Zahnrad auf der Ausgangswelle eines Motors. 6 bezeichnet eine erste Stufe eines Planetenradgetriebes. 7 ist eine Planetenradwelle der ersten Stufe. 8 ist ein Sonnenrad einer zweiten Stufe. 9 bezeichnet ein Reduktionsgetriebegehäuse. 10 ist ein Innenzahnrad. 11 bezeichnet eine zweite Stufe eines Planetenradgetriebes. 12 ist eine Planetenradgetriebewelle einer zweiten Stufe. 13 ist eine Abschlußausgangswelle. 14 ist das Gehäuse eines Drehmomentdetektors. 15 bezeichnet einen Dehnungsmesser und 16 ein Lager der Ausgangswelle. Die oben genannten Elemente sind an sich bekannt und betreffen die Erfindung nicht unmittelbar, weshalb sie nicht im einzelnen beschrieben werden sollen.

Um ein Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird nunmehr zunächst das Verfahren der Anwendung des Muttern-Aufschraubgerätes beschrieben. Fig. 7 zeigt eine Schraubverbindung, bei der eine Schraube BT in eine Maschinenabdeckung CV oder dergleichen eingeschraubt wird. Am oberen Ende der Antriebswelle 4 (Fig. 1) ist eine Steckhülse DS angeordnet. In diesem Beispiel ist, wie in dem Diagramm der Umlaufgeschwindigkeit zur Drehmomentcharakteristik in Fig. 8 gezeigt, die Umlaufgeschwindigkeit P 2 von einem Punkt a₀, wo der Motor gestartet wird, bis zu einem Punkt a₂, wo der Kopf der Schraube BT in Berührung mit der Abdeckung CV kommt, hoch. Bei der Berührung des Schraubenkopfes mit der Abdeckung CV sinkt die Umlaufgeschwindigkeit schnell ab, und es steigt das Drehmoment P 1 plötzlich an. Wenn das Drehmoment den Punkt a₂ erreicht, wird das Muttern-Aufschraubgerät schnell angehalten. Dann erfolgt die zweite Stufe der Klemmung, bis in diesem Falle ein gegebenes Drehmoment a₃ erreicht ist, wobei die Motorumlaufgeschwindigkeit (sehr gering) und der Motorausgang gesteuert werden, während sie durch den Wert des Drehmomentes selbst zurückgeführt werden, so daß das Drehmoment auf einen voreingestellten Anstiegswert ansteigen kann. Wenn das vorgegebene Drehmoment a₃ erreicht ist, wird der Motor plötzlich angehalten.

Eine solche Umlaufgeschwindigkeit P 2 und ein Drehmoment P 1 und Signale für den Anlauf, das Anhalten usw. werden auf einer Tafel eines Steuergerätes, das von dem Muttern-Aufschraubgerät getrennt angeordnet ist, eingestellt, und sie werden einer Steuerschaltung (Fig. 2A und 2B) jedes Muttern-Aufschraubgerätes mit einer Programmsteuerung zugeführt.

Ferner verwendet das Muttern-Aufschraubgerät nach der Erfindung einen Zweiphasen-Asynchronmotor (Induktionsmotor, im folgenden einfach mit IM bezeichnet) als Antriebsmotor. Der IM ist klein und stabil und leicht zu unterhalten, weshalb er für eine Anwendung mit hoher Drehzahl geeignet ist. Sein schwerwiegendster Nachteil war bisher die Schwierigkeit der Steuerung seiner Geschwindigkeit. Dies ist ein Grund, weshalb ein Gleichstrommotor nicht einfach durch den IM hat ersetzt werden können.

Wenn die Anzahl der Pole, der Schlupf und die Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung ausgedrückt werden durch m, s und f, wird die Geschwindigkeit v des IM angegeben durch

Infolgedessen kann die Drehzahlsteuerung bewirkt werden durch Änderung irgendeines der Faktoren m, s und f. Es ist aber allgemein bekannt, daß die Verfahren zur Änderung von m und s viele Fehler aufweisen und daß nur das Verfahren der Änderung der Frequenz eine kontinuierliche Drehzahlsteuerung über einen weiten Bereich mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht. Eine veränderbare Frequenz kann mit einem Thyristor-Wechselrichter erzeugt werden, jedoch hat deren Anwendung auf das Muttern-Aufschraubgerät verschiedene Probleme aufgeworfen, so daß diese Steuerung nicht in die Praxis eingeführt worden ist. Nach der Erfindung werden die Frequenz, die Drehrichtung und die Größe des dem Motor zugeführten Stromes verändert, wodurch die Drehzahl und das Drehmoment des Motors, der Vorwärtsantrieb und der Rückwärtsantrieb und ein plötzlicher Halt des Motors gesteuert werden können. Die Steuerschaltung hierfür wird in Verbindung mit den Fig. 2A und 2B beschrieben.

Das Fügemoment für das Schraubenanziehen mit dem Muttern-Aufschraubgerät reicht beispielsweise von etwa 1-100 kgm. Infolgedessen wird oft ein Motor mit großer Leistung verwendet, so daß ein diesem Motor zugeführter Strom manchmal mehrere 10 Ampere betragen kann. Ferner wird das Muttern-Aufschraubgerät manchmal zusammen mit einem Fließband bewegt, in welchem Falle die vom Motor getrennte Antriebsschaltung und das Muttern-Aufschraubgerät durch ein langes Kabel miteinander verbunden sind. Infolgedessen kann der Motor durch häufiges Biegen des Kabels kurzgeschlossen oder durch eine unerwartet große Last beschädigt werden. Bei Verwendung von Leistungstransistoren zum Steuern des Motors wird die Schutzschaltung komplex. Im Gegensatz dazu ist die Verwendung von Thyristoren anstelle von Transistoren vorteilhaft insofern, als der Thyristor unempfindlicher ist und als die Schutzschaltung allein durch Hinzufügung eines Widerstandes gebildet werden kann. Jedoch besitzt der Thyristor keine Selbstabschaltfunktion. Es ist deshalb erforderlich, eine zusätzliche Löschschaltung zu verwenden. Da die vorliegende Erfindung an einem Beispiel beschrieben wird, bei welchem ein Thyristor verwendet wird, soll auch das Verfahren zum Abschalten des Thyristors in Verbindung mit den Fig. 2A und 2B beschrieben werden.

Eine Beschreibung soll zunächst erfolgen in bezug auf die Stromquelle des IM für den Antrieb des Muttern-Aufschraubgerätes. In Fig. 4 bilden ein Eingangstransformator T 1 in Δ-Y-Schaltung, Dioden D 1 bis D 6 und Kondensatoren C 5 und C 6 einen Gleichrichter, der positive und negative Spannungen +E (V) und -E (V) auf beiden Seiten des Erdpunktes erzeugt. Die Elemente SCR 1 bis SCR 4 sind Thyristoren (SCR), die für die Phasen des Motors paarweise verwendet werden. Die Thyristoren SCR 1 und SCR 2, eine Reaktanz T 2 und einen Kondensator C 7 enthaltende Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um einen Strom an eine Wicklungsphase LL 1 des Motors M 1 zu liefern, entsprechend die Thyristoren SCR 3 und SCR 4, eine Reaktanz T 3 und einen Kondensator C 8, um der Wicklungsphase LL 2 einen um 90° in der Phase verschobenen Strom zu liefern.

Durch Zuführung von Triggerimpulsen an die Klemmen (1 G, 1 K), (2 G, 2 K), (3 G, 3 K), (3 G, 4 K) der Thyristoren SCR 1 bis SCR 4 in vorbestimmter Reihenfolge der Einschaltung der Thyristoren SCR 1 bis SCR 4 wird der Motor M 1 in Vorwärtsrichtung oder wahlweise in Rückwärtsrichtung angetrieben, und es wird der Motor M 1 durch Ausgangsimpulse SA, SB, SC und SD der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Steuerschaltungen angehalten. Die Motorsteuersignale und andere Operationen des Motors M 1 werden nunmehr in Verbindung mit den Fig. 2A, 2B und 4 beschrieben.

Die Fig. 2A und 2B zeigen in Kombination ein Beispiel einer Muttern-Aufschraubvorrichtung-Steuerschaltung nach der Erfindung. Die Bezugszeichen P 1 bis P 4 an der linken Seite der Fig. 2A sind Signaleingänge, die von dem oben erwähnten Steuergerät unter Programmsteuerung erzeugt werden, beispielsweise so, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Der Eingang P 1 erhält ein Signal zur Steuerung der Motordrehzahl (die für jede Umdrehungsgeschwindigkeit eine konstante Spannung ist). Der Eingang P 2 erhält eine dem Drehmoment proportionale Spannung von dem in Fig. 1 mit 3 bezeichneten Drehmomentdetektor. Die Eingänge P 3 und P 4 erhalten Spannungen zur Steuerung der Vorwärtsdrehung und Rückwärtsdrehung des Motors, die allgemein von dem Steuergerät und der Steuerung eines voreingestellten Programms oder von Hand erzeugt werden. Das Bezugszeichen A 0 bezeichnet insgesamt eine durch gestrichelte Linien angedeutete Steuerschaltung für die Thyristoren. B 0 bezeichnet eine Schaltung zur Umwandlung einer dem Drehmoment proportionalen Spannung in einen absoluten Wert. C 0 bezeichnet einen Hochfrequenzgenerator. D 0 bezeichnet einen Aus-Impulsgenerator. An vier Klemmenpaaren 1 G, 1 K, 2 G, 2 K, 3 G, 3 K, 4 G und 4 K an der rechten Seite der Fig. 2B werden Impulse mit Impulsweiten, die proportional der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors sind, erzeugt, die als Triggerspannungen den vier Thyristoren der Leistungsstufe in Fig. 4 zugeführt werden, und zwar in der von der Drehrichtung des Motors abhängigen Reihenfolge.

(1) Basis-Thyristor-Steuersignal S 2-Generator (A 0)

Der Generator A 0 erzeugt das Basissteuersignal S 2, welches den Motor M 1 unter Last anläßt und die Drehung der Antriebswelle des Muttern-Aufschraubgerätes bewirkt, um einen vorbestimmten Wert in kürzester Zeit zu erreichen. In dem Generator A 0 sind die Bezugszeichen A 2, A 5 und A 6 Spannungsfolgeverstärker (mit einem Verstärkungsfaktor nahe 1). A 3 ist ein Addierer. A 4 ist ein Komparator. F 3 ist eine Flip-Flop-Schaltung, und es ist PR deren voreingestellte Eingangsklemme. C 1 ist deren Löscheingangsklemme bzw. Rückstelleingangsklemme. G 1 und G 23 bezeichnen Gatter, und es nehmen deren Ausgangsschaltungen jeweils die Form eines offenen Kollektors an, dessen Ausgang in einem Falle eines logischen Eingangswertes "0" geerdet ist, und in einem Falle, in welchem der logische Eingangswert einen Zustand "1" annimmt, offen ist. G 24 ist eine Umkehrstufe, G 7 ist ein UND-Gatter.

(1)-1 Betrieb der Flip-Flop-Schaltung F 3

Geht man von der Annahme aus, daß sich die Flip-Flop-Schaltung F 3 im zurückgestellten Zustand befindet, dann befindet sich der logische Wert (nachfolgend kurz "die Logik" genannt) seines -Ausgangs im Zustand "1", so daß der -Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 3, der über einen Widerstand R 20 zugeführt wird, am Ausgang der Umkehrstufe G 24 den Zustand "0" annimmt, womit die Flip-Flop-Schaltung F 3 im rückgestellten Zustand verbleibt. Wenn nun der C-Eingang der Flip-Flop-Schaltung F 3 den logischen Wert "1" annimmt und so die Flip-Flop-Schaltung F 3 in seinen gesetzten Zustand umschaltet, dann nimmt der Q-Ausgang bei Aufprägung des Einganges den Zustand "0" an. Der Eingang der Umkehrstufe G 24 geht jedoch in den Zustand "0" über, und zwar infolge eines Verzögerungsglieds, das aus einem Kondensator C 10 und dem Widerstand R 20 besteht, wobei zu diesem Zeitpunkt dann der Ausgang der Umkehrstufe G 24 erstmals in den Zustand "1" übergeht, mit der Folge, daß die Flip-Flop-Schaltung F 3 in den zurückgestellten Zustand umschaltet. Somit ist die Flip-Flop-Schaltung F 3 in ihrem zurückgestellten Zustand stets stabil, und selbst dann, wenn sie gesetzt wird, verbleibt sie in dem gesetzten Zustand nur für eine Zeitperiode einer Zeitkonstanten U, die durch die Werte des Kondensators C 10 und des Widerstands R 20 bestimmt ist, worauf die Flip-Flop-Schaltung wieder in ihren zurückgestellten Zustand zurückkehrt. Dies bedeutet, daß die Flip-Flop-Schaltung F 3 jedesmal bei Ankunft eines Impulses an seinem C-Eingang gesetzt wird, nach einer Zeitspanne U jedoch wieder in den zurückgestellten Zustand zurückkehrt. Der inverse Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 3 wird dem UND-Gatter G 7 zugeführt, und wenn sich in diesem Fall der andere Eingang S 1 zum UND-Gatter 67 auf logisch "1" befindet, dann wird ein Thyristorsteuersignal S 2 erzeugt. Wie später erläutert werden wird, befindet sich das Signal S 1 auf logisch "1", so lange der Motor eine gesteuerte Drehbewegung durchführt, unabhängig von der Richtung seiner Rotation, und das Signal S 2 geht bei jedem Setzen der Flip-Flop-Schaltung F 3 über den C-Eingang auf logisch "1" über.

(1)-2 Sägezahngenerator mit Frequenzsteuerkreis

Wenn das Signal S 1 logisch "1" ist, dann ist der Ausgang des Gatters G 1 leitend, womit an dem Spannungsfolger A 6 ebenfalls logisch "1" auftritt. Selbst wenn eine die Motordrehzahl bestimmende Signalspannung P 1 in diesem Zustand zugeführt wird, um dem Eingang D 4 des Spannungsfolgers A 5 eine vorgegebene Spannung zuzuführen, steigt die Eingangsspannung S 7 zum Spannungsfolger A 6 infolge des Ausgangssignals des Spannungsfolgers A 5, und zwar mit einem Anstieg entsprechend einer Zeitkonstanten, die durch die Werte des Widerstandes R 5 und des Kondensators C 2 bestimmt wird. Damit aber steigt auch die Ausgangsspannung S 3 des Spannungsfolgers A 6 mit einer bestimmten Steigung. Andererseits bilden das Addierwerk A 3 und der Spannungsfolger A 2 einen Sägezahngenerator mit Rückkopplungsschleife. Die Wellenform ist sägezahnförmig, wie durch das Signal S 0 in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Figur zeigt den Zeitablauf der Spannungen, die an entsprechenden Stellen der Schaltungen der Fig. 2A und 2B auftreten. Wenn im Addierkreis A 3 die Bedingung R 1=R 2=R 3=R 4 erfüllt ist, dann ist der Ausgang S 5 des Addierkreises A 3 gleich der Summe der Eingänge S 3 und S 0, das heißt S 5=S 0+S 3, und der Eingang S 6 zum Spannungsfolger A 2 ist gleich seinem Ausgang S 0, d. h. S 6=S 0, so daß S 5=S 6+S 3; damit aber besitzt die Potentialdifferenz über dem Widerstand R 0 stets den Wert S 5-S 6=S 3. Die Periode T 1 der Welle S 0 von Fig. 3 ist durch folgende Gleichung gegeben:

T 1 = K × C 1 × R 0/S 3,

wobei K eine Proportionalitätskonstante ist. Weil die Werte des Kondensators C 1 und des Widerstands R 0 fest sind, ist die Periode T 1 umgekehrt proportional der Spannung S 3. Weil andererseits die Größe dieser Spannung S 3 von dem die Motordrehzahl bestimmenden Signal P 1 abhängt, ist die Periode T 1 der Welle S 0 umgekehrt proportional der Größe des Signals P 1. Die Sägezahnwelle wird erzeugt, um den Motor M 1 in Abhängigkeit vom Signal S 0 anzutreiben. Weil das Signal S 2 sich auf logisch "1" befindet und somit das Gatter G 23 offen ist, hat der Widerstand R 21 mit kleinem Widerstandswert während der Erzeugung des Signals P 1 keinen Einfluß auf den Zeitkonstantenkreis, der durch den Widerstand R 0 und den Kondensator C 1 gebildet wird.

Das Signal S 6=S 0 wird dann auf die positive Eingangsseite des Komparators A 4 gegeben, und eine von den Widerständen R 22 und R 23 erzeugte Bezugsspannung E wird auf die negative Eingangsseite des Komparators A 4 gegeben. Wenn E<S 0, dann befindet sich der Ausgang des Komparators A 4 auf logisch "0", wohingegen bei logisch "1" sich ergibt E<S 0. Die Spannung S 0 nimmt mit konstantem Anstieg zu, und zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung S 0 Bezugsspannung E übersteigt, wird die Flip-Flop-Schaltung F 3 gesetzt, und ihr -Ausgang verbleibt für die vorab erwähnte kurze Zeitspanne U im 0-Pegel. Solange also das Signal S 1 sich auf logisch "1" befindet (das Signal ist entweder positiv oder negativ), bleibt auch der Ausgang des UND-Gatters G 7 und damit der Ausgang des Gatters G 23 geerdet. Die Oszillatorspannung S 6 verschwindet mit der Folge, daß das Ausgangssignal des Komparators A 4 ebenfalls in den Zustand "0" gelangt. Nach Ablauf der Zeit U kehrt das Ausgangssignal des Gatters G 7 in den Zustand "1" zurück, und der Ausgang des Gatters 23 wird geöffnet. Die Oszillationsspannung S 6 steigt wieder an, und der Flip-Flop-Kreis F 3 wird dann gesetzt, wenn das Signal S 0 die Bezugsspannung E übersteigt. Nach dem Ablauf der Zeit U kehrt die Flip-Flop-Schaltung in den zurückgestellten Zustand zurück, und der Ausgang S 6 des Spannungsfolgers beginnt anzusteigen. Diese Abläufe wiederholen sich, während sich das Signal S 1 auf logisch "1" befindet.

Ein Anstieg der Spannung des Geschwindigkeitssignals S 4 (=P 1) verursacht einen Anstieg des vom Widerstand R 0 zugeführten Stroms und vermindert die Periode T 1, wohingegen eine Abnahme der Spannung des Signals S 4 zu einem Anstieg der Periode T 1 führt. Weil die Schwingungsfrequenz von einer niedrigen Frequenz auf eine vorgegebene Frequenz mit fester Zeitkonstante erhöht werden kann, ist es möglich, die Motordrehzahl zu verändern, und zwar mit Hilfe der die Motordrehzahl bestimmenden Signalspannung P 1.

(1)-3 Thyristor-Triggerspannungsgenerator

Dieser Schaltkreis besteht aus Flip-Flop-Schaltungen F 5, F 6 und UND-Gattern G 13 bis G 16, G 2, G 3, G 4 und G 5. Der D-Eingang und der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 5 wird mit dem -Ausgang bzw. dem D-Eingang des Flip-Flop-Kreises F 6 verbunden. Die C-Eingänge der Flip-Flop-Schaltungen F 5 und F 6 nehmen beide das Signal S 2 auf, und ein durch die Flip-Flop-Schaltungen F 5 und F 6 gebildeter Kreis stellt einen Phasenschieber dar, in welchem die Q-Ausgänge der Flip-Flop-Schaltungen F 5 und F 6 eine Phasendifferenz von 90° besitzen. Wie bereits beschrieben, wird das Signal S 2 gemäß der Rückstellung und dem Setzen der Flip-Flop-Schaltung F 3 (Fig. 3) erzeugt, und zwar solange das Vorwärts- oder Rückwärtsrotationssignal zugeführt wird. Befindet sich jedoch das Signal S 2 auf 0-Pegel, dann nimmt der D-Eingang der Flip-Flop-Schaltung F 5 den Wert logisch "1" an, so daß, wenn der Impuls S 2 zuerst als logisch "1" dem C-Eingang der Flip-Flop-Schaltung F 5 zugeführt wird, der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 5 plötzlich auf logisch "1" umwechselt, und zwar bei Anstieg dieses Impulses. Andererseits hat der D-Eingang der Flip-Flop-Schaltung F 6 dann logisch "0", wenn das Signal S 2 sich auf logisch "0" befindet, und der Q-Ausgang des Flip-Flop-Kreises F 6 ist auf logisch "0", wenn das Signal S 2 ihm zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird deshalb von den vier UND-Gattern G 13 bis G 16 an der Ausgangsseite der Flip-Flop-Schaltungen F 5 und F 6 nur das Gatter G 13 durchgeschaltet, und es werden die anderen Gatter, also G 14 bis G 16, gesperrt. Wenn das Signal S 2 auf logisch "0" umwechselt, bleibt der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 5 im Zustand "1", und der D-Eingang der Flip-Flop-Schaltung F 6 gelangt in den Zustand "1", so daß dann, wenn ein zweiter Impuls S 2 eintrifft, der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 6 auf logisch "1" übergeht, und zwar bei Anstieg des Impulses, womit dann nur das UND-Gatter G 15 freigeschaltet wird. Auf diese Weise werden die Ausgänge der Flip-Flop-Schaltungen F 5 und F 6 den UND-Gattern G 13 bis G 16 zugeführt, womit Signale S 9, S 11, S 10 und S 12 erzeugt werden, die in ihrer Phase um 90° verschoben sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Bei jedem Auftreten des Impulses S 2 erscheinen diese Signale in der Reihenfolge S 9-S 11-S 10-S 12, und die Signale werden in entsprechender Zuordnung als Triggerspannungen SA, SB, SC und SD den Steuerelektroden der Thyristoren über die UND-Gatter G 2, G 3, G 4 und G 5 zugeführt. In den Fig. 2A und 2B bezeichnen die Bezugszeichen G 18 und G 19 UND-Gatter, welche abhängig von Vorwärts- und Rückwärtsantriebssignalen L 6 und L 7 die Reihenfolge der Signale umkehren können.

(2) Geschwindigkeitssteuerung

Eine Geschwindigkeitssteuerung kann einfach dadurch erfolgen, daß die Größe des Geschwindigkeitssignals S 4 geändert wird, wie dies vorab bereits bei (1-2) erläutert worden ist.

(3) Drehmoment-Steuerkreise

Es ist bekannt, daß der Antriebsmotor des Muttern-Aufschraubgerätes einen Energieverlust zeigt, es sei denn, daß er so ausgewählt ist, daß er eine der Ausgangsleistung entsprechende Leistung besitzt. Beim Anziehen der Schraube bzw. Mutter ändert sich jedoch die Last zu jedem Zeitpunkt, und zusätzlich sind oft viele Muttern-Aufschraubgeräte parallel zueinander auf kleinem Raum angeordnet. Es ist deshalb wünschenswert, die Außenabmessungen jedes Muttern-Aufschraubgerätes zu verkleinern. Andererseits erzeugt der Motor dann, wenn eine größere Leistung als erforderlich zugeführt wird, mehr Wärme. Dies führt zu einem unnötigen Energieverbrauch. Wird der Motoreingang periodisch unterbrochen, dann ist die Drehzahl des Motors proportional der Eingangsfrequenz, und die Motorausgangsleistung ist proportional der Impulsbreite des Eingangs. Die innere Impedanz des Motors steigt proportional mit der Motordrehzahl an. Eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Impulsbreite der Motorantriebsleistung proportional der Drehgeschwindigkeit und der Last zu machen, so daß der Motor eine dem Lastmoment entsprechende geeignete Ausgangsleistung abzugeben vermag.

In Fig. 2A dient der Kreis B 0 dazu, eine dem Drehmoment proportionale Spannung in den entsprechenden Absolutwert umzusetzen. Das diesem Kreis zugeführte Eingangssignal P 2 ist eine Spannung, die proportional dem vom Drehmomentdetektor der Fig. 1 ermittelten Drehmoment ist, und weil die zum Drehmoment proportionale Spannung sich abhängig von der Richtung des Drehmoments in positiver oder negativer Richtung ändert, setzt der Kreis B 0 die positiven und negativen Änderungen in einen Absolutwert um. Ausführliche Erläuterungen erübrigen sich deshalb. Selbst wenn das Signal P 2 dem Wert ±E (V) entspricht, ist die Ausgangsspannung S 19 dieses Kreises stets +E (V), und die dem Drehmoment proportionale Spannung S 19 wird der der Motordrehzahl proportionalen Spannung S 4 (Ausgang des Spannungsfolgers A 5) über die Widerstände R 7 und R 6 hinzuaddiert, wobei dann der Summenausgang dem negativen Eingang eines Komparators A 1 zugeführt wird. Dem positiven Eingang des Komparators A 1 wird die Spannung der Wellenform S 0 zugeführt, und zwar nach Teilung durch die Widerstände R 8 und R 9. Wenn der negative Eingang den positiven Eingang übersteigt, dann erzeugt der Komparator A 1 einen Ausgang logisch "1", durch den die Flip-Flop-Schaltung F 4 gesetzt wird, wobei deren -Ausgang logisch "0" erhält.

Weil der Rückstelleingang (CL) der Flip-Flop-Schaltung F 4 mit dem Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 3 verbunden ist, wird die Flip-Flop-Schaltung F 4 nach der konstanten Zeitspanne U jedoch zurückgestellt, wobei die Zeitspanne U durch die Werte des Widerstandes R 20 und des Kondensators C 10 gegeben ist. Sein Ausgang kehrt auf logisch "1" zurück, wie dies auch der Fall ist bei Betätigung des Flip-Flop-Kreises F 3 durch das Signal S 0.

Ein Gatter G 11 stellt für den -Ausgang ein UND-Gatter dar, welches Signale von der Flip-Flop-Schaltung F 4 (das Signal ist auf logisch "1", wenn der Kreis F 4 sich im zurückgestellten Zustand befindet) und die Signalspannung S 2 aufnimmt (diese Spannung ist auf logisch "1", wenn das Signal S 1 auf logisch "1" ist, die Flip-Flop-Schaltung F 3 im zurückgestellten Zustand ist und ihr -Ausgang ebenfalls auf logisch "1" ist). Wenn die Signalspannung S 2 und der -Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 4 sich auf logisch "1" befinden, dann wird der Gatterausgang S 8 geändert, wie es in Fig. 3 durch S 8 dargestellt ist, wobei die Impulsbreite T₂ abhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Muttern-Aufschraubgerätes ist. Da eine Weiterleitung des Signals S 8 durch einen Transformator zu verarbeiten schwierig wäre, wird das Signal mit dem Ausgang des Hochfrequenz-Oszillators C 0 (wobei es sich um einen handelsüblichen Oszillator mit einer Schwingungsfrequenz von einigen 10 Kilohertz handelt, die als Trägerfrequenz dient) moduliert, und zwar mit Hilfe eines UND-Gatters G 12, wobei sich ein Ausgang S 13 dann ergibt, wenn das Signal S 9 aktiviert wird, und ein Ausgang S 14, wenn Signal S 10 aktiviert wird. In ähnlicher Weise werden Ausgänge S 15 und S 16 bei der Aktivierung der Signale S 11 bzw. S 12 erzielt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

(4) Umkehrbarkeit der Motordrehung

Die Drehrichtung des Zweiphasenmotors IM kann gemäß Fig. 4 umgekehrt werden, und zwar durch Vertauschen von 2 Klemmen einer der beiden Wicklungsphasen LL 1 bzw. LL 2, was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß die Signale S 10 und S 11 von Fig. 3 vertauscht werden. Dies soll nachfolgend an Hand der Fig. 2A und 2B erläutert werden.

In Fig. 2A bezeichnet P 3 einen Signalspannungseingang für die Vorwärtsdrehrichtung und P 4 einen Signalspannungseingang für die Rückwärtsdrehrichtung. Wird das Signal P 3 einem Inverter G 20 zugeführt, dann erzeugt dieser einen Ausgang logisch "1". Wird dagegen das Rückwärtsdrehsignal P 4 einem Inverter G 21 zugeführt, dann erzeugt dieser einen Ausgang logisch "1". Folglich hat der Ausgang S 1 des ODER-Gatters G 22 stets die logisch "1", wenn ihm das Vorwärts- oder das Rückwärtsdrehrichtungssignal zugeführt wird. F 2 bezeichnet eine Flip-Flop-Schaltung. Wenn das Vorwärtssignal P 3 der Flip-Flop-Schaltung F 3 zugeführt wird, dann wird diese zurückgestellt, und ihre Ausgänge Q und gehen auf logisch "0" bzw. logisch "1" über. Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die Ausgänge Q und der Flip-Flop-Schaltung F 2 Gruppen von UND/ODER-Gattern G 18 und G 19 zugeführt, um die Bedingungen S 17=S 12 und S 18=S 11 zu schaffen, wobei ihre Phasenbeziehungen so sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn dann das Rückwärtsdrehsignal auf die Flip-Flop-Schaltung F 3 gegeben wird, so wird diese gesetzt und erzeugt am Ausgang Q logisch "1" und am Ausgang logisch "0", wobei dann durch die Gatter G 18 und G 19 die Bedingungen S 18=S 12 und S 17=S 11 geschaffen werden. Das bedeutet, daß sich eine Bedingung entgegengesetzt derjenigen der Vorwärtsdrehung ergibt. Auf diese Weise erlaubt die Erfindung eine wunschgemäße Umkehr der Drehrichtung des Motors, und zwar einfach dadurch, daß zusätzlich zu der Flip-Flop-Schaltung F 3 die Gatter G 18 und G 19 vorgesehen werden, womit dann das Umschalten in der Praxis sehr einfach ist.

(5) Abbremsen und Anhalten des Motors

Bei Anziehen einer Schraube durch das Muttern-Aufschraubgerät ist es erforderlich, den Motor schnell anhalten zu können, um dann, wenn die Schraube angezogen ist, einer vorgegebenen Bedingung vollständig zu genügen. Der beste Weg zum Anhalten des Motors ist eine Gleichstrombremsung durch Aufprägen eines Gleichstroms auf die Feldspule des Motors M 1. In Fig. 2B bilden ein Inverter G 6 und eine Flip-Flop-Schaltung F 1 den Schaltkreis zur Durchführung dieser Operation. Der Ausgang des Inverters G 6 geht dann auf logisch "0", wenn er mit dem Vorwärts- oder Rückwärtsdrehsignal P 3 bzw. P 4 gespeist wird und sich das Signal S 1 auf logisch "1" befindet. Wenn jedoch weder das Vorwärtssignal P 3 noch das Rückwärtssignal P 4 zugeführt wird, nimmt das Signal S logisch "0" an, und der Ausgang S 20 des Inverters G 6 geht auf logisch "1" über, während die Flip-Flop-Schaltung F 1 bei Anstieg des Ausgangs S 20 des Inverters G 6 gesetzt wird. Weil die Flip-Flop-Schaltung F 1 mit einem Verzögerungsglied verbunden ist, der aus einem Widerstand R 10, einem Kondensator C 3 und einem Inverter G 17 besteht, ähnlich wie im Fall der Flip-Flop-Schaltung F 3, wird die Flip-Flop-Schaltung F 1, wenn sie gesetzt ist, automatisch nach einer Zeitspanne T 4 zurückgestellt, die durch die Werte des Widerstands R 10 und des Kondensators C 3 vorgegeben ist. Wenn somit beide Signale P 3 und P 4 unterbrochen werden, dann sperrt das Gatter G 7 die Signale des Sägezahngenerators A 0, und das Signal S 2 geht auf logisch "0" über, so daß die Signale S 9, S 10, S 11 und S 12 unverändert bleiben. Nimmt man nun an, daß die Signale P 3 und P 4 beide zum Zeitpunkt T abgeschaltet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, dann ist nur das UND-Gatter G 15 geöffnet, während der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung F 2 logisch "1" annimmt, so daß nur das Signal S 11 sich auf logisch "1" befindet, womit das Gatter G 4 geöffnet wird und das Signal S 15 bereitstellt, welches zum Signal SC wird, womit der in Fig. 4 gezeigte Thyristor SCR 3 für die Zeitspanne entsprechend der Zeitkonstanten T 4 eingeschaltet bleibt. Demgemäß fließt dabei ein Gleichstrom nur zur Feldspule LL 2 des Motors M 1, und der Motor M 1 wird durch die Gleichstrombremsung schnell angehalten.

(6) Abschalten des Thyristors

Die Erfindung ist mit einer Thyristorenschaltung erläutert worden. Ein Thyristor besitzt keine Selbstabschaltung, und um dies zu ermöglichen, ist ein Abschaltimpulsgenerator D 0 in Fig. 2B vorgesehen. Dieser Generatorkreis erzeugt einen Abschaltimpuls, dessen Dauer T 5 von einer Zeitkonstanten abhängt, die bestimmt wird durch die Werte eines Widerstands R 11 und eines Kondensators C 4, wobei der Abschaltimpuls nur dann erzeugt wird, wenn der Pegel des Ausgangs eines Gatters G 8 von "1" in "0" übergeht. Der Ausgang des Gatters G 8 wechselt dann von logisch "1" auf logisch "0" über, wenn die Flip-Flop-Schaltung F 1 durch ein den Motor anhaltendes Befehlssignal gesetzt wird, d. h., wenn sowohl das Vorwärts- als auch das Rückwärtsdrehsignal unterbrochen werden. Nimmt man nun an, daß ein den Motor anhaltendes Befehlssignal dann abgegeben wird, wenn der Thyristor SCR 1 leitend ist und einen Strom der Feldspule LL 1 von Fig. 4 zuführt, d. h. wenn die Triggerspannung SA von Fig. 2 zugeführt wird, dann wird der Abschaltimpuls in Abhängigkeit vom Befehlssignal erzeugt und, wie sich aus dem Diagramm von Fig. 2B ergibt, wird dieser Abschaltimpuls als Triggerspannung SB über ein Gatter G 10 dem Thyristor SCR 2 zugeführt. Weil diese Beziehung auch zwischen den Thyristoren SCR 1 und SCR 2 sowie zwischen den Thyristoren SCR 3 und SCR 4 besteht, erfolgt eine Erzeugung der Triggerspannungen SA bis SD sowie der Abschaltimpulse unter einer solchen Bedingung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

An Hand der Fig. 5 soll nun das Abschalten des Thyristors durch den Abschaltimpuls erläutert werden. Fig. 5 zeigt den Zeitablauf an Hand von Spannungswellenformen, die beim Abschalten des Thyristors SCR 1 an verschiedenen Punkten der Schaltung auftreten. Die Spannungsschwankungen an den Klemmen S 22, S 23 und S 24 der Drossel T 2, dargestellt in Fig. 4, sind dabei durch eine ausgezogene Linie, durch eine gestrichelte Linie bzw. durch strichpunktierte Linie dargestellt. Wenn in Fig. 2B die Triggerspannung SA erzeugt wird, dann wird der Thyristor SCR 1 eingeschaltet, was in Fig. 5 durch einen Bereich T 0 angedeutet ist, und die Spannungen der Klemmen S 22, S 23 und S 24 nehmen einen Wert von +E an. Wenn jedoch das Signal der Triggerspannung SA unterbrochen wird, dann erscheint bei SB der vorherbeschriebene Abschaltimpuls, und wenn während einer kurzen Zeit in Abhängigkeit vom Abschaltimpuls ein Strom zum Thyristor SCR 2 fließt, dann steigt die Spannung infolge einer Induktionsspannung zum Zeitpunkt der Stromabschaltung an.

Weil die Spannung S 23 den Wert +E hat, während die Spannung S 22 durch die Drossel auf einen Wert von +2E erhöht wird, nimmt das Potential an der Klemme S 22 den Wert 3E an.

Anschließend fällt die Spannung linear unter einen Wert -E ab, worauf sie wieder ansteigt, und zwar bis zum Wert Null Volt. In einer Zeitspanne T 6, in welcher die Spannung an der Klemme S 22 von einem Wert +3E auf den Wert +E absinkt, ist die Spannung an der Klemme S 22 höher als +E. Weil die Anodenspannung des Thyristors stets +E beträgt, ist die Kathodenspannung während der Zeitspanne T 6 höher als die Anodenspannung. Die Triggerspannung SA verschwindet nach der Zeitspanne T 0 Fig. 5, so daß dann, wenn die Zeitspanne T 6 länger ist als die Abschaltzeit des Thyristors, der Thyristor SCR 1 abgeschaltet ist. Auf diese Weise wird die Zeitspanne T 6 durch die Induktivität der Drossel T 2, die Kapazität des Kondensators C 7 und die Impedanz der Motorspule LL 1 festgelegt.

Weil der Abschaltimpuls dem Thyristor SCR 2 gemäß Fig. 5 deshalb zugeführt wird, um ihn zu einem Zeitpunkt nach der Zeitspanne T 0 einzuschalten, fällt die Spannung S 24 schnell auf einen Wert -E ab und fällt dann weiter unter einen Wert -E 1, worauf die Spannung nach einer Zeitspanne T 7 wieder ansteigt, und zwar auf den Wert Null Volt. Die Kathodenspannung des Thyristors SCR 2 beträgt stets -E, und die Zeitspanne T 7 bezeichnet diejenige Zeitspanne, in welcher die Anodenspannung des Thyristors SCR 2 niedriger ist als seine Kathodenspannung. Weiterhin tritt die Zeitspanne T 7 nach der Dauer T 5 des Abschaltimpulses auf, so daß dann, wenn die Zeitspanne T 7 länger ist als die Abschaltzeitspanne des Thyristors, der Thyristor SCR 2 in dieser Zeitspanne abgeschaltet ist. Die obigen Ausführungen erläutern das Prinzip der Aufprägung des Abschaltimpulses auf zwei Thyristoren zu dem Zweck, diese abzuschalten. Die Zeitspanne T 7 ist durch die Werte T 2, C 7, R 9 und LL 1 vorgegeben.

(7) Zustand der auf die Motorspulen LL 1 und LL 2 aufgeprägten Spannungen

Unter der Annahme, daß die Motorspule LL 1 an ihrem einen Ende p 4 geerdet ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Spannung am anderen Ende p 3 so sein, wie dies im oberen Teil der Fig. 6 beim Bezugszeichen LL 1 angedeutet ist, während die Spannung am einen Ende p 1 der Spule LL 2 bezüglich der Spannung am anderen Ende p 2 so sein wird, wie dies im unteren Teil von Fig. 6 beim Bezugszeichen LL 2 gezeigt ist. Gemäß Fig. 3 werden den Feldspulen LL 1 und LL 2 Gleichstromimpulse in der Reihenfolge S 9-S 11-S 10-S 12 zugeführt, und zwar innerhalb einer Zeitspanne T 1+U mit einer Phasenverschiebung von 90° (Fig. 6). Die Flußrichtungen der Ströme zu den Spulen LL 1 und LL 2 ändern sich wechselweise, aber die Zeitspanne T 1+U vermindert sich infolge des Generators A 0 in Fig. 2A von einer konstanten Zeitperiode zu einer vorgegebenen kürzeren Zeitperiode. In Fig. 6 bezeichnet TP einen Punkt, an welchem das Vorwärts- oder Rückwärtsdrehsignal verschwindet, während T 4 eine Zeitspanne ist, während welcher eine Gleichspannung der Spule LL 1 nach Anhalten des Motors zugeführt wird. Die in gestrichelten Linien dargestellten Bereiche sind solche, in welchen die Impulse S 9, S 10, S 11 und S 12 logisch "1" haben, und T 3 bedeutet, daß das Signal S 8 erzeugt wird, und zwar mit einer Dauer proportional der Motordrehzahl und dem Lastmoment.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß bei der Erfindung trotz Verwendung eines Induktionsmotors als Antriebsmotor seine Steuerung leicht und sicher und mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann, wobei seine Drehzahl, seine Drehrichtung, sein Drehmoment, seine Abbremsung und sein Anhalten gesteuert wird. Darüber hinaus ist die Anordnung vergleichsweise einfach und weist die eingangs erwähnten Nachteile der vorbekannten Anordnungen nicht auf.

Claims

1. Muttern-Aufschraubgerät mit einem Asynchronmotor als Antriebsmotor, mit einer mit dem Schraubelement kuppelbaren Antriebswelle, mit einem Untersetzungsgetriebe zwischen Antriebsmotor und Antriebswelle, mit einem Drehmomentdetektor zum Messen des auf die Antriebswelle aufgebrachten Drehmomentes und mit einer den Antriebsmotor in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Drehmomentdetektors steuernden Steuerschaltung, die den Motor während einer ersten Stufe bis zum Erreichen des Fügemoments schnell und während einer zweiten Stufe langsam laufen läßt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

2. Muttern-Aufschraubgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiphasen-Asynchronmotor (M 1) durch Gleichstrom gebremst wird.

3. Muttern-Aufschraubgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Frequenzvorgabe einen Sägezahngenerator enthält, der durch die Spannung eines Drehgeschwindigkeits-Steuersignals angesteuert wird.

4. Muttern-Aufschraubgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter GTO-Thyristoren (SCR 1, SCR 2, SCR 3 und SCR 4) enthält.