DE3938787A1 - Elektroschrauber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektroschrauber mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Drehmoments ei­ nes von einem Elektromotor angetriebenen Ab­ triebselements und mit einer Bremseinrichtung, die beim Erreichen eines vorgebbaren Drehmoments die Drehung des Abtriebselements mittels einer elektri­ schen Bremsschaltung stoppt.

Elektroschrauber verschiedener Ausführungsformen sind bekannt. Sie weisen jeweils einen Elektromotor auf, der über ein Getriebe auf ein Abtriebselement wirkt. In das Abtriebselement können unterschied­ liche Schraubwerkzeuge eingesetzt werden.

Es ist bekannt, bei derartigen Elektroschraubern das am Abtriebselement erzeugte Drehmoment durch die Ankerspannung bzw. den Ankerstrom des Elektro­ motors zu erfassen. Übersteigt das Moment des Ab­ triebselements beim Festziehen einer Schraubverbin­ dung ein am Elektroschrauber einstellbares Dreh­ moment (Sollwert), so wird der Bremsbetrieb einge­ leitet, um die Drehung des Abtriebselements in mög­ lichst kurzer Zeit zu stoppen. Für das Abbremsen wird ein getaktetes Bremssignal eingesetzt. Dieses hat eine zum vorherigen Schraubbetrieb entgegenge­ setzte Polarität, so daß die träge Masse des Elek­ tromotors in kurzer Zeit zum Stillstand gebracht wird. Der getaktete Betrieb ist notwendig, um in den Taktpausen die von dem dann als Generator wir­ kenden Elektromotor abgegebene Generatorspannung bzw. den Generatorstrom zu messen, da diese Größe die Information über den jeweiligen Betriebszu­ stand, insbesondere bezüglich des Erreichens des Stillstands, enthält. Der getaktete Betrieb fordert einen entsprechend großen Aufwand, vermindert die Bremskraft und verlängert damit den Bremsbetrieb und läßt auch nur eine relativ ungenaue Bestimmung des jeweiligen Betriebspunkts zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektroschrauber der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Bremsbetrieb optimiert ist. Insbesondere soll eine große Bremskraft entwickelt werden, so daß nur eine sehr kurze Bremszeit not­ wendig ist, wobei ein unbeabsichtigtes Lösen einer zuvor festgezogenen Schraubverbindung mit Sicher­ heit vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen das Drehmoment mechanisch erfassenden Dreh­ momentsensor, der während des Bremsbetriebs die Ab­ gabe eines kontinuierlichen Bremssignals bewirkt. Erfindungsgemäß wird das Drehmoment somit während des Bremsbetriebs von dem Drehmomentsensor mecha­ nisch erfaßt. Dies bedeutet, daß das Drehmoment nicht aus einer elektrischen Motorgröße, wie z. B. Ankerstrom oder Ankerspannung, abgeleitet wird. Die aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Er­ fassung entfällt somit. Daher kann dem Elektromotor ein kontinuierliches, also nicht getaktetes Brems­ signal zugeführt werden, wobei gleichzeitig eine Drehmomenterfassung erfolgt. Erreicht das Drehmo­ ment einen vorgegebenen Wert - vorzugsweise den Wert "0" -, so wird der Bremsbetrieb beendet. Da ein un­ getakteter Bremsbetrieb erfolgt, steht eine ent­ sprechend hohe Bremsenergie zur Verfügung, so daß innerhalb sehr kurzer Zeit ein Stillstand des Ab­ triebselements erzielt wird. Ferner läßt ein auf mechanischer Basis arbeitender Drehmomentsensor eine sehr präzise Momentenbestimmung zu, so daß ein "Überbremsen", das eine Drehrichtungsumkehr des Ab­ triebselements bewirken könnte, mit Sicherheit ver­ mieden ist. Die Drehmomenterfassung mechanisch vor­ zunehmen bedeutet nicht, daß der Drehmomentsensor kein elektrisches, dem Drehmoment entsprechendes Ausgangssignal abgibt - wie das z. B. bei Dehnmeß­ streifen der Fall ist -, sondern soll lediglich klarstellen, daß erfindungsgemäß keine Auswertung einer elektrischen Motorgröße für die Drehmomenter­ fassung vorgenommen wird.

Wie bereits erwähnt, beendet der Drehmomentsensor bei einem Drehmomentwert von "0" den Bremsbe­ trieb. Der Bremsbetrieb wird mit einer Bremsschal­ tung durchgeführt, die bevorzugt als Drehrichtungs­ umkehrschaltung ausgebildet ist und eine Umpolung der Motorspannung vornimmt.

Zur Erhöhung der Sicherheit kann - nach einer Wei­ terbildung der Erfindung - eine übergeordnete Brems­ überwachungs-Einrichtung vorgesehen sein, die den Bremsbetrieb auf eine vorgebbare Bremszeit be­ schränkt. Erfolgt der zuvor beschriebene, mit Dreh­ momentüberwachung vorgenommene "normale" Bremsbe­ trieb nicht innerhalb der vorgegebenen Bremszeit, so kann davon ausgegangen werden, daß das System z. B. einen Fehler aufweist. Um nunmehr zu verhin­ dern, daß die angezogene Schraubverbindung durch einen unzulässig langen, eine Drehrichtungsumkehr bewirkenden Bremsbetrieb wieder gelöst wird, nimmt die Bremsüberwachungs-Einrichtung eine Zeitbegren­ zung vor, die derart gewählt ist, daß ein Los­ schrauben der Schraubverbindung nicht vorkommen kann. Hierdurch werden hohe Sicherheitsanforde­ rungen erfüllt. Fällt zum Beispiel die Funktion des Drehmomentsensors im Bremsbetrieb aus, so daß der Stillstand (Drehmoment = 0) des Abtriebselements nicht sensiert werden kann, so sorgt die Bremsüber­ wachungs-Einrichtung durch die vorgegebene Brems­ zeit dennoch dafür, daß kein unzulässiges Los­ schrauben erfolgt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß als Bremszeit diejenige Zeit vorgegeben wird, die während der Bremsung aus maximaler Dreh­ zahl bis zum Stillstand vergeht.

Von Vorteil ist es, wenn sich an den Bremsbetrieb eine in Festschraub-Drehrichtung des Abtriebs­ elements wirkende Impuls-Ansteuerung des Elektro­ motors anschließt. Die Impuls-Ansteuerung wirkt auf den Elektromotor in entgegengesetzter Drehrichtung zum Bremsbetrieb, also in Festschraub-Drehrichtung. Sie erfolgt vorzugsweise ohne Regelung und ist da­ her entsprechend einfach zu realisieren. Ihre Auf­ gabe ist es, daß Drehmoment insbesondere auf den Wert "0" zu bringen, das heißt, die durch den Bremsbetrieb gegebenenfalls noch in Bewegung be­ findliche träge Masse zu stoppen. Ideal ist ein ex­ akter Halt des Abtriebselements. Zulässig kann es jedoch auch sein, daß durch den Impuls der Impuls- Ansteuerung höchstens das niedrigste in Fest­ schraubrichtung mögliche Anzugsmoment aufgebracht wird. Dieses ist unkritisch, da ja kein Lösen der Schraubverbindung erfolgt. Vorzugsweise ist die Im­ pulsdauer der Impuls-Ansteuerung fest vorgegeben.

Schließlich kann eine Totzeitschaltung vorgesehen sein, die beim Start der Drehmomentmessung eine Auswertung des Ausgangssignals des Drehmomentsen­ sors unterdrückt. Diese Nichtberücksichtigung führt dazu, daß Drehmomentspitzen, die sich zum Beispiel aufgrund von Haftreibung und Trägheit der Elek­ troschrauber-Komponenten (Getriebe, Motor, Ab­ triebselement usw.) einstellen können, nicht zu ei­ nem vorzeitigen Abschalten führen. Dieses vorzei­ tige Abschalten würde ohne Unterdrückung des Dreh­ momentsensor-Ausgangssignals sonst stets dann ein­ treten, wenn die Drehmomentspitzen größer als der vorgebbare Sollwert des Drehmoments sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für das Betreiben eines Elektroschraubers, wobei zunächst eine Erfassung des Drehmoments an einem von einem Elektromotor angetriebenen Abtriebselement und eine Abbremsung des Abtriebselements beim Erreichen ei­ nes vorgebbaren Drehmoments erfolgt und wobei das Drehmoment mechanisch erfaßt wird und während des Bremsbetriebs die Abgabe eines kontinuierlichen Bremssignals bewirkt. Erst wenn das mechanisch er­ faßte Drehmoment einen vorgegebenen Wert, vorzugs­ weise "0", erreicht hat, wird das kontinuierlich und somit in voller Größe wirksame Bremssignal ab­ geschaltet, so daß eine entsprechend starke und kurze Bremsung erfolgt.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung an­ hand eines Ausführungsbeispiels und zwar zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuerung/Regelung eines erfindungsge­ mäßen Elektroschraubers,

Fig. 2 eine Seitenansicht des mechanischen Auf­ baus,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das die Einbauposi­ tion des Drehmomentsensors wiedergibt und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der wichtigsten elek­ trischen Komponenten des Elektroschrau­ bers.

Das Blockschaltbild der Fig. 1 gibt einzelne Bau­ gruppen eines Elektroschraubers wieder. Dieses sind ein Stromversorgungsteil 1, dem über die Klemmen 2 und 3 eines Versorgungsspannung zugeführt wird. Über eine Klemme 4 wird einem Leistungsteil 5 eine gegenüber der Versorgungsspannung größere Betriebs­ spannung zugeleitet. Das Leistungsteil 5 betreibt über die Leitungen 6 und 7 einen Elektromotor 8. Dieser überträgt seine Kraft auf ein (in der Fig. 1 nicht dargestelltes) Abtriebselement. Das am Ab­ triebselement aufgebrachte Drehmoment wird von ei­ nem Drehmomentsensor 9 mechanisch erfaßt. Der Dreh­ momentsensor 9 kann vorzugsweise Dehnmeßstreifen als Signalgeber aufweisen, deren elektrische An­ schlüsse über eine Leitungsverbindung 10 mit einer Drehmoment-Auswerteschaltung 11 verbunden sind. Mittels einer Sollwertvorgabe 13 kann der Drehmo­ ment-Auswerteschaltung 11 ein Drehmoment (Sollwert) vorgegeben werden. Eine Ausgangsleitung 14 führt von der Drehmoment-Auswerteschaltung 11 über ein Relais 15 zu einem Ausgangssignal 16, das z. B. eine optische Anzeige aufleuchten läßt, sobald mit dem Elektroschrauber eine Schraubverbindung korrekt an­ gezogen wurde. Die Ausgangsleitung 14 führt ferner zu einer Ansteuerungs- und Bremslogik 17, die eine Bremsüberwachungs-Einrichtung 18 beinhaltet.

Ferner ist eine Störungs-Überwachungslogik 19 vor­ gesehen, die mit einem am Leistungsteil 5 ange­ schlossenen Überwachungsschutz 20 (Motorstromüber­ wachungsschutz) in Verbindung steht. Als weitere Eingangsgrößen erhält die Störungs-Überwachungslo­ gik 19 Eingangssignale von einer mit dem Stromver­ sorgungsteil 1 in Verbindung stehenden Spannungs­ überwachung 21 und von einer Temperaturüberwachung 22, die an einen NTC-Widerstand 23 angeschlossen ist. Der Ausgang 24 der Störungs-Überwachungslogik 19 führt zur Ansteuerungs- und Bremslogik 17 und zu einem Relais 25, dessen Ausgangssignal 26 z. B. eine optische Störungsanzeige betätigt. Über eine Ent­ störlogik 27, die eine Entkopplung 28 aufweist, läßt sich der Start des Elektroschraubers bewirken, wobei ein Rechtslauf RE oder ein Linkslauf LI mög­ lich ist.

Die Fig. 2 zeigt eine Gesamtanordnung des mechani­ schen Aufbaus des Elektroschraubers. Es ist erkenn­ bar, daß der Elektromotor 8 über ein Getriebe 29 auf das bereits erwähnte Abtriebselement 31 wirkt. Bei einer Befestigung der Anordnung an Befesti­ gungsbohrungen 32 eines Meßelements 30, kann beim Auftreten eines Momentes zwischen Elektromotor 8 und Abtriebselement 31 dasselbe mit Hilfe des Dreh­ momentsensors 9 als Reaktionsmoment an der Meßnabe abgegriffen werden. Am Abtriebselement 31 werden die unterschiedlichen, nicht dargestellten Schraub­ werkzeuge drehfest eingesetzt.

Die Fig. 3 verdeutlicht nochmals den Aufbau der Fig. 2 als schematisches Blockschaltbild. Deutlich ist ersichtlich, daß zwischen Getriebe 29 und Ab­ triebselement 31 der Drehmomentsensor 9 geschaltet ist. Ein Dehnmeßstreifen 34 des Drehstromsensors 9 ist schematisch wiedergegeben.

Die Fig. 4 zeigt die wichtigsten elektrischen Kom­ ponenten des erfindungsgemäßen Elektroschraubers als Blockschaltbild. Der Drehmomentsensor 9 ist an einen Auswertebaustein 35 angeschlossen, der mit einer Totzeitschaltung 36 zusammenwirkt. Auswerte­ baustein 35 und Totzeitschaltung 36 gehören der Drehmoment-Auswerteschaltung 11 an. Der Auswerte­ baustein 35 steuert eine Bremsschaltung 37 an, die zur Ansteuerungs- und Bremslogik 17 gehört. Ferner wird die Bremsüberwachungs-Einrichtung 18 ange­ steuert, deren Ausgang 38 zur Bremsschaltung 37 führt. Die Bremsschaltung 37 steuert einen Umpol­ schalter 39 an, mit dem sich die Drehrichtung des Elektromotors 8 umschalten läßt. Mittels eines Pa­ rallelzweigs ist ferner eine Impulsschaltung 40 zwischen Bremsschaltung 37 und Umpolschalter 39 ge­ schaltet.

Der erfindungsgemäße Elektroschrauber arbeitet fol­ gendermaßen:

Es sei davon ausgegangen, daß in das Abtriebs­ element 31 ein entsprechendes Schraubwerkzeug ein­ gesetzt ist, mit dem eine Schraubverbindung - z. B. wie üblich - im Rechtsdrehsinn festgezogen werden soll. Die Bedienperson wird also nach zuvor einge­ stelltem Anzugdrehmoment (Sollwertvorgabe 13) den Elektroschrauber im Rechtslauf RE starten. Der Elektromotor 8 treibt nunmehr über das Getriebe 29 das Abtriebselement 31 so lange an, bis das mech­ anisch vom Drehmomentsensor 9 erfaßte Drehmoment (Istwert) den vorgegebenen Sollwert erreicht. Auto­ matisch erfolgt dann eine Abschaltung des Anzugbe­ triebs und es wird der Bremsbetrieb gestartet um die Drehung des Abtriebselements 31 möglichst schnell zu stoppen. Hierzu wird die Bremsschaltung 37 von dem Auswertebaustein 35 aktiviert, die den Umpolschalter 39 gegenüber dem Anzugbetrieb um­ schaltet, so daß der Elektromotor 8 während des Bremsbetriebs kontinuierlich mit umgepolter Motor­ spannung betrieben wird. Während des Bremsbetriebs wird gleichzeitig das am Abtriebselement 31 wir­ kende Drehmoment von dem Drehmomentsensor 9 erfaßt. Erreicht dieses den Wert "0", so wird die Im­ pulsschaltung 40 angesteuert, die eine Umpolung des Umpolschalters 39 bewirkt, wodurch der Elektromotor 8 für eine fest vorgegebene Impulsdauer nochmals kurz in Anzugdrehrichtung angesteuert wird. Hier­ durch wird sichergestellt, daß das Brems-Drehmoment den Wert um Null annimmt, das heißt, die aufgrund des Bremsbetriebs möglicherweise noch in Bewegung befindliche träge Masse wird sicher abgebremst. Dieses verhindert ein unbeabsichtigtes Lockern der angezogenen Schraubverbindung, das dann eintreten könnte, wenn durch den Bremsbetrieb eine Drehrich­ tungsumkehr auftreten sollte. Nach einem anderen Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, daß durch die Impuls-Ansteuerung ein Drehmoment in Festschraub-Drehrichtung aufgebracht wird, was je­ doch maximal den Wert des niedrigst möglichen An­ zugsmoment erreicht. Eine unbeabsichtigtes Lösen der Schraubverbindung ist somit mit Sicherheit aus­ geschlossen.

Die Bremsüberwachungs-Einrichtung 18 beschränkt den Bremsbetrieb auf eine vorgebbare Bremszeit. Die Bremszeit ist diejenige Zeit, die während der Brem­ sung aus maximaler Drehzahl bis zum Stillstand des Abtriebselements 31 vergeht. Sie wird bei der Er­ probung des Elektroschraubers einmal ermittelt und dann fest eingestellt. Sollte ein Fehler auftreten - z. B. der Drehmomentsensor im Bremsbetrieb ausfal­ len -, so wird der Bremsbetrieb nach Ablauf der Bremszeit automatisch beendet. Dieses stellt si­ cher, daß kein unzulässiges Losschrauben der zuvor festgeschraubten Schraubverbindung erfolgt.

Für einen sicheren Betrieb ist ferner die Totzeit­ schaltung 36 vorgesehen, die beim Start der Dreh­ momentmessung eine Auswertung des Ausgangssignals des Drehmomentsensors 9 unterdrückt. Drehmoment­ spitzen, die den vorgegebenen Sollwert überschrei­ ten bleiben damit unberücksichtigt. Diese Dreh­ momentspitzen können beim Start z. B. durch Haftrei­ bung und Trägheit der einzelnen mechanischen Ele­ mente des Elektroschraubers hervorgerufen werden.

Claims (11)

1. Elektroschrauber mit einer Vorrichtung zur Er­ fassung des Drehmoments eines von einem Elektromo­ tor angetriebenen Abtriebselements und mit einer Bremseinrichtung, die beim Erreichen eines vorgeb­ baren Drehmoments die Drehung des Abtriebselements mittels einer elektrischen Bremsschaltung stoppt, gekennzeichnet durch einen das Drehmoment mech­ anisch erfassenden Drehmomentsensor (9), der wäh­ rend des Bremsbetriebs die Abgabe eines kontinuier­ lichen Bremssignals bewirkt.

2. Elektroschrauber nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehmomentsensor (9) bei ei­ nem Drehmomentwert von etwa "0", vorzugsweise gleich "0", den Bremsbetrieb beendet.

3. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brems­ schaltung (37) als Drehrichtungsumkehrschaltung ausgebildet ist, die eine Umpolung der Motorspan­ nung vornimmt.

4. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine übergeordnete Bremsüberwachungs-Einrichtung (18), die den Brems­ betrieb auf eine vorgebbare Bremszeit beschränkt.

5. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Brems­ zeit diejenige Zeit vorgegeben wird, die während der Bremsung aus maximaler Drehzahl bis zum Still­ stand vergeht.

6. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Bremsbetrieb eine in Festschraub-Drehrichtung des Abtriebselements wirkende Impuls-Ansteuerung des Elektromotors anschließt.

7. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von ei­ ner Impulsschaltung (40) bewirkte Impuls-Ansteue­ rung derart erfolgt, daß ein noch aus dem Bremsbe­ trieb wirkendes Drehmoment auf den Wert "0" ge­ bracht oder daß maximal das niedrigste in Fest­ schraubrichtung mögliche Anzugsmoment erreicht wird.

8. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls­ dauer der Impuls-Ansteuerung fest vorgegeben ist.

9. Elektroschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Totzeitschal­ tung (36), die beim Start der Drehmomentmessung eine Auswertung des Ausgangssignals des Drehmoment­ sensors (9) unterdrückt.

10. Verfahren für das Betreiben eines Elek­ troschraubers, insbesondere nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, mit fol­ genden Schritten:

• - Erfassung des Drehmoments an einem von einem Elektromotor angetriebenen Abtriebselement,
• - Abbremsung des Abtriebselements beim Errei­ chen eines vorgebbaren Drehmoments,

dadurch gekennzeichnet,

• daß das Drehmoment mechanisch erfaßt wird und während des Bremsbetriebs die Abgabe eines kon­ tinuierlichen Bremssignals bewirkt.