DE4128427C2 - Kraftgetriebenes Werkzeug und Verfahren zum Betrieb eines solchen zum Festziehen einer Schraubverbindung - Google Patents
Kraftgetriebenes Werkzeug und Verfahren zum Betrieb eines solchen zum Festziehen einer SchraubverbindungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung ist auf
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 2 gerichtet
und insbesondere auf ein kupplungsloses kraftge
triebenes Werkzeug mit einem Gleichstrommotor zum Festzie
hen von Schrauben und Muttern bis zu einem gewünschten,
strammen Sitz durch eine Vielzahl von Steuerstufen.
Die JP-B-60-
47 071 offenbart ein
Drehmoment-steuerndes, kraftgetriebenes Werkzeug, das
einen Elektromotor zum Festziehen einer Schraube oder Mut
ter durch zwei Festziehstufen hindurch benutzt. Zunächst
wird eine Steuerung dadurch vorgenommen, daß man eine hohe
Spannung an den Motor anlegt, um die Schraube bzw. Mutter
mit hoher Geschwindigkeit anzutreiben, bis gemessen wird,
daß die Schraube oder Mutter aufsitzt. Nach der Ermittlung
des Aufsitzzustandes, die vorgenommen wird durch Überwa
chen einer kritischen Zunahme in einem Feldstrom, der
durch den Motor strömt, wird der Motor zeitweise gestoppt.
Dann wird der Motor mit erhöhter Spannung bis zu einer
vorbestimmten Grenze erneut gestartet und wird wieder nach
Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraumes angehalten, um
die Schraube bzw. Mutter beim Anlauf-Drehmoment des Motors
noch weiter festzuziehen. Nachteiligerweise liefert eine
solche Spannungskontrolle keinen Ausgleich für die Ände
rung im Widerstand, die höchstwahrscheinlich im elektri
schen Kreis des Motors infolge der Temperaturänderung des
Motors während des fortgesetzten Gebrauchs auftritt, und
kann somit nicht genau einen angestrebten End-Festzieh
zustand bestimmen. Demzufolge kann es noch immer erforder
lich sein, eine mechanische Kupplung mit aufzunehmen, die
das Festzieh-Drehmoment begrenzt, um die Schraube bzw.
Mutter zuverlässig mit einem genau vorbestimmten, festen
Sitz festzuziehen.
Ein anderes kraftgetriebenes Werkzeug aus dem Stand der
Technik ist in der
JP-A-2-100 882
offenbart. Die Veröffentlichung
schlägt ein mehrstufiges, Drehmoment-steuerndes, kraftge
triebenes Werkzeug vor, das einen Elektromotor zum Fest
ziehen einer Schraube bzw. Mutter durch eine Anzahl von
Festzieh-Stufen hindurch benutzt, in denen die Schraube
bzw. Mutter bei unterschiedlich gesteuerten Drehmomenten
festgezogen wird. Das kraftgetriebene Werkzeug umfaßt
einen Abstandsfühler, um einen Spaltabstand zwischen dem
Schraubenkopf und einer Werkstückfläche zu überwachen, in
die die Schraube fest eingeschraubt wird, und um einen Zu
stand vor dem Aufsitzen zu ermitteln, wenn der Spaltab
stand auf einen vorbestimmten Wert verringert ist, der
eine Anzeige liefert, daß sich die Schraube unmittelbar
vor dem Aufsitzen befindet. Zunächst wird eine Steuerung
vorgenommen, um eine hohe Spannung an den Motor anzulegen,
um die Schraube bzw. Mutter mit hoher Geschwindigkeit an
zutreiben, bis gemessen wird, daß sich die Schraube dem
vor dem Aufsitzen befindlichen Zustand nähert, wonach eine
niedrige Spannung an den Motor angelegt wird, um die
Schraube bei niedriger Geschwindigkeit bis in ihren auf
sitzenden Zustand festzuziehen, um den Stoß beim Aufsitzen
zu verringern. Nach dem Ermitteln des aufsitzenden Zu
stands wird eine Umkehrspannung angelegt, um den Motor zu
stoppen. Dann wird der Motor mit einer allmählich zuneh
menden Spannung von einer verhältnismäßig niedrigen Span
nung aus bis zu einer vorbestimmten Grenze erneut gestar
tet, um die Schraube mit einem entsprechend zunehmenden
Drehmoment noch weiter festzuziehen. Die vorbestimmte
Spannungsgrenze wird so gewählt, daß sie ein Festzieh-
Drehmoment definiert, bei dem die Schraube in die Werk
stück-Oberfläche noch über ihren aufsitzenden Zustand hin
aus fest eingeschraubt ist. Weil das kraftgetriebene Werk
zeug sich auf eine Spannungskontrolle zum Bestimmen des
Festzieh-Drehmoments verläßt, leidet es unter der Wider
standsänderung im elektrischen Kreis des Motors und kann
die Schraube bzw. Mutter nicht genau und zuverlässig mit
dem gewünschten Drehmoment festziehen.
Ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine entsprechend arbeitende Vorrichtung
ist aus der DE 25 58 251 C2 bekannt, bei der ein dreiphasiges
Betriebsverfahren zum Festziehen einer Schraubverbindung vorhanden
ist, bei der während einer ersten Betriebsphase ein Antriebsmotor mit
einer hohen Drehzahl betrieben wird, anschließend in einer zweiten
Betriebsphase die Drehzahl kurz vor einem Aufsitzzeitpunkt reduziert,
und in einer dritten Betriebsphase wird der Motor nach Erreichen des
Aufsitzzeitpunktes so lange weitergedreht, bis ein definiertes Anzugsmoment
erreicht ist. Dabei erfolgt die Steuerung der Motorabschaltung im
Festspannpunkt nach dem Drehwinkelverfahren, d. h. es wird nach
Erreichen eines bestimmten Drehwinkels nach dem Aufsitzzeitpunkt die
Stromversorgung des Motors abgestellt. Diese Anordnung hat den Nachteil,
daß eine definierte Einstellung eines bestimmten Anzugsmomentes
nur nach Kenntnis der Parameter der Befestigungseinrichtung wie Steigung,
Länge, E-Modul etc. möglich ist und aus einem gewünschten
Anzugsmoment der erforderliche Drehwinkel berechnet werden muß.
Ausgehend von den vorbekannten Anordnungen liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie ein gattungsgemäßes
kraftgetriebenes Werkzeug anzugeben, bei die Befestigungseinrichtung
genau und zuverlässig bis zu einem angestrebten Anzugsmoment
festzuziehen ist, wobei für den Benutzer ein größtmöglicher Komfort auch
bei unterschiedlichen Anzugsmomenten erzielbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen
1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Insbesondere sieht die Erfindung ein kraftbetriebenes Werkzeug sowie ein
Verfahren zum Betrieb desselben vor, das
einen Gleichstrommotor umfaßt, um eine Schraube bzw. Mut
ter durch drei aufeinanderfolgende Stufen hindurch festzu
ziehen. In der ersten Stufe wird der Motor mit hoher Ge
schwindigkeit gedreht, damit die Schraube bis zu einem vor
dem Aufsitzen liegenden Zustand angezogen wird, der vom
kraftgetriebenen Werkzeug erkannt wird. Dann wird der
Motor kurzzeitig angehalten und mit niedriger Geschwindig
keit erneut gestartet, um die Schraube bis zu ihrem auf
sitzenden Zustand festzustellen, um die zweite Stufe fer
tigzustellen. In der dritten Stufe übernimmt eine Strom
steuerung die Drehzahlsteuerung, um allmählich den Motor
strom auf geregelte Weise dadurch zu erhöhen, daß ständig
der Motorstrom überwacht wird, der durch den Motor bis zu
einer vorbestimmten Stromgrenze hindurchfließt, die so ge
wählt ist, daß sie in unmittelbarer Zuordnung zu einem
endgültigen Festzieh-Drehmoment steht, mit dem die
Schraube über den festgezogenen Zustand hinaus noch weiter
festgezogen wird. Nachdem der Motorstrom die Stromgrenze
erreicht hat, wird der Motor angehalten, um den Festzieh-
Vorgang fertigzustellen. Der Gleichstrommotor, der eine
Charakteristik eines zunehmenden Ausgangs-Drehmoments
unmittelbar proportional zu einer Zunahme im Motorstrom
aufweist, der durch den Motor hindurch eingespeist wird,
umfaßt eine Motor-Abtriebswelle, die betrieblich mit einer
Antriebsnuß bzw. einer antreibenden Bohrerspitze verbunden
ist, um eine Befestigungseinrichtung, wie etwa eine
Schraube bzw. eine Mutter, festzuziehen. Ein Drehzahl-/Um
drehungsfühler ist vorgesehen, um Geschwindigkeit und
Anzahl der Umdrehungen des Motors zu ermitteln. Der Motor
ist mit einer Antriebsschaltung verbunden, die zum Antrei
ben des Motors bei sich ändernden Geschwindigkeiten und
Drehmomenten ansprechen kann. Ein Drehzahl- bzw. Geschwin
digkeitsregler ist dem Antrieb zugeordnet, um die Motor-
Abtriebswelle wahlweise bei hoher und niedriger Geschwin
digkeit anzutreiben, indem er die Spannung steuert, die an
den Motor angelegt wird, um die Schraube bzw. Mutter wäh
rend der ersten und zweiten Stufe festzuziehen. Ein Strom
fühler ist mit enthalten, um den Motorstrom zu überwachen,
der durch den Motor fließt, und ein Rückkopplungssignal
vorzusehen. Dem Stromfühler ist ein Stromregler zugeord
net, der den Feldstrom auf der Grundlage des Regelsignals
ändert, um dementsprechend das Motor-Ausgangs-Drehmoment
während der dritten Stufe beim Festziehen der Schraube
bzw. Mutter bis zu einem angestrebten strammen Sitz zu
ändern. Das kraftgetriebene Werkzeug umfaßt ferner einen
Vor-Aufsitz-Beurteilungsabschnitt, der den Zustand vor dem
Aufsitzen bestimmt, wo sich die Schraube bzw. Mutter un
mittelbar vor ihrem Aufsitzen befindet, und der ein Vor-
Aufsitz-Signal erzeugt, das den Vor-Aufsitz-Zustand an
zeigt. Ein Aufsitz-Fühler ist ebenfalls enthalten, um den
Aufsitz-Zustand zu ermitteln, in dem die Schraube bzw.
Mutter tatsächlich aufsitzt, und um ein Aufsitz-Signal zu
erzeugen, das den Aufsitz-Zustand anzeigt. Ein Eingangsab
schnitt ist vorgesehen, um ein endgültiges Festzieh-Dreh
moment festzusetzen, mit dem die Schraube bzw. Mutter
festgezogen werden soll, und zwar über den Aufsitz-Zustand
hinaus, und um das endgültige Festzieh-Drehmoment in un
mittelbarer Zuordnung zu einer entsprechenden Strombegren
zung für den Motorstrom zu speichern. Ein Zentralregler ist
vorgesehen, um den Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsregler
nur während der ersten und zweiten Stufe zu aktivieren und
um andererseits den Stromregler nur während der dritten
Stufe zu aktivieren. Das heißt, der Zentralregler bewirkt,
daß zuerst der Drehzahlregler auf eine solche Weise akti
viert wird, daß er den Motor mit hoher Geschwindigkeit
dreht, ihn in Abhängigkeit vom Vor-Aufsitz-Signal stoppt
(erste Stufe) und den Motor mit niedriger Drehzahl (zweite
Stufe) erneut startet. Nach dem Empfang des Aufsitz-
Signals spricht der Zentralregler so an, daß der Stromreg
ler anstelle des Drehzahlreglers auf eine solche Weise
aktiviert wird, daß der Motor angetrieben wird, während
die Zunahme des Motorstromes rückgekoppelt mit geeigneter
Geschwindigkeit bis zu der Strombegrenzung getrennt wird
(dritte Stufe), um die Schraube bzw. Mutter über den Auf
sitz-Zustand hinaus mit dem endgültigen Festzieh-Drehmo
ment noch weiter festzuziehen, das von der Strombegrenzung
bestimmt wird. Nach Erreichen der Strombegrenzung veran
laßt der Zentralregler den Stromregler, die Zufuhr des
Motorstromes zu unterbinden, hierbei den Motor anzuhalten
und das Festziehen der Schraube bzw. Mutter bis zu einem
angestrebten, strammen Sitz genau in exakter Entsprechung
zum endgültigen Festzieh-Drehmoment fertigzustellen. In
folge des Umstandes, daß der Motorstrom überwacht wird, um
eine Regelung des zunehmenden Motorstromes bis zur vorbe
stimmten Strombegrenzung zu bewirken, und auch wegen des
Umstands, daß der Motorstrom und nicht die am Motor ange
legte Spannung geregelt wird, ist es möglich, ein genaues
Festzieh-Drehmoment zu erhalten, das in unmittelbarer Zu
ordnung zum Motorstrom steht und das frei ist von einer
möglichen Schwankung im elektrischen Widerstand der Motor
schaltung, wodurch erfolgreich jede mechanische Kupplung
erübrigt wird, während man gleichzeitig eine zuverlässige
und genaue Drehmomenteinstellung bis zu einem angestreb
ten, strammen Sitz sicherstellt.
Der Zentralregler ist imstande, den Motorstrom mit unter
schiedlichen Geschwindigkeiten bis zu den Strombegrenzun
gen mit unterschiedlichen Werten innerhalb eines konstan
ten Zeitraumes so zu erhöhen, daß der Festzieh-Vorgang der
Schraube bzw. Mutter innerhalb im wesentlichen desselben
Zeitraumes fertiggestellt wird, ungeachtet den unter
schiedlichen Anforderungen an das endgültige Festzieh-
Drehmoment. Somit liefert das kraftgetriebene Werkzeug
eine noch erhöhte Bequemlichkeit beim Festziehen der
Schrauben bzw. Muttern mit unterschiedlichen Drehmomentan
forderungen in gleicher Weise innerhalb im wesentlichen
desselben Zeitraums, was deshalb ein noch anderes Ziel der
vorliegenden Erfindung ist.
Vorzugsweise umfaßt das kraftgetriebene Werkzeug einen
Temperaturfühler, der die Temperatur des Motors mißt und
einen gemessenen Temperaturausgang liefert, der hierüber
eine Aussage gibt. Der Zentralregler weist einen Kompensa
tor auf, der in Abhängigkeit vom Temperaturausgang den
Pegel des Motorstromes als Ausgleich für die temperaturab
hängige Änderung in der Magnetflußdichte des magnetischen
Kreises des Motors nachstellt, um hierbei ein stets über
einstimmendes Festzieh-Drehmoment zu liefern, das im
wesentlichen von temperaturabhängiger Änderung frei ist.
Eine solche Änderung würde nämlich wahrscheinlich während
des fortgesetzten Gebrauchs des Werkzeuges auftreten und
würde das Festzieh-Drehmoment T ändern, das eine Funktion
ist von der Magnetflußdichte Φ und dem Feldstrom I, wie
dies nachfolgend ausgedrückt ist:
T ∝ ΦnT,
worin n die Zahl der Wicklungen des Drahtes ist, der eine
Spule des Motors bildet.
Der Temperaturausgleich kann auch benutzt werden, um die
Spannung nachzustellen, die an den Motor von einer Span
nungsquelle her angelegt wird, um den Motor gleichbleibend
mit der hohen Drehzahl anzutreiben, wie sie während der
ersten Stufe beim Festziehen der Schraube bzw. Mutter bis
zum Vor-Aufsitz-Zustand bestimmt ist.
Das kraftgetriebene Werkzeug der vorliegenden Erfindung
liefert drei unterschiedliche Betriebsweisen, um den Vor-
Aufsitz-Zustand der Schraube bzw. Mutter zu bestimmen.
Eine erste Betriebsweise ist die Lern-und-Ausführ-Be
triebsart, in welcher der Motor so angetrieben wird, daß
er eine Musterschraube bis zu ihrem Aufsitz-Zustand fest
zieht, um die Aufsitz-Umdrehungszahl des Motors zu lie
fern, die erforderlich ist, um die Musterschraube bis zum
Aufsitz-Zustand festzuziehen. Die so gewonnene Aufsitz-
Umdrehungszahl wird so weiterverarbeitet, daß sie um
einige wenige Umdrehungen oder weniger verringert wird, um
eine Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl zu liefern, die in einem
Speicher abgespeichert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der
Motor angehalten, um den Betrieb der Bestimmung des Vor-
Aufsitz-Zustandes fertigzustellen. Dann wird ein Steuer
vorgang zum tatsächlichen Festziehen der Schraube bzw.
Mutter dadurch vorgenommen, daß man den Motor startet;
währenddessen vergleicht ein Vergleicher die tatsächliche
Anzahl von Umdrehungen des Motors mit der Vor-Aufsitz-
Drehzahl, so daß das Vor-Aufsitz-Signal abgegeben wird,
wenn die tatsächliche Anzahl der Umdrehungen die Vor-Auf
sitz-Umdrehungszahl erreicht hat. In Abhängigkeit vom Vor-
Aufsitz-Signal wird der Motor so angesteuert, daß er zeit
weise gestoppt und dann erneut gestartet wird, um die
Schraube bzw. Mutter mit niedriger Drehzahl bis zu ihrem
Aufsitz-Zustand (zweite Stufe) festzuspannen, wonach die
Drehung mittels der Stromregelung nachfolgt, um die
Schraube bzw. Mutter bis zu ihrem angestrebten, festen
Sitz festzuziehen (dritte Stufe).
Eine zweite Betriebsweise ist die Dateneingabe, wobei ein
Daten-Eingabeabschnitt auf die Dateneingabe anspricht, die
ihrerseits eine Aussage über Steigung und wirksame Gewin
delänge im Hinblick auf die Schraube bzw. Mutter liefert,
die festgezogen werden soll. Die Daten werden in einem
Speicher abgelegt und so verarbeitet, daß eine Aufsitz-
Drehzahl errechnet wird, die erforderlich ist, um die
Schraube bzw. Mutter bis zu ihrem Aufsitz-Zustand festzu
ziehen, und um eine Vor-Aufsitz-Drehzahl zu erhalten, wel
che somit aus der Aufsitz-Umdrehungszahl minus einer ge
ringen Zahl von Umdrehungen oder weniger errechnet wird.
Ein Vergleicher spricht an, um die tatsächliche Anzahl von
Umdrehungen des Motors mit der Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl
auf eine solche Weise zu vergleichen, daß das Vor-Aufsitz-
Signal abgegeben wird, wenn die tatsächliche Umdrehungs
zahl die Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl erreicht hat, um den
Motor zu stoppen.
Eine dritte Betriebsweise ist die Echtzeit-Meß-Betriebs
art, bei welcher eine Abstands-Überwachungseinrichtung
ständig den Abstand eines Spalts zwischen einem Nußende
des Motors und einer Werkstückoberfläche überwacht, in
welche die Schraube bzw. Festigungseinrichtung fest einge
schraubt werden soll, den Vor-Aufsitz-Zustand dann be
stimmt, wenn der Abstand bis auf einen vorbestimmten Wert
abgenommen hat, und das Vor-Aufsitz-Signal in Abhängigkeit
vom Vor-Aufsitz-Zustand abgibt, um den Motor zu stoppen.
Bevorzugt kann das kraftgetriebene Werkzeug so ausgebildet
sein, daß es die drei obigen Betriebsarten aufweist, so
daß man wahlweise eine der Betriebsarten entsprechend den
Erfordernissen des Benutzers benutzen kann, so daß die
Flexibilität bei der Benutzung des kraftgetriebenen Werk
zeugs verbessert ist.
Die obigen und noch andere Vorzüge der vorlie
genden Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillier
ten Beschreibung der Ausführungsbeispiele noch näher er
sichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen herangezogen werden.
In der Zeichnung ist:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die Steuerung
eines kraftgetriebenen Werkzeugs in Übereinstimmung mit
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er
findung darstellt,
Fig. 2 ein Zeitablaufplan zum Steuern des
Gleichstrommotors im kraftgetriebenen Werkzeug,
Fig. 3 ein Diagramm, das die Drehmoment-/Dreh
zahl-(Anzahl der Umdrehungen)zuordnung des Gleichstrommo
tors darstellt,
Fig. 4 ein Flußdiagramm, das die grundlegende
Wirkungsweise des kraftgetriebenen Werkzeuges darstellt,
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die Lern-und-Aus
führungs-Betriebsart des kraftgetriebenen Werkzeugs dar
stellt,
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das die Dateneingabe-
Betriebsart des kraftgetriebenen Werkzeugs darstellt,
Fig. 7 ein Flußdiagramm, das die Echtzeit-Meß-
Betriebsart des kraftgetriebenen Werkzeugs darstellt,
Fig. 8 eine schematische Ansicht, die die Art
und Weise darstellt, auf welche das kraftgetriebene Werk
zeug die Länge oder die Anzahl von Umdrehungen erlernt,
die erforderlich ist bzw. sind, um eine Musterschraube bis
zu ihrem Aufsitz-Zustand festzuziehen,
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines kraft
getriebenen Werkzeugs, das mit einer Dateneingabeeinrich
tung und einer Anzeige versehen ist,
Fig. 10 eine Ansicht, die eine typische
Schraubenausbildung aufweist,
Fig. 11 eine schematische Ansicht, die das
kraftgetriebene Werkzeug darstellt, das mit einem Meßstab
versehen ist, um den Vor-Aufsitz-Zustand der Schraube bzw.
Mutter zu messen, und
Fig. 12 eine schematische Ansicht, die eine
Meßfühlerausbildung darstellt, die dem Meßstab zugeordnet
ist.
Es erfolgt nun die detaillierte Beschreibung des bevorzug
ten Ausführungsbeispiels, wobei nun auf Fig. 1 Bezug
genommen wird; dort ist eine Steuerung für ein kraftge
triebenes Werkzeug gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das kraftgetrie
bene Werkzeug umfaßt einen Gleichstrommotor 10 mit einer
Abtriebswelle (nicht gezeigt), die über eine Gruppe von
Untersetzungszahnrädern (nicht gezeigt) mit einer
Antriebsspindel verbunden ist, welche eine Nuß zum Fest
ziehen einer Befestigungseinrichtung, wie etwa einer
Schraube oder dergleichen, trägt. Eine Batterie (nicht
gezeigt) ist im kraftgetriebenen Werkzeug enthalten, um
eine konstante Spannungsquelle vorzusehen, um den Motor 10
über eine herkömmliche Antriebsschaltung 20 mit Schalttransistor
zu erregen. Ein
Impulsbreitenmodulator (PWM) 21 ist mit der Antriebsschal
tung 20 verbunden, um den im folgenden als Feldstrom bezeichneten Motorstrom zu ändern, d. h. den
Motorstrom, der durch den Motor 10 strömt, um die Drehzahl
und das Ausgangs-Drehmoment des Motors 10 unter der Steue
rung des Zentralreglers 30 einzustellen.
Der Zentralregler 30 ist so ausgebildet, daß er einen drei
stufigen Festzieh-Zyklus erreicht, um die Schraube festzu
ziehen, während er die Drehzahl des Motors 10 und den
Motorstrom überwacht, und um auch auf der Grundlage ge
eigneter Eingangsdaten einen Vor-Aufsitz-Zustand zu be
stimmen, bei dem sich die Schraube unmittelbar vor ihrem
Aufsitz befindet. Der Festzieh-Zyklus ist in Fig. 2 ge
zeigt und umfaßt eine erste Stufe (I), eine zweite Stufe
(II) und eine dritte Stufe (III). In der ersten Stufe (I)
wird der Motor 10 so angetrieben, daß er mit hoher Dreh
zahl rotiert, bis die Schraube ihren Vor-Aufsitz-Zustand
erreicht, bei dem der Motor 10 veranlaßt wird, am Ende der
ersten Stufe (I) sich rasch auf die Drehzahl Null zu ver
langsamen. Die zweite Stufe (II) folgt unmittelbar und
veranlaßt den neuen Start des Motors 10 bei niedriger
Drehzahl, bis die Schraube aufsitzt. Die niedrige Drehzahl
ist so gewählt, daß sie die Mindest-Drehzahl des Motors 10
ist, um den Stoß beim Aufsitzen so weit wie möglich zu
verringern. Dann beginnt die dritte Stufe (III), den Mo
torstrom allmählich bis zu einer vorbestimmten Stromgrenze
zu erhöhen und die Zufuhr des Motorstromes zu unterbre
chen, nachdem der Motorstrom die Strombegrenzung erreicht
hat, wodurch die Schraube mit dem End-Festzieh-Drehmoment
festgezogen wird, die in Übereinstimmung mit der Strombe
grenzung bestimmt ist. Der Zentralregler 30 umfaßt einen
Hauptprozessor 31, der für die obige dreistufige Festzieh-
Steuerung verantwortlich ist, sowie für die Bestimmung des
Vor-Aufsitz-Zustands, wie im einzelnen nachfolgend erör
tert wird, einen Analog-Digital-Wandler 32, einen Speicher
33 und einen digitalen Eingang/Ausgang 34.
Ein Festzieh-Drehmoment-Eingabeabschnitt 40 ist vorgese
hen, um einen Analogwert einzugeben, der das endgültige
Drehmoment bestimmt, bei dem die Schraube bis zu einem an
gestrebten, strammen Sitz festgezogen wird. Der Analogwert
des End-Festzieh-Drehmoments wird in den Analog-Digital-
Wandler 32 eingegeben, wo er in einen entsprechenden Digi
talwert umgewandelt wird, der die obige Strombegrenzung
bezeichnet und im Speicher 33 abgespeichert wird, um im
Hauptprozessor 31 für die obengenannte Festzieh-Regelung
während der dritten Stufe des Festzieh-Zyklus der Fig. 2
verarbeitet zu werden. In den Analog-Digital-Wandler 32
wird auch ein Signal eingegeben, das die Motortemperatur
angibt, die von einem Motor-Temperaturfühler 50 gemessen
wird, der innerhalb oder in der Nähe des Motors 10 vorge
sehen ist. Ferner ist der Motor 10 einem Lage-/Drehzahl-
Fühler 51 zugeordnet, der beispielsweise einen Frequenzge
nerator (FG) aufweist, um die Lage und Winkelgeschwindig
keit des Motors 10 zu überwachen, und der ein entsprechen
des Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitssignal an einen Dreh
zahlregler 60 ausgibt, einen Aufsitz-Zustand-Fühler 61
sowie eine Einrichtung 62 zum Errechnen der Umdrehungszahl
der Nuß. Der Drehzahlregler 60 vergleicht das Drehzahlsi
gnal mit einem vorher festgesetzten Drehzahlwert, der vom
Zentralregler 30 her eingegeben wird, und gibt ein Rück
kopplungssignal durch einen Schalter 64 an den Impulsbrei
tenmodulator 21 ab, um die Motordrehzahl bei einer kon
stanten Höhe zu halten, die vom vorher festgesetzten Wert
bezeichnet ist. Das heißt, der Drehzahlregler 60 empfängt
vom Zentralregler 30 den vorher festgesetzten Drehzahl
wert, der eine hohe Drehzahl während der ersten Festzieh-
Stufe (I) und eine Mindest-Drehzahl während der zweiten
Festzieh-Stufe (II) bezeichnet, um den Motor 10 wahlweise
mit der hohen bzw. niedrigen Drehzahl anzutreiben. Der
Aufsitz-Zustand-Fühler 61 erkennt, daß die Schraube auf
sitzt, wenn das Drehzahl-Signal eine merkliche Verlang
samung oder Abnahme unter einen vorbestimmten Wert zeigt,
und gibt ein Aufsitz-Signal, das eine Aussage über den
Aufsitz-Zustand liefert, an den Zentralregler 30 zurück.
Das Drehzahl-Signal wird auch der Einrichtung 62 zum
Errechnen der Umdrehungszahl der Nuß zugeführt, welche die
Anzahl der gemessenen Umdrehungen durch das Untersetzungs
verhältnis des Untersetzungsgetriebes teilt, um die ent
sprechende Anzahl von Umdrehungen zu erhalten, die die Nuß
erfahren hat, wobei die resultierenden Daten in den Zen
tralregler 30 eingegeben werden. Die Recheneinheit 62 kann
im Zentralregler 30 enthalten sein. Ein Stromfühler 22
wird mit der Antriebsschaltung 20 gekoppelt, um den Motor
strom zu überwachen, der in der Antriebsschaltung 20 er
zeugt wird und durch eine Wicklung des Motors 10 strömt,
und gibt ein Stromsignal an einen Stromregler 63 ab. Das
Stromsignal wird beim Stromregler 63 mit einem Bezugs
stromwert verglichen, der vom Zentralregler 30 vorgegeben
wird, um ein Strom-Rückkopplungssignal an den Impulsbrei
tenmodulator 21 durch den Schalter 64 abzugeben, um den
Motorstrom in einer exakten Entsprechung zum Bezugsstrom
wert während der dritten Festzieh-Stufe (III) einzuregu
lieren. Der Bezugsstromwert wird so gesteuert, daß er sich
beim Zentralregler 30 so ändert, um entsprechend den
Motorstrom zu ändern, wie dies durch die Kurven A, B und C
in Fig. 2 bezeichnet ist, und zwar bis hinauf zur vorbe
stimmten Stromgrenze, wobei die Befestigungseinrichtung
bis zu einem angestrebten festen Sitz oder dem endgültigen
Festzieh-Drehmoment festgezogen wird, das von der Strombe
grenzung bestimmt ist. Der vorher festgesetzte Drehzahl-
bzw. Geschwindigkeitswert und der Bezugsstromwert werden
jeweils in den Drehzahlregler 60 und in den Stromregler 63
in Analogwerten durch den Digital-Analog-Wandler 65 aus
dem Zentralregler 30 eingegeben. Der Schalter 64 arbeitet
unter der Steuerung des Zentralreglers 30, so daß er an
den Impulsbreitenmodulator 21 nur das Drehzahl-Rückkopp
lungs-Signal aus dem Drehzahlregler 60 eingibt, bis der
Aufsitz-Zustand-Fühler 61 den Aufsitz-Zustand erkennt,
d. h. während der ersten und zweiten Stufe der Fig. 2, und
geht dazu über, nur das Strom-Rückkopplungs-Signal aus dem
Stromregler 63 zu übertragen, nachdem der Aufsitz-Zustand
ermittelt wurde.
Das kraftgetriebene Werkzeug umfaßt einen Betriebsarten-
Wählschalter 41, um eine der drei Betriebsweisen zu wäh
len, durch welche der Zentralregler 30 den Vor-Aufsitz-
Zustand der Schraube bestimmen kann. Die erste Betriebs
weise ist die Lern-und-Ausführungs-Betriebsweise, bei wel
cher eine Musterschraube 1 in die Oberfläche eines Werk
stücks vom kraftgetriebenen Werkzeug eingeschraubt wird,
wie in Fig. 8 gezeigt, um eine Vor-Aufsitz-Länge PL zu
bestimmen, bei welcher erwartet wird, daß die Muster
schraube 1 den Vor-Aufsitz-Zustand erreicht. Zu diesem
Zweck zählt die Einrichtung 62 zum Errechnen der Umdre
hungszahl der Nuß die Anzahl der Umdrehungen, die für die
Nuß erforderlich sind, um die Musterschraube 1 bis zum
Aufsitz-Zustand festzuziehen, der durch den Aufsitz-
Zustand-Fühler 61 erkannt werden kann. Von der auf diese
Weise erhaltenen Aufsitz-Umdrehungszahl der Nuß werden eine oder
mehrere Umdrehungen der Nuß oder weniger abgezogen, um
eine Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl zu definieren, welche im
Speicher 33 abgespeichert wird, weil sie in unmittelbarer
Zuordnung zur obigen Vor-Aufsitz-Länge steht, um den Vor-
Aufsitz-Zustand bei dem späteren Betrieb beim Festziehen
identischer Schrauben in der Oberfläche eines Werkstücks
zu beurteilen.
Die zweite Betriebsweise ist die Daten-Eingabe-Betriebs
weise, bei welcher Daten oder Parameter, die für die beab
sichtigten Schrauben bekannt sind, bei einem Daten-Einga
beabschnitt 42 eingegeben werden, und die etwa eine
Anzeige über die Steigung P und die effektive Gewindelänge
L der Schraube 1 liefern, wie in Fig. 10 gezeigt. Die
Daten werden am Hauptprozessor 31 so verarbeitet, daß die
Aufsitz-Drehzahl für die Nuß errechnet wird, um die
Schraube 1 bis zum Aufsitz-Zustand festzuziehen, und zwar
auf der Grundlage der bekannten Zuordnung N = L / P, wobei
N die Anzahl der Umdrehungen der Schraube oder der Nuß
ist. Die Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl wird auch definiert
als die so errechnete Aufsitz-Umdrehungszahl abzüglich einer oder mehrerer
Umdrehungen der Nuß. Die Aufsitz- und Vor-
Aufsitz-Umdrehungszahlen werden im Speicher 33 gespei
chert, um den Vor-Aufsitz-Zustand bei dem späteren
Schraubbetrieb zu beurteilen, wobei die tatsächliche An
zahl von Umdrehungen der Nuß in Betracht gezogen wird, die
am Meßfühler 61 ermittelt wird. Der Zentralregler 30 kann
aber auch so ausgebildet sein, daß er tabellarisch gespei
cherte Gruppen individueller Daten im Hinblick auf unter
schiedliche Arten von Schrauben aufweist, und zwar so, daß
die Daten für die spezielle Schraube einfach dadurch be
zeichnet werden können, daß man eine Bezeichnungsnummer,
ein Bezeichnungssymbol oder dergleichen eingibt, das der
beabsichtigten Schraube zugeordnet ist. Um die individuel
len Daten oder das Bezeichnungssymbol einzugeben, ist das
kraftgetriebene Werkzeug an seinem rückwärtigen Ende mit
einer Tasteneinrichtung 43 mit einer Anzeige 44 versehen,
wie in Fig. 9 gezeigt, die auch verwendet werden kann, um
das Festzieh-Drehmoment einzugeben.
Die dritte Betriebsweise ist eine Echtzeit-Meß-Betriebs
weise, bei der ein Abstandsfühler 45 einen Abstand zwi
schen dem Nußende des Werkzeugs und einer Werkstück-Ober
fläche überwacht, in die die Schraube gerade festgezogen
wird, um den Vor-Aufsitz-Zustand zu bestimmen, wenn der
Abstand bis auf einen vorbestimmten Wert abnimmt, der meh
reren Umdrehungen der Schraube oder weniger entspricht.
Wenn der Vor-Aufsitz-Zustand bestimmt ist, dann gibt der
Fühler 45 ein Vor-Aufsitz-Signal an den Zentralregler 30
ab, der darauf so anspricht, daß er ein Stoppsignal an die
Antriebsschaltung 20 abgibt, um den Motor 10 zu stoppen.
Die Fig. 11 und 12 zeigen einen Abstandfühler 45, der
einen Meßstab 46 aufweist, der sich von einem Werkzeugge
häuse 5 aus parallel zur Nuß erstreckt, sowie einen Minia
turschalter 47, der im Werkzeuggehäuse 5 enthalten ist.
Der Meßstab 46 ist längs seiner Länge im Hinblick auf das
Werkzeuggehäuse 5 beweglich so gehalten, daß ein Spaltab
stand D zwischen dem vorderen, abgelegenen Ende des Meß
stabes 46 und dem entsprechenden Ende der Nuß 2 einstell
bar ist. Der Spaltabstand D wird normalerweise so einge
stellt, daß er eine Länge ist, die dem mehrfachen der
Steigung der Schraube oder weniger entspricht, so daß der
Vor-Aufsitz-Zustand dann ermittelt wird, wenn das vordere,
abgelegene Ende des Meßstabes 46 in Anlage gegen die Werk
stückoberfläche gelangt, in welche die Schraube fest ein
geschraubt werden soll. Der Meßstab 46 ist nach vorne
durch eine Feder 48 vorbelastet, um den Spalt aufrechtzu
erhalten, und ist an seinem rückwärtigen Ende mit dem be
weglichen Kontakt des Schalters 47 durch ein Betätigungs
glied 49 so gekoppelt, daß das Betätigungsglied 49 den
Schalter 47 schließt, wenn der Meßstab 46 gezwungen ist,
sich infolge des Anschlags des Meßstabes 46 gegen die
Werkstückoberfläche nach hinten zu bewegen, wobei der
Schalter 47 das Vor-Aufsitz-Signal an den Zentralregler 30
abgibt, um den Motor 10 zeitweise zu stoppen. Zum Ermit
teln des Spaltabstands kann ein Linearcodierer anstelle
des obenerwähnten Abstandsfühlers benutzt werden.
Es wird nun die Folge der Betriebsvorgänge des angetriebe
nen Werkzeugs im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 4
bis 7 erörtert. Es wird zunächst Bezug auf Fig. 4 genom
men, die ein Flußdiagramm des gesamten Betriebsablaufs des
angetriebenen Werkzeugs zeigt. Nach der Erregung des
kraftgetriebenen Werkzeugs (START) fordert das System dazu
auf, eine der drei obigen Betriebsarten festzusetzen
(BETRIEBSART FESTSETZEN). Nach Wahl der Betriebsart
schreitet das System voran, um zu überprüfen, welche Be
triebsart von den drei Betriebsarten gewählt ist, und
einen der entsprechenden Betriebsabläufe A, B, C der
gewählten Betriebsarten fertigzustellen. Jede der drei
Betriebsarten kann als Standard-Betriebsart gespeichert
werden, so daß das System den "BETRIEBSART FESTSETZEN"-
Schritt überspringt, um den Betriebsablauf der Standard-
Betriebsart zu vervollständigen, soweit nicht die Be
triebsart geändert werden soll. Nach Fertigstellung des
Betriebsablaufs der einzelnen Betriebsart geht das System
zurück auf den "BETRIEBSART FESTSETZEN"-Schritt.
Wenn die Lern-und-Ausführ-Betriebsart gewählt ist, dann
geht das System auf den Betriebsablauf A über, wie im
Flußdiagramm der Fig. 5 gezeigt, worin ein Initiierungs
schritt 100 zuerst vorgenommen wird, um die Steuerschal
tung des angetriebenen Werkzeugs zurückzustellen bzw. in
Ausgangsstellung zu bringen, und das System wartet dann,
bis es ein Fertig-Signal empfängt, das aussagt, daß das
kraftgetriebene Werkzeug betriebsbereit ist (Schritt 101).
Nachdem das Fertig-Signal empfangen wurde, erkennt das
System, daß das System betriebsbereit ist (Schritt 102),
und fragt ab, welche von Lern-Betriebsart und Ausführ-
Betriebsart bezeichnet wird (Schritt 103). Wenn die Lern-
Betriebsart bezeichnet wird (Schritt 104), dann versetzt
der Zentralregler 30 einen internen Zähler in Bereit
schaft, um die Anzahl von Umdrehungen der Nuß zu zählen
(Schritt 105), und veranlaßt den Motor 10, mit der Drehung
zum Festziehen der Musterschraube 1 in die Werkstückfläche
zu beginnen (Schritt 106). Das Festziehen wird vorgenom
men, bis das Aufsitz-Signal von dem Aufsitz-Zustand-Fühler
61 als Ergebnis des Umstandes empfangen wird, daß die
Motordrehzahl entsprechend der Messung unter einen vorbe
stimmten Wert abfällt (Schritt 107). Wenn das Aufsitz-
Signal empfangen wird, dann erkennt der Regler 30, daß die
Schraube aufsitzt, und stoppt den Motor 10 (Schritt 108).
Bei diesem Ereignis spricht der Regler 30 darauf an, die
Anzahl von Umdrehungen der Nuß abzulesen, die im Zähler
aufgelaufen ist (Schritt 109), und bestimmt die Vor-Auf
sitz-Umdrehungszahl, welche der gezählte Wert ist, der die
Umdrehungszahl der Nuß bezeichnet, minus ein vorher fest
gesetzter Wert, der mehreren Umdrehungen der Nuß oder
weniger entspricht (Schritt 110). Die so erhaltene Vor-
Aufsitz-Umdrehungszahl oder der entsprechende Wert wird im
Speicher 33 abgespeichert (Schritt 111), um die Lern-
Betriebsart fertigzustellen, wonach das System auf den
Schritt 101 zurückkehrt, um wiederum auf das Fertig-Signal
zu warten. Wenn nachfolgend der Schritt 104 erreicht wird
und statt dessen die Ausführ-Betriebsart gewählt wird, geht
der Betriebsablauf zu einer Ausführ-Betriebsart über, wo
bei er mit einem Schritt 120 beginnt, der zur Eingabe
eines gewünschten End-Festzieh-Drehmoments auffordert, das
bei dem Vorgang erreicht werden soll, um einen entspre
chenden Strom-Begrenzungspegel zu erhalten, der im Spei
cher 33 abgespeichert und an den Stromregler 63 abgegeben
wird (Schritt 121). Dann liest der Regler 30 die Vor-Auf
sitz-Umdrehungsanzahl aus dem Speicher 33 ab (Schritt
122), gibt diese in einen Zähler (Schritt 123), und
beginnt mit der Drehung des Motors 10 (Schritt 124), um
die Schraube in die Werkstückfläche hinein festzuziehen.
Gleichzeitig beginnt der Zähler, die Vor-Aufsitz-Umdre
hungszahl schrittweise um die Anzahl der Umdrehungen der
Nuß zu verringern, die vom Rechner 62 erhalten wird
(Schritt 125). Dementsprechend wird der Motor 10 so ange
trieben, daß er ständig bei der hohen Drehzahl unter der
Steuerung des Drehzahlreglers 60 rotiert, um die Schraube
festzuziehen, bis der Zähler schrittweise auf Null abge
nommen hat, was anzeigt, daß die Befestigungseinrichtung
bis zum Vor-Aufsitz-Zustand festgezogen ist. Nachdem der
Zähler schrittweise bis auf Null abgenommen hat (Schritt
126), gibt der Zentralregler 30 das Stoppsignal ab, um den
Motor 10 zu stoppen (Schritt 127), und wartet eine kurze
Zwischenzeit (Schritt 128), bevor der Motor 10 wieder ge
startet wird (Schritt 129). Zu diesem Zeitpunkt wird der
Motor 10 wiederum vom Drehzahlregler 60 angetrieben, und
zwar bei der Mindest-Drehzahl, bis das Aufsitz-Signal vom
Aufsitz-Zustand-Fühler 61 empfangen wird (Schritt 130).
Infolge dieses Ereignisses übernimmt es der Motorregler
63, schrittweise bzw. allmählich den Motorstrom zu erhö
hen, um dementsprechend das Ausgangs-Drehmoment des Motors
10 auf vorbestimmte Weise bis zur Stromgrenze hinauf zu
erhöhen, die im Speicher 33 abgespeichert ist (Schritt
131), um die Schraube nach dem Aufsitz-Zustand noch weiter
festzuziehen. Wenn die Strombegrenzung erreicht ist, dann
weist der Zentralregler 30 den Motorstrom an, an der
Strombegrenzung für einen vorbestimmten, kurzen Zeitzwi
schenraum noch weiter zu fließen (Schritt 132) und
schließlich den Motor 10 zu stoppen (Schritt 133), um die
Ausführ-Betriebsart beim Festziehen der Schraube bis auf
einen gewünschten strammen Sitz fertigzustellen, der vom
End-Festzieh-Drehmoment bestimmt ist.
Wenn die Daten-Eingabe-Betriebsart gewählt wird, dann geht
das System auf den Betriebsablauf B der Fig. 6 über, der
mit demselben Initiierungsschritt 200 beginnt, um die
Steuerschaltung des kraftgetriebenen Werkzeugs in die Aus
gangsstellung zu versetzen, und fordert die Eingabe der
Daten oder Parameter der beabsichtigten Schrauben an
(Schritt 201). Nachdem er das Ende der Dateneingabe er
kannt hat (Schritt 202), errechnet der Zentralregler 30
aus den Eingangsdaten die Vor-Aufsitz-Umdrehungszahl, die
erforderlich ist, daß die Schraube bis zum Vor-Aufsitz-
Zustand festgezogen wird, und speichert die errechnete
Umdrehungszahl (Schritt 203). Dann wartet das System, bis
es ein Fertig-Signal empfängt, das anzeigt, daß das kraft
getriebene Werkzeug betriebsbereit ist (Schritt 204).
Nachdem das Fertig-Signal empfangen wurde, erkennt das
System, daß das System betriebsbereit ist (Schritt 205),
und fordert die Eingabe des gewünschten End-Festzieh-Dreh
moments an (Schritt 206). Die Eingabe des Festzieh-Drehmo
ments wird verarbeitet, um ein entsprechendes Strom-
Begrenzungsniveau zu erhalten, das an den Stromregler 63
gegeben wird (Schritt 206). Nachfolgend folgt das System
den Schritten 207 bis 219, die identisch sind mit den
Schritten 121 bis 133, die beim Betrieb in der Lern-/Aus
führ-Betriebsart der Fig. 5 erörtert sind.
Wenn die Echtzeit-Abstand-Meß-Betriebsart gewählt wird,
geht das System auf den Betriebsablauf C der Fig. 7 über
und nimmt eine Initiierung oder Rückstellung der Steuer
schaltung des angetriebenen Werkzeugs vor (Schritt 300).
Nachfolgend wartet das System, bis es ein Fertig-Signal
empfängt, das anzeigt, daß das kraftgetriebene Werkzeug
betriebsbereit ist (Schritt 301). Nachdem das Fertig-
Signal empfangen wurde, erkennt das System, daß das System
betriebsbereit ist (Schritt 302), und fordert die Eingabe
eines gewünschten End-Festzieh-Drehmoments an (Schritt
303). Die Eingabe des Festzieh-Drehmoments wird verarbei
tet, um ein entsprechendes Strom-Begrenzungsniveau zu er
halten, das an den Stromregler 63 abgegeben wird (Schritt
304). Nachher wird es dem Motor 10 gestattet, anzulaufen
(Schritt 305), und er wird konstant mit der hohen Drehzahl
unter der Steuerung des Drehzahlreglers 60 betrieben, bis
das Vor-Aufsitz-Signal vom Abstandsfühler 45 empfangen
wird. Nach dem Empfangen des Vor-Aufsitz-Signals (Schritt
306) spricht der Zentralregler 30 so an, daß er ein Stopp
signal abgibt, um den Motor 10 zu stoppen (Schritt 307),
und er wartet einen kurzen Zeitzwischenraum (Schritt 308),
bevor der Motor 10 erneut gestartet wird (Schritt 309). Zu
diesem Zeitpunkt wird der Motor 10 wieder vom Drehzahlreg
ler gesteuert, um mit der Mindest-Drehzahl zu rotieren,
bis das Aufsitz-Signal vom Aufsitz-Zustand-Meßfühler 61
empfangen wird (Schritt 310). Nachfolgend folgt das System
den Schritten 311 bis 313, die identisch sind den Schrit
ten 131 bis 133, die beim Betrieb in der Lern-/Ausführ-
Betriebsart der Fig. 5 erörtert sind.
Der Festziehvorgang, der den obigen drei Betriebsarten
gemeinsam ist, wird detaillierter unter Bezugnahme auf die
Fig. 1 und 2 erörtert. Kurz nach dem Anlaufen gelangt der
Motor 10 in den Betrieb mit hoher Drehzahl und wird vom
Drehzahlregler gesteuert, um die Drehung mit hoher Dreh
zahl aufrechtzuerhalten, bis das Stoppsignal vom Zentral
regler 30 infolge des Umstands ausgegeben wird, daß die
Schraube bis zum Vor-Aufsitz-Zustand festgezogen ist. Bei
diesem Ereignis wirkt der Drehzahlregler 30 auf den
Impulsbreitenmodulator 21 ein, um zeitweise den Motor 10
während einer Übergangsperiode am Ende der ersten Stufe
(I) zu stoppen, wo der Motor mit einem Bremsstrom konfron
tiert wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Unmittelbar nachdem der
Motor 10 angehalten hat, geht die Steuerung auf die zweite
Stufe (II) über, in der der Motor 10 erneut gestartet wird
und mit einer Drehung mit der Mindest-Drehzahl angetrieben
wird, bis das Aufsitz-Signal vom Aufsitz-Zustand-Meßfühler
61 als Ergebnis des Umstands empfangen wird, daß die
Schraube tatsächlich aufsitzt. Auch während der zweiten
Stufe (II) ist der Drehzahlregler 60 dafür verantwortlich,
den Motor 10 so zu steuern, daß er konstant mit der Min
dest-Drehzahl rotiert, die vom Zentralregler 30 vorbe
stimmt ist. Nachdem die Schraube aufgesessen ist, geht die
Steuerung auf die dritte Stufe (III) über, in der der
Stromregler 63 statt des Drehzahlreglers 60 in Betrieb
gebracht wird, um den Motorstrom zu erhöhen, und zwar mit
dem Bedienen des Umschaltvorganges des Schalters 64 zum
Anschluß des Impulsbreitenmodulators 21 an den Stromregler
63 und vom Drehzahlregler 60 her. In dieser Stufe (III)
wird der Motorstrom so gesteuert, daß er zunächst für
einen kurzen Zeitraum im wesentlichen bei einem Null-Pegel
gehalten wird, und daß er allmählich mit einer konstanten
Zunahmegeschwindigkeit bis zur Stromgrenze zunimmt, die
vom Zentralregler 30 bestimmt wurde und die mit dem End-
Festzieh-Drehmoment übereinstimmt, wie in Fig. 2 gezeigt.
Nach Erreichen der Stromgrenze wird der Motorstrom dort
für einen gewissen kurzen Zeitraum gehalten, um hierbei
die Schraube exakt bei dem gewünschten End-Festzieh-Dreh
moment bis zum entsprechenden strammen Sitz festzuziehen,
wonach der Zentralregler 30 so anspricht, daß er den
Motorstrom unterbricht, um den Festziehvorgang fertigzu
stellen.
Es sollte in diesem Zusammenhang vermerkt werden, daß der
Zentralregler 30 imstande ist, den Motorstrom mit unter
schiedlichen Geschwindigkeiten A, B und C zu erhöhen, um
dementsprechend das Drehmoment zu erhöhen, wie in Fig. 2
gezeigt, und zwar so, daß die Schraube bis zu unterschied
lich strammem Sitz innerhalb eines im wesentlichen kon
stanten Zeitraums festgezogen werden kann. Es ist somit
möglich, die Zyklen zum Festziehen der Schrauben bei
unterschiedlichem Drehmoment aneinander anzugleichen, um
hierbei die Bequemlichkeit bei dem Festziehvorgang zu
erhöhen. Zu diesem Zweck ist der Zentralregler 30 so pro
grammiert, daß er die Geschwindigkeit der Zunahme des
Stroms und deshalb auch die Zunahmegeschwindigkeit des
Bezugswertes ändert, der in den Stromregler 63 eingegeben
wird, und zwar für unterschiedliche Festzieh-Drehmoment-
Eingänge, um den Festzieh-Zyklus innerhalb im wesentlichen
der jeweils selben Betriebszeit fertigzustellen. Es ist
jedoch in gleicher Weise auch möglich, den Motorstrom mit
einer festen Geschwindigkeit zu erhöhen, um die Schraube
bis zu unterschiedlich strammem Sitz festzuziehen.
Es hat sich herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, wenn
der Stromregler für den Motor 10 in der Festzieh-Stufe
(III) die Schraube bis zu einem gewünschten strammen Sitz
oder Drehmoment T festzieht, welches in guter Übereinstim
mung mit dem Motorstrom I steht, wie aus der nachfolgenden
Zuordnung bekannt ist:
worin k eine Drehmomentkonstante, Φ die Magnetflußdichte,
n die Windungszahl des eine Spule des Motors bildenden
Drahtes, E die an den Motor angelegte Spannung und R der
Widerstand des Drahtes ist. Das heißt, die Motorsteuerung
kann mögliche Änderungen im Widerstand des Motors infolge
der Temperaturänderung sowohl auch in der Stromquellen
spannung kompensieren, um eine reproduzierbare Drehmoment
regelung zu liefern. Nichtsdestoweniger kann sich jedoch Φ
mit der Temperatur ändern, was zu einer entsprechenden
Änderung im Motor-Ausgangs-Drehmoment T führt. Das heißt,
Φ wird mit der Temperaturzunahme abnehmen und hierbei das
resultierende Festzieh-Drehmoment senken. Dies ist aus
Fig. 3 bekannt, die schematisch Drehmoment-Drehzahl-Cha
rakteristiken (T-N-Kurven) für den Motor 10 darstellt,
wenn er mit einem konstanten Motorstrom, aber bei unter
schiedlichen Motortemperaturen angetrieben wird. In der
Figur stellt eine ausgezogene Linie eine T-N-Kurve bei 0°C
und eine gestrichelte Linie T-N-Kurven bei erhöhten Tempe
raturen dar, d. h. bei 30°C, 50°C bzw. 80°C. Um die tempe
raturabhängige Änderung im Ausgangs-Drehmoment zu vermei
den und eine besonders zuverlässige Drehmomentsteuerung zu
erhalten, ist der Zentralregler 30 so ausgebildet, daß er
die Motortemperatur bei dem Temperaturfühler 50 überwacht,
die Motortemperatur in Korrelation zur Magnetflußdichte Φ
setzt und den Motorstrom zum Ausgleich für die Verringe
rung der Magnetflußdichte Φ erhöht, und zwar auf der
Grundlage der Zuordnung zwischen der Motortemperatur und
der Magnetflußdichte. Die Zunahme des Motorstromes ist
jedoch bis auf ein solches Niveau begrenzt, daß sie keinen
kritischen Temperaturanstieg im Motor herbeiführt. Ein
ähnlicher Ausgleich kann zum Steuern der Drehzahl des
Motors 10 während der Festzieh-Stufen (I) und (II) durch
geeignete Einstellung der Spannung angewandt werden, die
an den Motor 10 angelegt wird.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die vorlie
gende Erfindung erfolgreich bei der Benutzung zum Festzie
hen von Schrauben, Muttern und derlei ähnlichen Befesti
gungselementen herangezogen werden kann, und zwar ohne
oder mit geeigneter Abwandlung.
Die Erfindung betrifft ein kraftgetriebenes Werkzeug mit
einem Gleichstrommotor 10, um eine Befestigungseinrich
tung, wie eine Schraube oder Schraubenmutter, durch drei
aufeinanderfolgende Stufen hindurch festzuziehen. In der
ersten Stufe wird der Motor 10 mit einer hohen Drehzahl
zum Festziehen der Schraube bis zu einem Vor-Aufsitz-
Zustand gedreht, der vom Werkzeug erkannt wird. Dann wird
der Motor 10 zeitweise gestoppt und bei niedriger Drehzahl
erneut gestartet, um die Schraube bis zu ihrem Aufsitz-
Zustand festzuziehen, um die zweite Stufe fertigzustellen.
In der dritten Stufe wird eine solche Steuerung vorgenom
men, daß der Feldstrom geregelt durch ständiges Überwachen
des Feldstromes, der durch den Motor 10 fließt, bis zu
einer vorbestimmten Strombegrenzung konstant zunimmt, da
diese unmittelbar dem beabsichtigten Festzieh-Drehmoment
zugeordnet ist, bei welchem die Schraube nach dem Aufsitz-
Zustand festgezogen werden soll. Nachdem der Feldstrom die
Strombegrenzung erreicht hat, wird der Motor 10 gestoppt,
um den Festzieh-Zyklus zu vervollständigen. Durch Überwa
chung des Feldstromes während der dritten Stufe zum Regeln
des Feldstromes ist es möglich, das End-Festzieh-Drehmo
ment, das mit dem Feldstrom in einem im wesentlichen un
mittelbaren Verhältnis steht, genau zu bestimmen, so daß
sichergestellt ist, daß die Schraube genau bis zum ge
wünschten End-Drehmoment festgezogen ist. Das Werkzeug ist
auch imstande, den Feldstrom mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit bis zu Stromgrenzen unterschiedlicher
Werte innerhalb eines konstanten Zeitraumes zu erhöhen, so
daß das Festziehen der Schraube innerhalb im wesentlichen
desselben Zeitraumes fertiggestellt wird, ungeachtet den
unterschiedlichen Erfordernissen für das End-Festzieh-
Drehmoment.
Claims (11)
1. Verfahren zum Betrieb eines kraftgetriebenen Werkzeugs
zum Festziehen einer Schraubverbindung,
mit einem geregelten Gleichstrommotor
(10),
mit den folgenden Schritten:
- - Drehung des Motors (10) mit hoher Drehzahl in einer ersten Betriebsphase,
- - Reduzierung der Drehzahl des Motors (10) kurz vor einem Aufsitzzeitpunkt der Schraubverbindung (1) in einer zweiten Betriebsphase, und
- - Weiterdrehen des Motors (10) nach Erreichen des Aufsitzzeitpunkts zur Bewirkung eines definierten Anzugsmoments in einer dritten Betriebsphase;
dadurch gekennzeichnet, daß in der dritten Betriebsphase eine
Stromregelung des Motors (10) erfolgt, und das definierte Anzugsmoment
dadurch bewirkt wird, daß der Motorstrom
nach dem Aufsitzzeitpunkt kontinuierlich
bis zu einem Grenzstrom gesteigert wird, der das gewünschte
Anzugsdrehmoment bewirkt, wobei die Geschwindigkeit
der Motorstromzunahme so eingestellt wird, daß der Anzugsvorgang
unabhängig von der Höhe des Grenzstroms im wesentlichen
im gleichen Zeitraum beendet wird.
2. Kraftgetriebenes Werkzeug zum Festziehen einer Schraubverbindung
mit einem Gleichstrommotor (10) und einem Zentralregler (30) zur Regelung
des Gleichstrommotors (10), wobei der Zentralregler (30) Einrichtungen
(305, 306) umfaßt, um in einer ersten Betriebsphase eine Ansteuerung
des Motors mit einer hohen Drehzahl bis kurz vor den Aufsitzzeitpunkt
der Schraubverbindung zu bewirken, ferner Einrichtungen (307,
308, 309, 310) umfaßt, um in einer zweiten Betriebsphase kurz vor dem
Aufsitzzeitpunkt eine Reduzierung der Drehzahl zu bewirken, und Einrichtungen
(311) umfaßt, um in einer dritten Betriebsphase nach Erreichen
des Aufsitzzeitpunktes eine Weiterdrehung des Gleichstrommotors
(10) mit zunehmendem Motorstrom bis zu einem ein definiertes Anzugsmoment
erzeugenden Grenzstrom zu bewirken, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (311) zur kontinuierlichen Steigerung des Motorstroms
die zeitliche Motorstromzunahme derart einstellt, daß der Grenzstrom
und der Anzugsvorgang unabhängig von der Höhe des Grenzstroms
im wesentlichen im gleichen Zeitraum beendet ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses
einen Temperaturfühler (50) umfaßt, der die Temperatur des Gleichstrommotors
(10) mißt und einen Ausgang über die gemessene Temperatur
an den Zentralregler (30) liefert.
4. Werkzeug nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Zentralregler (30)
eine Ausgleichseinrichtung umfaßt, die in Abhängigkeit vom
Temperaturausgang den Motorstrom unter Ausgleich der Ände
rung in der Magnetflußdichte eines magnetischen Kreises
des Motors (10) einstellt, um hierdurch ein kontinuierliches
Festzieh-Drehmoment zu liefern, das im wesentlichen unbe
rührt von möglichen Temperaturänderungen ist.
5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 3
oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zentralregler (30)
eine Ausgleichseinrichtung umfaßt, die in Abhängigkeit vom
Temperaturausgang eine Spannung einstellt, die am Motor (10)
aus der Spannungsquelle angelegt wird, und zwar unter Aus
gleich der Änderung in der Magnetflußdichte eines magneti
schen Kreises im Motor, um den Motor bei der hohen Dreh
zahl im wesentlichen unberührt von möglichen Temperaturän
derungen anzutreiben.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 2
bis 5, gekennzeichnet durch eine
Vor-Aufsitz-Beurteilungseinrichtung, welche die folgenden Merkmale
aufweist:
- - eine Lerneinrichtung, die wirksam ist, um den Motor (10) zu drehen, um eine Muster-Befestigungseinrichtung bis zu ihrem Aufsitz-Zustand festzuziehen, und die die Aufsitz- Umdrehungsanzahl des Motors abzählt, die erforderlich ist, um die Muster-Befestigungseinrichtung bis zum Aufsitz- Zustand festzuziehen,
- - eine Speichereinrichtung, die eine Vor-Aufsitz-Umdre hungszahl speichert, die als die Aufsitz-Umdrehungszahl minus einiger weniger Umdrehungen oder weniger bestimmt ist,
- - eine Löscheinrichtung, die die Lerneinrichtung deakti viert, und
- - eine Vergleichereinrichtung, die die tatsächliche Anzahl von Umdrehungen des Motors (10) vergleicht mit der Vor-Aufsitz- Umdrehungsanzahl, um das Vor-Aufsitz-Signal abzugeben, wenn die tatsächliche Umdrehungsanzahl die Vor-Aufsitz- Umdrehungsanzahl erreicht hat.
7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 2
bis 6, gekennzeichnet durch eine
Vor-Aufsitz-Beurteilungseinrichtung, welche die folgenden Merkmale
aufweist:
- - eine Dateneingabeeinrichtung (42) zum Eingeben von Daten, die eine Aussage über Steigung und wirksame Gewin delänge im Hinblick auf die festzuziehende Befestigungs einrichtung liefert,
- - eine Speichereinrichtung, die die Daten speichert,
- - eine Recheneinrichtung, die die Daten verarbeitet, um eine Aufsitz-Umdrehungsanzahl zu erhalten, die erforder lich ist, um die Befestigungseinrichtung bis zu ihrem Auf sitz-Zustand festzuziehen und um eine Vor-Aufsitz-Umdre hungsanzahl zu erhalten, die die errechnete Aufsitz-Umdre hungsanzahl minus einiger weniger Umdrehungen oder weniger ist, und
- - eine Vergleichereinrichtung, die eine tatsächliche Um drehungsanzahl des Motors (10) mit der Vor-Aufsitz-Umdre hungsanzahl vergleicht, um das Vor-Aufsitz-Signal abzuge ben, wenn die tatsächliche Umdrehungsanzahl die Vor-Auf sitz-Umdrehungsanzahl erreicht hat.
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Vor-Aufsitz-Beurteilungseinrichtung das folgende Merkmal
aufweist:
- - eine Abstands-Meßeinrichtung (45), die den Abstand zwi schen dem Nußende der Antriebsnuß (2) und einer Werk stückoberfläche mißt, in welche die Befestigungseinrich tung fest eingeschraubt werden soll, den Vor-Aufsitz- Zustand bestimmt, wenn der Abstand unter einen vorbestimm ten Wert abfällt, und das Vor-Aufsitz-Signal in Abhängig keit von dem Vor-Aufsitz-Zustand abgibt, um den Motor (10) zu stoppen.
9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abstands-Überwa
chungseinrichtung (45) ferner die folgenden Merkmale auf
weist:
- - ein Meßstab (46), der sich parallel zur Antriebsnuß (2) von einem Werkzeuggehäuse (3) aus erstreckt, um mit seinem vorderen, abgelegenen Ende gegen die Werkstückoberfläche anzuliegen, in welche die Befestigungseinrichtung fest eingeschraubt werden soll, wobei der Meßstab relativ zum Werkzeuggehäuse beweglich ist, um den Abstand zwischen dem abgelegenen Ende und einem entsprechenden Ende der Antriebsnuß einzustellen, und wobei der Meßstab bei der Verwendung dazu eingerichtet ist, mit dem genannten abge legenen Ende über das entsprechende Ende der Antriebsnuß so hinauszustehen, daß das genannte abgelegene Ende in Anlage gegen die Werkstückoberfläche gelangt, bevor die Befestigungseinrichtung bis zu ihrem Aufsitz-Zustand fest gezogen ist, und
- - eine Fühlereinrichtung (47), die die Anlage des Meßsta bes gegen die Werkstückoberfläche mißt, um das Vor-Auf sitz-Signal zum Stoppen des Motors (10) abzugeben.
10. Werkzeug nach den Ansprüchen 6, 7 und 8,
gekennzeichnet durch drei Arten von
Vor-Aufsitz-Beurteilungseinrichtungen, wie sie jeweils in
den Ansprüchen 6, 7 und 8 definiert sind, und ferner ge
kennzeichnet durch eine Wähleinrichtung (41), die imstande
ist, eine der drei Betriebsarten zu wählen.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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