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Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zum
Anziehen von Gewindeverbindungen in zwei aufeinanderfolgenden
Schritten, nämlich einem ersten Schritt, während welchem
eine Verbindung auf ein bestimmtes Anlage-Drehmomentniveau,
und einem zweiten Schritt, während welchem die Verbindung
weiter bis zu einem endgültigen, bestimmten
Vorspannungsniveau angezogen wird, siehe den Oberbegriff des Anspruchs 1,
entsprechend der EP-A-0 266 066.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels welcher eine Gewindeverbindung während
des zweiten Anziehschrittes auf ein bestimmtes
Vorspannungsniveau angezogen wird und mittels welcher verhindert
wird, daß die von Verbindung zu Verbindung variierende
Steifheit ein unerwünschtes Schwanken des erzielten
Vorspannungsniveaus und eine ermüdende stoßartige
Reaktionsmomentcharakteristik verursacht, mit welcher der Bediener
fertig werden muß.
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Zu dem Problem des Schwankens des erzielten
Vorspannungsniveaus in Schraubenverbindungen mit unterschiedlicher
Steifheit oder Drehmomentanstiegskurve wird in der oben
erwähnten EP-A-0 266 066 ein früheres Anzugsverfahren in zwei
Schritten beschrieben, welches Maßnahmen zur Reduzierung
solcher Vorspannungsschwankungen enthält. Entsprechend
diesem bekannten Verfahren wird die Rotationsgeschwindigkeit
während des ersten Anzugsschrittes in Abhängigkeit von
einem gegebenen Drehmoment, das für die jeweilige
Schraubenverbindung ausgewählt wird, so gesteuert, daß bei Erreichen
des gegebenen Drehmoments die Rotationsgeschwindigkeit auf
Null reduziert wird. Anschließend wird der zweite
Anzugsschritt
bei voller Leistung des Anziehwerkzeugs
eingeleitet.
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Eine Unzulänglichkeit dieses bekannten Verfahrens liegt
darin, daß die Anwendung der vollen Leistung auf die
Schraubenverbindung von Beginn des zweiten Anziehschrittes
an immer noch ein Schwanken des endgültigen
Vorspannungsniveaus verursacht. Das abgegebene Drehmoment steigt ebenso
wie die Rotationsgeschwindigkeit zu schnell an, um bei sehr
steifen Verbindungen einen unakzeptablen
Drehmomentüberschuß zu vermeiden.
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Durch das Steuern der Anstiegsrate des angelegten
Drehmoments ist es möglich, einen Anziehvorgang zu erreichen,
welcher sowohl aus ergonomischer Sicht als auch im Hinblick
auf die Vorspannungsgenauigkeit vorteilhaft ist. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung, durch welche die ermüdenden und
unkomfortablen, normalerweise am Ende des Anziehvorgangs
auftretenden Stöße ausgeschaltet werden, ist insbesondere
für manuell gestützte Anziehwerkzeuge gedacht.
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Die Charakteristik des Drehmomentanstiegs hängt von einer
Vielzahl von Faktoren ab, wie z. B. der Ausgangsleistung
des Werkzeugs, der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs,
der Eigenschaft der Gewindeverbindungen usw. Für ein
bestimmtes Werkzeug ist jedoch der Anstieg der
Drehmomentabgabe immer eine Funktion der Charakteristik der
Gewindeverbindungen, so daß der Anstieg der Drehmonentabgabe des
Werkzeugs entsprechend variiert, wenn die Gewindeverbindung
eine nachgiebige Charakteristik mit einem langsamen
Drehmomentanstieg in Abhängigkeit vom Drehwinkel oder eine steife
Charakteristik mit einem steilen Drehmomentanstieg in
Abhängigkeit vom Drehwinkel besitzt. Die optimale
Geschwindigkeit
des Drehmomentanstiegs aus ergonomischer Sicht
hängt von verschiedenen Parametern ab, wie etwa
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1. der Stärke der Bedienungsperson,
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2. der Reaktionsgeschwindigkeit der Bedienungsperson,
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3. dem Drehmomentniveau,
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4. dem Anlage-Drehmomentniveau, sofern verwendet,
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5. der Arbeitsstellung der Bedienungsperson,
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6. der Abschaltgeschwindigkeit.
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Da verschiedene Parameter beteiligt sind, erkennt man, daß
es aus ergonomischer Sicht wichtig ist, daß die
Geschwindigkeit des Drehmomentanstiegs einstellbar ist, um eine
gute Charakteristik des Reaktionsmoments zu erhalten.
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Erfindungsgemäß werden die obigen Probleme dadurch gelöst,
daß die Geschwindigkeit des Drehmomentanstiegs im zweiten
Schritt so gesteuert wird, daß sie der menschlichen
Fähigkeit entspricht, auf das entstandene Reaktionsmoment zu
erwidern. Erreicht wird dies mittels einer Vorrichtung mit
den in dem beigefügten Anspruch angeführten Merkmalen.
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Im Drehmomentbereich von 15 bis 150 Nm sollten geeignete
Drehmoment-Anstiegswerte zwischen 25 und 150 Nm/s liegen,
wohingegen im Drehmomentbereich oberhalb von 150 Nm 250
Nm/s in Kombination mit kürzem Anzugszeiten von 0,1 bis 0,2
Sekunden geeignet sind. In letzterem Fall ist die
Vorgangsdauer für den Bediener zu kurz, um überhaupt zu reagieren.
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Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung
werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen genauer
beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Diagramm, das den Drehmomentanstieg
beim Verwenden einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung darstellt;
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Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Dreiachsen-Diagramm gezeigt, das den
Zusammenhang zwischen dem Drehmoment M, der
Winkelgeschwindigkeit φ und der Zeit t darstellt. Der horizontalen
Zeitachse folgend, ist der erst Anziehschritt I links und der
zweite, nachfolgende Anziehschritt II rechts dargestellt.
Der erste Anziehschritt I wird begonnen, indem man ein
konstantes Drehmoment D1 an die Gewindeverbindung anlegt. D1
stellt das von dem Motorwerkzeug entwickelte Drehmoment
dar, wohingegen das Reaktionmoment der Gewindeverbindung
durch eine Kurve abc veranschaulicht wird. Sobald das in
die Gewindeverbindung eingebrachte Drehmoment (siehe Kurve
abc) ein Anlagenieveau MS erreicht hat, wird der
Drehmomentangriff des Motorwerkzeugs beendet. Der erste
Anziehschritt ist abgeschlossen.
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Betrachtet man die unterhalb der horizontalen Zeitachse
dargestellte Winkelgeschwindigkeit, zeigt sich eine sehr
steile Beschleunigung der Verbindung bis zu einem
Winkeldrehzahl-Niveau φ &sub1;, das bis zu einem Punkt t&sub5; im
wesentlichen konstant bleibt, in welchem das Anlage-
Drehmomentniveau MS erreicht wird.
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Bei Beginn des zweiten Schrittes wird ein von dem
Motorwerkzeug entwickeltes Drehmoment D2 schrittweise von einem
dem Drehmomentniveau D1 des ersten Anziehschrittes
ausgehenden Niveau gesteigert. Gemäß der Darstellung in Fig. 1
wird das angelegte Drehmoment D2 nach und nach entlang
einer
geraden Linie gesteigert. Um das Reaktionsmoment der
Gewindeverbindung zu veranschaulichen, sind drei
unterschiedliche Verbindungscharakteristiken a, b, c
dargestellt, die für Verbindungen unterschiedlicher Steifheit
stehen. Die Kurve a zeigt die steifste und c die
nachgiebigste Verbindung.
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Die Gewindeverbindungen sollen auf ein endgültiges
vorbestimmtes Niveau entsprechend einem Drehmoment MF
vorgespannt werden, und abhängig davon, wie steif die
Drehmoment/Zeitcharakteristik der jeweiligen Verbindung ist,
erstreckt sich der zweite Anziehschritt über unterschiedliche
Zeitintervalle. Dies bedeutet, daß die nachgiebigste
Verbindung c die längste Zeit zum Beendigen benötigt, während
die Verbindung a mit der steilsten
Drehmoment/Winkelcharakteristik in der kürzesten Zeit ta beendet wird.
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Betrachtet man nun die wichtigsten Merkmale der
vorliegenden Erfindung, stellt man fest, daß infolge der
Beschleunigung der Anziehgeschwindigkeit die
Winkelgeschwindigkeit am Ende des zweiten Anziehschrittes bei den
verschiedenen Verbindungen erheblich unterschiedlich ist.
Bei der Verbindung a mit einer steilen
Drehmoment/Winkelcharakteristik wird das endgültige Vorspannungsniveau
schnell erreicht. Daraus folgt, daß die verstrichejne Zeit
kurz und die abschließende Winkelgeschwindigkeit φa
niedrig ist. Da die Verbindung c mehr Zeit benötigt, um das
Vorspannungsniveau MF zu erreichen, liegt die abschließende
Winkelgeschwindigkeit φc viel höher als die abschließende
Geschwindigkeit bei der Verbindung a.
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Der resultierende Vorteil der neuen erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, daß bei einer steifen Verbindung,
die ihr endgültiges Vorspannungsniveau sehr schnell
erreicht,
die Winkelgeschwindigkeit am Ende des
Anziehvorgangs herabgesetzt und der Drehmomentüberschuß wesentlich
reduziert ist, wohingegen die Endgeschwindigkeit bei einer
nachgiebigen Verbindung c, die ihr endgültige
Vorspannungsniveau weniger abrupt erreicht, höher liegt. Infolge der
nachgiebigen Charakteristik der letzteren Verbindung
verursacht die kinetische Energie der rotierenden Teile trotz
einer relativ hohen abschließenden Winkelgeschwindigkeit
keinen wesentlichen Drehmomentüberschuß.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung besitzt ein
elektrisch angetriebenes Anziehwerkzeug 10 mit einem
bürstenlosen Wechselstrommotor, Mitteln zur Stromversorgung 11 und
einer Steuereinheit 12. Die Mittel zur Stromversorgung 11
enthalten einen Inverter, der von einer Gleichstromquelle
14 mit Gleichstrom gespeist wird und Wechselstrom mit
variabler Frequenz und Spannungsamplitude an das Werkzeug 10
abgibt.
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Zwischen der Gleichstromquelle 14 und den Mitteln zur
Stromversorgung 11 sind Mittel 15 zur Leistungserfassung
vorgesehen und mit der Steuereinheit 12 verbunden. Mit
letzterer sind auch Mittel 16 zum Einstellen der
Drehmomentrate verbunden, mittels derer ein erwünschter Wert der
das Drehmoment verändernden Geschwindigkeit eingestellt
werden kann.
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Die Steuereinheit 12 enthält einen programmierbaren
Processor, in welchem alle notwendigen Daten für einen
Anziehvorgang in zwei Schritten hinterlegt sind.
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Fig. 2 zeigt auch, daß dem Motorwerkzeug Meßmittel 25 zum
Erfassen des momentanen Drehmomentwerts während dessen
Einsatzes zugehören. Die Meßmittel 25 sind mit einer
Vergleichseinheit
26 verbunden, in welcher die tatsächlich
gemessenen Drehmomentwerte mit einem gewünschten
eingestellten Wert verglichen werden. Sobald der tatsächlich erfaßte
Wert den eingestellten Wert erreicht, wird ein Signal an
die Steuereinheit 12 gegeben.
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Ein bevorzugter Weg zum Erreichen der oben beschriebenen
Steuerung des angelegten Drehmoments bei der Verwendung
einer Invertersteuerung für ein wechselstromgetriebenes
Werkzeug besteht darin, eine aktive Steuerung der an das
Werkzeug abgegebenen Wechselstromfrequenz vorzunehmen. Die
Antriebsfrequenz, die tatsächlich die Winkelgeschwindigkeit
des Werkzeugs bestimmt, wird auf bestimmte Weise erhöht, um
eine Phasenverzögerung im Verhältnis zu der Verbindung zu
erzeugen. Diese Phasenverzögerung wiederum ist ursächlich
für ein Ansteigen des Antriebsmoments im Motor des
Werkzeugs.