DE102007019409B3

DE102007019409B3 - Kraftschrauber

Info

Publication number: DE102007019409B3
Application number: DE102007019409A
Authority: DE
Inventors: Marc Dipl.-Ing. Gareis (FH)
Original assignee: Losomat Schraubtechnik Neef GmbH; Loesomat Schraubtechnik Neef GmbH
Current assignee: Losomat Schraubtechnik Neef GmbH; Loesomat Schraubtechnik Neef GmbH
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: BRPI0811037A8; RU2459695C2; CN101765483B; CA2684786C; CA2684786A1; WO2008128523A3; US20100116519A1; AR066256A1; WO2008128523A2; EP2146822A2; TW200846142A; RU2009142992A; CN101765483A; BRPI0811037A2; CL2008001169A1; EP2146822B1; TWI492824B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kraftschrauber (10) mit einem Elektromotor (12) als Antrieb, mit einer Drehmoment-Sollwert-Vorgabe (52) und mit einer Drehmoment-Istwert-Ermittlung (46), mit einer Drehmoment-Gradienten-Ermittlung (48) und mit einer Elektromotor-Ansteuerung (40), welche den Elektromotor (12) in Abhängigkeit vom Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) ansteuert. Vorgesehen ist eine Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50), die einen Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) bereitstellt, der vom Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) abhängt und der unterhalb des Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) liegt. Wenn der Drehmoment-Istwert (md_Ist) den Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) überschreitet, gibt eine Elektromotor-Ansteuerung (40) dem Elektromotor (12) eine Drehzahlverringerung vor oder schaltet den Elektromotor (12) bereits vollständig ab. Der erfindungsgemäß vorgesehene Kraftschrauber (10) vermeidet ein Drehmoment-Überschwingen und ermöglicht dennoch das exakte Erreichen des Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) in kürzestmöglicher Zeit.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kraftschrauber nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
Die DE 10 2006 017 193 A1 offenbart einen Kraftschrauber, bei dem zur Steuerung des Motors ein fest vorgebbarer Drehmoment-Schwellenwert Verwendung findet.
In der DE 23 26 027 A ist ein netzspannungsbetriebener Schrauber beschrieben, der einen vorgegebenen Drehmoment-Sollwert bereitstellt. Das vom Schrauber aufgebrachte Drehmoment wird mittelbar anhand des durch den Elektromotor fließenden Stroms erfasst. Ausgegangen wird aufgrund des Netzanschlusses von einer Betriebsspannung des Elektromotors, die stets gleich und konstant ist. Sofern der Drehmoment-Sollwert noch nicht erreicht ist, dreht der Schrauber mit der maximal möglichen Drehzahl, welche vom aufzubringenden Drehmoment-Sollwert abhängt. Aufgrund der Massenträgheit der drehenden Teile des Schraubers, wie Elektromotor und insbesondere Getriebe, wird die Schraubverbindung in Abhängigkeit vom Nachlauf nach dem Erreichen des Drehmoment-Sollwerts noch weitergedreht.
Die in der DE 23 26 027 A1 auftretende Problematik aufgrund des Weiterdrehens des Schraubers beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts wird von der DE 103 41 975 A1 aufgegriffen. Beschrieben ist eine elektronische Drehmoment-Begrenzungseinrichtung für einen beispielsweise in einem akkubetriebenen Schrauber eingesetzten Elektromotor. Ausgegangen wird von einer elektronischen Drehmoment-Begrenzung, bei welcher der durch den Elektromotor fließende Strom als Maß für das Drehmoment herangezogen wird. Eine solche Vorgehensweise wird als ungenau bezeichnet, weil insbesondere bei hohen Drehzahlen nach dem Abschalten des Elektromotors durch die kinetische Energie der rotierenden Massen ein Nachlauf auftreten kann mit der Folge, dass eine Schraubverbindung mit einem höheren Drehmoment als der vorgegebene Drehmoment-Sollwert angezogen wird. Zur Vermeidung der auf der Massenträgheit beziehungsweise der Dynamik des Getriebes beruhenden Drehmomentspitze wird vorgeschlagen, den maximalen Wert des zulässigen Elektromotorstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors festzulegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Drehmoment-Sollwert festgelegt werden, welcher in einen Maximalwert des Elektromotorstroms umgerechnet wird. Je höher der Maximalwert des Elektromotorstroms vorgegeben wird, desto niedriger darf die maximale Drehzahl des Elektromotors werden.
In der EP 0 187 353 A2 ist ein Schrauber beschrieben, dessen Elektromotor vom Wechselspannungsnetz versorgt wird. Ausgegangen wird von der Erkenntnis, dass der Elektromotor ein maximales und bestimmtes Drehmoment unter Last bei Stillstand bereitstellt, wobei dieses Drehmoment von der zur Verfügung gestellten Spannung beziehungsweise dem Laststrom entsprechend der jeweiligen Motorkennlinie abhängt. Der Drehmoment-Sollwert der Verschraubung wird bei einer geringen Drehzahl oder sogar bei Stillstand des Schraubers erreicht, sodass ein Überschwingen des Drehmoment-Sollwerts durch einen Nachlauf vermieden wird.
Vorhanden ist weiterhin eine Kompensationsschaltung, welche in der Lage ist, Schwankungen der Netzspannung auszugleichen, um den Einfluss auf den Drehmoment-Istwert zu eliminieren. Bei absinkender Versorgungsspannung wird der Phasenanschnittswinkel einer Triac-Ansteuerung vergrößert, so dass eine höhere mittlere Spannung am Elektromotor anliegt.
In der DE 196 26 731 A1 ist ein akkubetriebener Kleinschrauber beschrieben, der ein Schaltelement enthält, welches den Elektromotor durch Kurzschließen abschaltet. Das Schaltelement wird von einem Tiefenanschlag betätigt. Durch das abrupte Abbremsen des Elektromotors wird ein Überschwingen vermindert. Zu berücksichtigen hierbei ist jedoch, dass ein derartiges Kurzschließen des Elektromotors nur bei vergleichsweise geringen abzugebenden Drehmomenten bis beispielsweise 100 Nm und bei leistungsschwachen Elektromotoren möglich ist, da selbst bei leistungsschwachen Elektromotoren im Falle eines Kurzschließen eines mit hoher Drehzahl drehenden Elektromotors mit einem erheblichen Kurzschlussstrom und den damit verbundenen elektromagnetischen Störungen gerechnet werden muss. Der Kurzschlussstrom belastet sowohl einen Kollektor eines als Gleichstrommotor realisierten Elektromotors als auch das verwendete Schaltelement zum Kurzschließen des Elektromotors in erheblichem Maße.
In der DE 103 45 135 A1 ist ein kleiner akkubetriebener Schrauber beschrieben, der zur Energieversorgung einen Lithium-Ionen-Akku enthält.
In der DE 201 13 184 U1 und beispielsweise der DE 196 47 813 A1 sind als Handwerkzeugmaschinen ausgestaltete elektromotorisch angetriebene Schrauber angegeben, die jeweils einen Stützarm zur Bereitstellung eines Gegendrehmoments beim Anziehen oder Lösen von Schraubverbindungen aufweisen.
Derartige Schrauber werden als Kraftschrauber bezeichnet, weil das zur Verfügung gestellte Drehmoment bis beispielsweise 10.000 Nm betragen kann, das ohne den Stützarm von einer Bedienperson des Kraftschraubers nicht aufgebracht werden könnte. Mit zunehmendem Drehmoment beim Schraubvorgang verformt sich der Stützarm elastisch, wodurch der Stützarm Energie aufnimmt. Während des Schraubvorgangs verspannt der Stützarm den Schrauber auf der Schraubverbindung. Der Stützarm nimmt nicht nur die während des Schraubvorgangs auftretende Energie, sondern auch die nach dem Abschalten des Kraftschraubers noch in den rotierenden Massen wie beispielsweise dem Elektromotor und insbesondere dem Getriebe vorhandene Rotationsenergie durch ein Verformen auf.
In der DE 196 20 782 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schraubverbindung angegeben, bei welchem der zeitliche Drehmomentverlauf als Gradient erfasst wird. Unterschieden wird zwischen einem ersten und zweiten Drehmoment-Anstieg, wobei der erste Drehmoment-Anstieg einem Gewindeschneidvorgang und der zweite Drehmoment-Anstieg dem Anziehen der Schraubverbindung zugeordnet werden. Wenn sich der zweite Drehmoment-Gradient verringert, wird dies als Gewindedeformation gewertet und der Schrauber abgeschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftschrauber, insbesondere einen akkubetriebenen Kraftschrauber anzugeben, der das Erreichen eines vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts für eine Schraubverbindung ohne die Gefahr eines Drehmoment-Überschwingens ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftschrauber weist einen Elektromotor als Antrieb, eine Drehmoment-Sollwert-Vorgabe, eine Drehmoment-Istwert-Ermittlung, eine Drehmoment-Gradienten-Ermittlung und eine Elektromotor-Ansteuerung auf, welche den Elektromotor in Abhängigkeit vom Drehmoment-Gradienten ansteuert. Vorgesehen ist eine Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung, die einen Drehmoment-Schwellenwert bereitstellt, der vom Drehmoment-Gradienten abhängt und der unterhalb des Drehmoment-Sollwerts liegt. Wenn der Drehmoment-Istwert den Drehmoment-Schwellenwert überschreitet, gibt die Elektromotor-Ansteuerung dem Elektromotor eine Drehzahl-Verringerung vor oder schaltet den Elektromotor bereits vollständig ab.
Der erfindungsgemäße Kraftschrauber ermöglicht anhand der Drehmoment-Gradienten-Ermittlung eine Unterschreitung zwischen harten und weichen Schraubfällen. Aufgrund des ermittelten Drehmoment-Gradienten und des eingestellten Drehmoment-Sollwerts kann die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung den Drehmoment-Schwellenwert gezielt derart unterhalb des Drehmoment-Sollwerts festlegen, dass ein Drehmoment-Überschwingen durch die Drehzahl-Verminderung oder das vollständige Abschalten des Elektromotors nach dem Überschreiten des Drehmoment-Schwellenwerts vermieden werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektromotor-Ansteuerung dem Elektromotor bei einem Drehmoment-Istwert, der unterhalb des Drehmoment-Schwellenwerts liegt, die maximal mögliche Drehzahl des Elektromotors vorgibt. Dem Elektromotor wird demnach die maximal mögliche Leistung zur Verfügung gestellt, wobei sich unter den gegebenen Lastbedingungen die maximal mögliche Drehzahl eingestellt. Mit dieser Maßnahme kann die Schraubverbindung in kürzestmöglicher Zeit hergestellt werden, ohne dass die Gefahr eines Drehmoment-Überschwingens besteht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung die Differenz zwischen dem Drehmoment-Sollwert und dem Drehmoment-Schwellenwert in Abhängigkeit vom Drehmoment-Gradienten festgelegt. Mit dieser Maßnahme wird das gesamte Spektrum von weichen bis harten Schraubfällen berücksichtigt. Die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung legt die Differenz bei einem größeren Drehmoment-Gradienten auf einen höheren Wert als bei einem kleineren Drehmoment-Gradienten fest, sodass sowohl bei einem harten als auch bei einem weichen Schraubfall ein Drehmoment-Überschwingen vermieden wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung eine Tabelle enthält, in welcher Drehmoment-Gradienten und Drehmoment-Sollwerte zur Festlegung des Drehmoment-Schwellenwerts hinterlegt sind. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung den Drehmoment-Schwellenwert anhand des ermittelten Drehmoment-Gradienten, des Drehmoment-Istwerts und des eingestellten Drehmoment-Sollwerts extrapoliert.
Eine andere Ausgestaltung sieht eine Motorstrom-Erfassung vor, welche den Motorstrom als Maß für den Drehmoment-Istwert erfasst. Die Motorstrom-Erfassung kann beispielsweise als niederohmiger Shunt realisiert sein, welcher im Vergleich zu einer elektromagnetischen Motorstrom-Erfassung preiswerter realisierbar ist.
Eine andere Ausgestaltung sieht einen Datenträger vor, in welchem Kennwerte der Schraubverbindung gespeichert sind und/oder welcher zur Speicherung von erfassten Daten der herzustellenden Schraubverbindung vorgesehen ist. Der Datenträger enthält zumindest den vorgegebenen Drehmoment-Sollwert. Abgespeichert werden kann zumindest der tatsächlich erreichte Drehmoment-Istwert der Schraubverbindung. Der Datenträger kann weiterhin Kenngrößen wie beispielsweise Kalibrierdaten des Kraftschraubers enthalten oder zur Speicherung von solchen Kenngrößen vorgesehen sein.
Der Datenträger kann dem Kraftschrauber zugeordnet sein. Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist der Kraftschrauber Mittel zur Signalübertragung zu einem außerhalb des Kraftschraubers angeordneten Datenträger auf.
Eine Weiterbildung sieht eine Spannungsbegrenzer-Schaltung vor, welche die am Elektromotor auftretende Motorspannung auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung begrenzt. Die Begrenzungsspannung wird vorzugsweise mindestens auf die Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors festgelegt, damit der Elektromotor zum Abbau einer gegebenenfalls in einem Stützarm des Kraftschraubers gegen Ende des Schraubvorgangs gespeicherte Energie durch ein Betreiben des Elektromotors im Generatorbetrieb beitragen kann, ohne dass der Elektromotor ein Gegenmoment aufbringt.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung enthält vorzugsweise eine bipolare Begrenzerdiode und/oder einen Varistor.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sieht als Energiequelle für den Elektromotor einen lithiumbasierten Akkumulator aufgrund dessen vergleichsweise hohen Energiedichte vor. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku (Li-Polymer-Akku).
Sofern die Versorgungsspannung von einem Akkumulator bereitgestellt wird, ist vorzugsweise eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung vorgesehen, welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts kompensiert, der insbesondere auftritt, wenn der Drehmoment-Istwert aus dem Motorstrom gewonnen wird. Eine einfache Realisierung der Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung sieht vor, dass die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung bei sinkender Versorgungsspannung entweder den eingestellten Drehmoment-Sollwert erhöht oder den ermittelten Drehmoment-Istwert verringert. Dadurch wird ein Eingriff in den Leistungsteil des Elektromotors vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers,
2 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers,
3 Drehmoment-Verläufe in Abhängigkeit von der Zeit und
4a und 4b unterschiedliche Ausgestaltungen einer Spannungsbegrenzer-Schaltung.
1 zeigt eine Skizze eines Kraftschraubers 10, der einen Elektromotor 12 als Antrieb enthält, welcher über ein Getriebe 14 eine Stecknuss 16 antreibt. Der Kraftschrauber 10 enthält einen Stützarm 18, der während des Schraubvorgangs ein Gegenmoment bereitstellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem akkubetriebenen Kraftschrauber 10 ausgegangen, der ein Batterieteil 20 enthält, in welchem ein Akkumulator 22 untergebracht ist. Die Inbetriebnahme des Kraftschraubers 10 erfolgt mit einem Schalter 24. Zur Steuerung des Elektromotors 12 ist eine Ansteuerschaltung 26 vorgesehen, welcher ein Datenträger 28 und eine Sende-/Empfangseinrichtung 30 zugeordnet sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem Gleichstrommotor 12 ausgegangen, der vorzugsweise mit einem impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert wird, welches die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 festlegt.
In 2 ist eine Elektromotor-Ansteuerung 40 gezeigt, welche ein impulsbreitenmoduliertes Signal s_PWM bereitstellt, das ein Schaltelement 42, beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor, entweder vollständig öffnet oder vollständig schließt, wobei die Periodendauer und/oder die Impulsdauer variabel sein können.
Das Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, welches das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer widerspiegelt, legt die mittlere Motorspannung u_Mot fest und ermöglicht dadurch eine Beeinflussung der dem Elektromotor 12 zur Verfügung gestellte Leistung beziehungsweise der Drehzahl des Elektromotors 12.
Nach dem Schließen des Schalters 42 fließt ein Motorstrom i_Mot in Abhängigkeit vom Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung u_Batt und in Abhängigkeit von der Last des Elektromotors 12.
Der Motorstrom i_Mot wird als Maß für das vom Elektromotor 12 aufgebrachte Drehmoment und somit als Maß für den an der Stecknuss 16 bereitgestellten Drehmoment-Istwert herangezogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Motorstrom i_Mot mit einer Motorstrom-Erfassung 44 erfasst, die als niederohmiger Widerstand beziehungsweise Shunt von beispielsweise 0,01 Ohm realisiert ist. Der als Maß für den Motorstrom i_Mot am Shunt 44 auftretende Spannungsabfall u_Sens wird in einer Drehmoment-Istwert-Ermittlung 46, die beispielsweise einen als Differenzverstärker beschalteten OpAmp enthält, verstärkt und als Maß für den Drehmoment-Istwert md_Ist bereitgestellt. Vorzugsweise ist eine nicht näher gezeigte Signal-Glättungseinrichtung vorgesehen, welche den Drehmoment-Istwert md_Ist zumindest von hochfrequenten Störsignalen befreit.
Der Drehmoment-Istwert md_Ist wird der Elektromotor-Ansteuerung 40, einer Drehmoment-Gradienten-Ermittlung 48 sowie einer Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 zur Verfügung gestellt. Die Drehmoment-Gradienten-Ermittlung 48 ermittelt den Gradienten dmd_Ist/dt des Drehmoment-Istwerts md_Ist durch Ermittlung wenigstens eines zeitlichen Differenzial-Quotienten. Vorzugsweise wird der Differenzial-Quotient angenähert und durch den Differenzen-Quotienten bestimmt.
Die Drehmoment-Gradienten-Ermittlung 48 stellt den Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt der Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 zur Verfügung, die anhand des Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt, des Drehmoment-Istwerts md_Ist, des von einer Drehmoment-Sollwert-Vorgabe 52 bereitgestellten Drehmoment-Sollwerts Md_Soll und eines Drehmoment-Minimalwerts Md_Min einen Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim festlegt, welcher der Elektromotor-Ansteuerung 40 zur Verfügung steht.
Die Festlegung des Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim in der Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 wird anhand der in 3 gezeigten zeitlichen Drehmomentverläufe näher erläutert. 3 zeigt einen ersten Schraubfall SF1, der einem harten Schraubfall entspricht, bei dem eine vergleichsweise schnelle Änderung des Drehmoment-Istwerts md_Ist auftritt. 3 zeigt einen zweiten Schraubfall SF2, der einem weichen Schraubfall entspricht, bei dem eine vergleichsweise langsame Änderung des Drehmoment-Istwerts md_Ist auftritt.
Die Drehmoment-Gradienten-Ermittlung 48 ermittelt nach dem Beginn des Schraubvorgangs den Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt, der beispielsweise durch wenigstens einen Differenzen-Quotienten angenähert werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird davon ausgegangen, dass die Drehmoment-Gradienten-Ermittlung 48 nach dem Überschreiten des Drehmoment-Minimalwerts Md_Min unter Zugrundelegung eines Zeitintervalls dti wenigstens einen Differenzen-Quotienten ermittelt. Das Zeitintervall dti ist derart vorzugeben, dass beim erwarteten schnellstmöglichen Drehmoment-Anstieg und beim geringstmöglichen eingestellten Drehmoment-Sollwert Md_Soll sichergestellt ist, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 einen Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim1, Md_Lim2 ermitteln und bereitstellen kann.
Der Drehmoment-Minimalwert Md_Min wird beispielsweise auf einen Drehmoment-Istwert md_Ist festgelegt, welcher geringfügig oberhalb des erwarteten Fügemoments der Schraubverbindung liegt. Mit dieser Maßnahme kann sichergestellt werden, dass der tatsächliche Drehmoment-Gradient dmd_Ist/dt der Schraubverbindung ermittelt wird.
Anhand des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md_Soll, des vorzugsweise vorgegebenen Drehmoment-Minimalwerts Md_Min, des ermittelten Drehmoment-Istwerts md_Ist sowie anhand des Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt legt die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 beim ersten Schraubfall SF1 den ersten Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim1 und beim zweiten Schraubfall SF2 den zweiten Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim2 fest. Die Drehmoment-Schwellenwerte Md_Lim1, Md_Lim2 liegen jeweils unterhalb des Drehmoment-Sollwerts Md_Soll. Der erste Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim1 liegt eine erste Differenz d1 unterhalb des Drehmoment-Sollwerts Md_Soll und der zweite Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim2 liegt eine zweite Differenz d2 unterhalb des Drehmoment-Sollwerts Md_Soll.
Die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 kann den Schwellenwert Md_Lim1, Md_Lim2 anhand von hinterlegten Tabellen festlegen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind funktionale Zusammenhänge zwischen den genannten Eingangsgrößen in der Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 hinterlegt, sodass die Drehmoment-Schwellenwerte Md_Lim1, Md_Lim2 ausgehend vom aktuellen Drehmoment-Istwert md_Ist extrapoliert werden können. Der funktionale Zusammenhang kann im einfachsten Fall auf einer Geradengleichung beruhen, sodass der erwartete Drehmomentverlauf durch die Steigung und einen Punkt der Gerade vollständig angegeben werden kann. Die Drehmoment-Schwellenwerte Md_Lim1, Md_Lim2 beziehungsweise die zur Festlegung der Schwellenwerte Md_Lim1, Md_Lim2 erforderlichen funktionale Zusammenhänge werden vorzugsweise experimentell ermittelt und in der Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung 50 hinterlegt.
Im ersten Schraubfall SF1 wird davon ausgegangen, dass der erste Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim1 zu einem ersten Zeitpunkt ti1 erreicht sein wird. Der erste Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim1 beziehungsweise die erste Differenz d1 werden an einen harten Schraubfall angepasst, der anhand des ermittelten Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt erkannt wurde. Die erste Differenz d1 ist vergleichsweise groß.
Im zweiten Schraubfall SF2 wird davon ausgegangen, dass der zweite Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim2 zu einem vierten Zeitpunkt ti4 erreicht sein wird. Der zweite Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim2 beziehungsweise die zweite Differenz d2 werden an einen weichen Schraubfall angepasst, der anhand des ermittelten Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt erkannt wurde. Die zweite Differenz d2 ist vergleichsweise klein.
Einen in der Elektromotor-Ansteuerung 40 enthaltener erster Vergleicher 54 vergleicht den Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2 mit dem Drehmoment-Istwert md_Ist und stellt in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Steuersignal s_Mot bereit. Das Steuersignal s_Mot sorgt dafür, dass das impulsbreitenmodulierte Signal s_PWM den Elektromotor 12 mit einer geringeren Leistung als zuvor ansteuert, sodass dem Elektromotor 12 eine Drehzahl-Verringerung vorgegeben wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass mit dem Auftreten des Steuersignals s_Mot der Elektromotor 12 vollständig abgeschaltet wird.
Die Drehzahl-Verringerung beziehungsweise das vollständige Abschalten nach dem Erreichen des Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2 verhindert im Wesentlichen ein Überschwingen des Drehmoment-Istwerts md_Ist, der dazu führen würde, dass die Schraubverbindung mit einem höheren Drehmoment als dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll verschraubt würde.
Das Überschwingen wird durch die im Elektromotor 12 und insbesondere im Getriebe 14 vorhandene kinetische Energie gegen Ende des Schraubvorgangs verursacht. In dieser Hinsicht ist insbesondere der harte Schraubfall SF1 kritisch, weil in vergleichsweise kurzer Zeit ti der Drehmoment-Sollwert Md_Soll erreicht wird. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird zur Verdeutlichung der Problematik davon ausgegangen, dass trotz der Drehzahl-Verringerung oder des vollständigen Abschaltens des Elektromotors 12 nach dem Überschreiten des ersten Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim1 der Anstieg des Drehmoment- Istwerts md_Ist bis zu einem zweiten Zeitpunkt ti2 nahezu ohne Verringerung des Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt erfolgt. Die durch das Steuersignal s_Mot veranlasste und durch das impulsbreitenmodulierte Signal s_PWM vorgegebene Drehzahl-Verringerung beziehungsweise das vollständige Abschalten des Elektromotors 12 wirkt sich demnach erst ab dem zweiten Zeitpunkt ti2 aus.
Der Drehmoment-Sollwert Md_Soll wird zu einem dritten Zeitpunkt ti3 mit einem verringerten Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt erreicht. Sofern der Elektromotor 12 beim Überschreiten des ersten Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim1 nicht bereits vollständig abgeschaltet wurde, ist spätestens zum dritten Zeitpunkt ti3 ein Abschalten des Elektromotors 12 vorgesehen. Dieses Abschalten wird mit einem Stoppsignal s_Stop veranlasst, welches ein in der Elektromotor-Ansteuerung 40 angeordneter zweiter Vergleicher 56 in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis zwischen dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll und dem Drehmoment-Istwert md_Ist bereitstellt.
Beim weichen Schraubfall SF2 steht im Gegensatz zum harten Schraubfall SF1 nach dem Erreichen des zweiten Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim2 noch ein vergleichsweise längerer Zeitraum zur Verfügung, bis der Drehmoment-Sollwert Md_Soll erreicht wird. Daher kann der zweite Drehmoment-Schwellenwert Md_Lim2 wesentlich näher am Drehmoment-Sollwert Md_Soll liegen, entsprechend einer geringeren Differenz d2. Auch in diesem Fall wird nach dem Erreichen des zweiten Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim2 die Drehzahl-Verringerung des Elektromotors 12 veranlasst oder der Elektromotor 12 bereits vollständig abgeschaltet. Durch die daraus resultierende Verringerung des Drehmoment-Gradienten dmd_Ist/dt nach Überschreiten des zweiten Drehmoment-Schwellenwerts Md_Lim2 wird auch beim weichen Schraubfall SF2 ein Überschwingen verhindert, sodass die Verschraubung exakt mit dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll angezogen wird, welcher zu einem fünften Zeitpunkt ti5 erreicht wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass zur Energieversorgung des Elektromotors 12 der Akku 22 vorgesehen ist, der vorzugsweise als lithiumbasierter Akkumulator realisiert ist, welcher sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnet. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku (Li-Polymer-Akku). Der Akku 22 stellt die Versorgungsspannung u_Batt bereit. Die Entlade-Kennlinie eines Akkus, insbesondere eines lithiumbasierten Akkumulators verläuft zwar relativ flach, jedoch hat selbst ein geringer Spannungsabfall unmittelbar eine Auswirkung auf das Erreichen des Drehmoment-Sollwerts Md_Soll, wenn als Maß für den Drehmoment-Istwert md_Ist der Motorstrom i_Mot herangezogen wird, da sich bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt ein geringerer Motorstrom i_Mot einstellt.
Vorgesehen ist deshalb eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 60, welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung u_Batt auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md_Soll kompensiert.
Prinzipiell könnte die Versorgungsspannung u_Batt unmittelbar stabilisiert und konstant gehalten werden, wobei jedoch Leistungs-Halbleiterbauelemente erforderlich wären, die zum einen relativ kostspielig sind und zum anderen aufgrund der hohen erwarteten Ströme bis beispielsweise 100 A zu voluminös sind, um im Kraftschrauber 10 untergebracht werden zu können.
Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 60 greift deshalb vorzugsweise mit einem Kompensationssignal s_Batt_Komp in die Drehmoment-Sollwert-Vorgabe 52 oder in die Drehmoment-Istwert-Ermittlung 46 ein, wobei bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt entweder der Drehmoment-Sollwert Md_Soll erhöht oder der Drehmoment-Istwert md_Ist verringert wird.
Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 60 kann beispielsweise eine Referenzspannungsquelle enthalten, mit welcher die Versorgungsspannung u_Batt verglichen wird. Mit kleiner werdender Differenz zwischen der Referenzspannung und der Versorgungsspannung u_Batt während des Entladevorgangs des Akkus 22 wird das Kompensationssignal s_Batt_Komp ständig erhöht, wobei die Erhöhung einer virtuellen Verringerung des Motorstroms i_Mot entspricht, um den tatsächlich geringeren Motorstrom i_Mot bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt bei der Signalbewertung auszugleichen.
Während des Betriebs des Kraftschraubers 10 stellt der Stützarm 18 das erforderliche Gegenmoment zu dem von der Stecknuss 16 auf die Verschraubung übertragene Drehmoment bereit. Der Stützarm 18 ist zur Vorbereitung des Schraubvorgangs an einer geeigneten Abstützung zu fixieren. Während des Schraubvorgangs tritt in Abhängigkeit vom zunehmenden Drehmoment eine entsprechend zunehmende Verformung des Stützarms 18 auf, die einer Speicherung von Energie entspricht. Die im Stützarm 18 gespeicherte Energie weist nach dem Abschalten des Kraftschraubers 10 beim Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md_Soll den maximalen Wert auf.
Durch die Verformung des Stützarms 18 wird die Stecknuss 16 und damit der gesamte Kraftschrauber 10 auf der Schraubverbindung verspannt. Nach dem Abschalten des Elektromotors 12 bewirkt die im Stützarm 18 gespeicherte Energie, dass der Elektromotor 12, ausgehend von der Stecknuss 16, rückwärts über das Getriebe 14 angetrieben wird, wobei der Elektromotor 12 in der zur Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung zu drehen beginnt.
Der Elektromotor 12 wird daher beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betrieben. Zum raschen und einfachen Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie sollte der Elektromotor 12 frei drehen können, ohne ein Gegenmoment aufzubringen, welches den Entlastungsvorgang erschweren und verlängern würde. Der Elektromotor 12 sollte deshalb in diesem Betriebszustand nicht kurzgeschlossen oder niederohmig überbrückt werden, wobei bereits bei einer geringen Generatorspannung ein hoher Motorstrom i_Mot, entsprechend einem hohem Gegenmoment auftreten würde. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass sich im Generatorbetrieb die Motorspannung u_Mot aufgrund der anderen Drehrichtung umpolt und der Motorstrom i_Mot daher in umgekehrter Richtung fließt, sofern der Strompfad zur Verfügung steht.
Insbesondere hat sich anhand von Versuchen ausgestellt, dass im Generatorbetrieb erhebliche Motorspannungen u_Mot auftreten können, die wesentlich über der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 liegen. Bei einem Elektromotor 12 mit einer Nenn-Betriebsspannung von beispielsweise 28 Volt wurden Spannungsspitzen bis über 200 Volt mit einer Impulsdauer von mehreren 100 ns nachgewiesen. Derartige energiereiche Impulse können zur Zerstörung von Komponenten der Ansteuerschaltung 26, insbesondere zur Zerstörung des Schaltelements 42 führen.
Vorgesehen ist deshalb die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70, welche die am Elektromotor 12 auftretende Motorspannung u_Mot des beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors 12 auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung u_Lim begrenzt.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 ist nicht mit einem Freilauf vergleichbar, der lediglich den Elektromotor 12 im Wesentlichen kurzschließt. Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 ermöglicht das gezielte Vorgeben der Begrenzungsspannung u_Lim, damit der Elektromotor 12 während des Generatorbetriebs bei der Vernichtung der im Stützarm 18 gespeicherten Energie zumindest bis zum Erreichen der Begrenzungsspannung u_Lim kein Gegenmoment erzeugt. In diesem Betriebszustand tritt ein Motorstrom i_Mot in umgekehrter Richtung im Vergleich zum normalen Betrieb nur auf, wenn die Motorspannung u_Mot im Generatorbetrieb die Begrenzungsspannung u_Lim versucht, zu überschreiten.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 kann allerdings die Funktion eines Freilaufs übernehmen, wobei während des Freilaufs, bei welchem sich die Richtung des Motorstroms i_Mot nicht umdreht, die Begrenzungsspannung u_Lim als Motorspannung u_Mot auftritt. Gegebenenfalls kann ein nicht näher gezeigter geschalteter Freilauf vorgesehen sein, welcher vom impulsbreitenmodulierten Signal s_PWM angesteuert wird.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 eine bipolare Spannungsbegrenzerdiode 72, die auch als TVS (Transient Voltage Suppressor) bezeichnet wird. Die Spannungsbegrenzerdiode 72 enthält zwei Zenerdioden integriert in einem einzigen Bauelement. Bei dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 einen Varistor 74.
Während Dioden 72 eine sehr schnelle Reaktion auf Spannungsimpulse ermöglichen, kann ein Varistor 74 eine höhere Energie zumindest kurzfristig aufnehmen und ableiten. In Abhängigkeit von den Anforderungen kann deshalb eine Kombination von Dioden 72 sowie einem Varistor 74 vorgesehen sein.
Die Begrenzungsspannung u_Lim wird zunächst auf einen Wert festgelegt, bei welchem im normalen Antriebsbetrieb des Elektromotors 12 keine Begrenzung der Motorspannung u_Mot auftreten kann. Die Begrenzungsspannung u_Lim wird demnach bei einem 28-Volt-Elektromotor 12 auf einen Wert von mindestens 28 Volt festgelegt. Da sich im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 die Motorspannung u_Mot umkehrt, muss die Spannungsbegrenzer-Schaltung 70 die Begrenzungsspannung u_Lim insbesondere für die Motorspannung u_Mot bei umgekehrter Polarität bereitstellen, da insbesondere im Generatorbetrieb die Gefahr einer Überspannung besteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der in 2 eingetragenen Polarität der Versorgungsspannung u_Batt tritt im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 das positive Potenzial der Motorspannung u_Mot am Schaltelement 42 auf, während das negative Potenzial am Akku 22 anliegt.
Zweckmäßigerweise wird eine Begrenzungsspannung u_Lim vorgegeben, die mindestens dem Betrag der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 entspricht. Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird zumindest die im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 wirksame Begrenzungsspannung u_Lim auf den Wert einer sogenannten Schutz-Kleinspannung festgelegt, die gesetzlich festgelegt sein kann. Eine Schutz-Kleinspannung in diesem Sinn soll dadurch definiert sein, dass an einem elektrischen Gerät, im vorliegenden Fall dem Kraftschrauber 10, spannungsführende Teile, die berührt werden können, die Schutz-Kleinspannung nicht übersteigen dürfen. Sofern dies der Fall sein könnte, sind spezielle Maßnahmen zum Berührungsschutz zu treffen. Die Schutz-Kleinspannung liegt beispielsweise bei 42 Volt.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers 10 sieht einen Datenträger 80 vor, der Daten für die Verschraubung enthält, wie beispielsweise zumindest den Drehmoment-Sollwert Md_Soll, und/oder zur Aufnahme von Daten, wie beispielsweise dem tatsächlich erreichten Drehmoment-Istwert md_Ist, vorbereitet ist, die zumindest am Ende des Schraubvorgangs gespeichert werden. Der Datenträger 80 kann weiterhin Kalibrierdaten des Kraftschraubers 10 enthalten und/oder zur Speicherung von Kenngrößen des Kraftschraubers 10 vorbereitet sein. Vorzugsweise ist der Datenträger 80 als mobiler Datenträger, beispielsweise als ein preiswert erhältliches RFID realisiert.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers 10 sieht Mittel 82 zur Signalübertragung, beispielsweise eine Sende-/Empfangseinrichtung 82 vor, die zum Empfang und/oder zum Senden von Daten betreffend Verschraubung und/oder betreffend Kenngrößen des Kraftschraubers 10 ausgebildet ist. Die Sende-/Empfangseinrichtung 82 ist vorzugsweise zum Zusammenwirken mit einem nicht näher gezeigten Datenträger, beispielsweise einem mobilen Datenträger ausgestaltet, der dem Datenträger 80 entsprechen kann. Sofern es sich bei diesem Datenträger um ein bereits erwähntes RFID handelt, weist die Sende-/Empfangseinrichtung 82 einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger auf, wobei die Sende-/Empfangsfrequenz auf die Sende-/Empfangsfrequenz des Datenträgers abzustimmen ist.

Claims

Kraftschrauber mit einem Elektromotor (12) als Antrieb, mit einer Drehmoment-Sollwert-Vorgabe (52) und mit einer Drehmoment-Istwert-Ermittlung (46), mit einer Drehmoment-Gradienten-Ermittlung (48) und mit einer Elektromotor-Ansteuerung (40), welche den Elektromotor (12) in Abhängigkeit vom Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) vorgesehen ist, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) einen Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) bereitstellt, der vom Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) abhängt und der unterhalb des Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) liegt, und dass die Elektromotor-Ansteuerung (40) dem Elektromotor (12) eine Drehzahl-Verringerung vorgibt oder den Elektromotor (12) vollständig abschaltet, wenn der Drehmoment-Istwert (md_Ist) den Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) überschreitet.
Kraftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotor-Ansteuerung (40) dem Elektromotor (12) bei einem Drehmoment-Istwert (md_Ist), der unterhalb des Drehmoment-Schwellenwerts (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) liegt, die maximal mögliche Drehzahl des Elektromotors (12) vorgibt.
Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) die Differenz (d1, d2) zwischen dem Drehmoment-Sollwert (Md_Soll) und dem Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) in Abhängigkeit vom Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) festlegt.
Kraftschrauber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) die Differenz (d1, d2) bei einem höheren Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) größer als bei einem kleineren Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) festlegt.
Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) eine Tabelle enthält, in welcher Drehmoment-Gradienten (dmd_Ist/dt) und Drehmoment-Sollwerte (Md_Soll) zur Festlegung des Drehmoment-Schwellenwerts (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) hinterlegt sind.
Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmoment-Schwellenwert-Festlegung (50) den Drehmoment-Schwellenwert (Md_Lim, Md_Lim1, Md_Lim2) anhand des ermittelten Drehmoment-Gradienten (dmd_lst/dt), des Drehmoment-Istwerts (md_Ist) und des Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) extrapoliert.
Kraftschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorstrom-Erfassung (44) vorgesehen ist, die den Motorstrom (i_Mot) als Maß für den Drehmoment-Istwert (md_Ist) erfasst.
Kraftschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datenträger (80) vorgesehen ist, in welchem Kennwerte der Schraubverbindung und/oder des Kraftschraubers (10) gespeichert sind und/oder welcher zur Speicherung von erfassten Daten einer Schraubverbindung oder von Kennwerten des Kraftschraubers (10) vorgesehen ist.
Kraftschrauber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftschrauber (10) Mittel (82) zur Signalübertragung zu einem außerhalb des Kraftschraubers (10) angeordneten Datenträger aufweist.
Kraftschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsbegrenzer-Schaltung (70) vorgesehen ist, welche die am Elektromotor (12) auftretende Motorspannung (u_Mot) auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung (u_Lim) begrenzt, die mindestens auf die Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors (12) festgelegt ist.
Kraftschrauber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (70) eine bipolare Begrenzerdiode (72) enthält.
Kraftschrauber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (70) einen Varistor (74) enthält.
Kraftschrauber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator (22) zur Bereitstellung der Versorgungsspannung (u_Batt) vorgesehen ist.
Kraftschrauber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (22) ein lithiumbasierter Akkumulator (Li-Ion-Akku, Li-Polymer-Akku) ist.
Kraftschrauber nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung (60) vorgesehen ist, welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung (u_Batt) auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) kompensiert.
Kraftschrauber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung (60) bei sinkender Versorgungsspannung (u_Batt) den eingestellten Drehmoment-Sollwert (Md_Soll) erhöht oder den ermittelten Drehmoment-Istwert (md_Ist) verringert.