CN108326538A - 用于设置螺钉的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设置螺钉的方法和装置，特别是用于设置流钻螺钉。根据该方法，在时间限制的第一阶段期间以第一转速和第一轴向进给力驱动螺钉，以驱动螺钉穿入至少一个部件。在第一阶段期间螺钉尚未穿入部件的情况下，螺钉在第一阶段之后的第二阶段期间以高于第一转速的第二转速和/或以大于第一轴向进给力的第二轴向进给力自动地驱动。

Description

用于设置螺钉的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于设置螺钉，特别是设置流钻螺钉（flow-drilling screw）的方法和装置。

背景技术

由现有技术已知的是通过拧紧装置将流钻螺钉引入到部件中，该拧紧装置对螺钉施加预定的转速和预定的轴向进给力。如果发现由于转速太低或者轴向进给力太小而导致引入或设置螺钉的过程花费太长时间或者不可能实现，则可以在用一些拧紧装置设置下一个螺钉时增加转速或轴向进给力，以缩短过程。用于部件经常使用的材料的转速和轴向进给力的材料特定值可存储在拧紧装置中。因此可以提供用于特定材料的拧紧装置的预设。

所有这些过程都具有这样的缺点，即必须由使用者设置或调整所施加的转速或所施加的轴向进给力，以尽可能高效地设置下一个螺钉。

发明内容

本发明的基本目的是提供一种使螺钉的设置更有效的方法和装置。

该目的通过具有以下特征的方法而得到满足，并且尤其在于，确定螺钉是否穿入部件，并且在于，在螺钉在第一阶段期间没有穿入部件的情况下，在第一阶段之后的第二阶段期间螺钉是以高于第一转速的第二转速和/或大于第一轴向进给力的第二轴向进给力自动地驱动。因此，第二阶段就是“助推（boost）”阶段。

本发明的基本构思是确定螺钉是否在第一阶段穿入部件，并且如果在第一阶段结束之后不是这种情况，则增加输入到部件中的能量以加速螺钉设置。所需的能量输入，例如所需的转速和/或所需的轴向进给力，因此被单独地确定并应用于每个螺钉以尽可能有效地设置螺钉，即尽可能快速并节能。部件的材料一致性（例如材料强度或材料厚度）的波动自动地得到补偿，因为每个螺钉以独立匹配的转速和/或轴向进给力被引入到部件中。

可以在从属权利要求中、在说明书和附图中找到有利的实施例。

为了使螺钉的设置特别经济，允许第一阶段持续最多一秒是有利的。第一阶段优选持续0.3秒至0.7秒，例如大约0.5秒。

根据一个实施例，转速在第二阶段期间连续地即不断地增加。转速优选地在第二阶段期间至少逐步不断增加。在转速增加的第二阶段的某时期（a stage of the secondphase）期间，转速特别是不断增加。或者，在第二阶段期间，转速逐步增加。转速的逐步增加可以特别是相同的和/或在相等的时间间隔之后进行。

可选地或附加地，在第二阶段期间可以连续增加轴向进给力。轴向进给力优选在第二阶段期间至少阶段性地不断地增加。在轴向进给力增加的第二阶段的某时期期间，轴向进给力特别是不断地增加。或者，在第二阶段期间，轴向进给力逐步增加。轴向进给力的逐步增加可以特别是相同的和/或在相等的时间间隔之后进行。

根据一个实施例，假设螺钉尚未穿入部件，则在第二阶段期间将转速增加至最大值。随后可以将转速保持在相应的最大值，直到螺钉穿入部件。由此可以确保，执行该方法的拧紧装置的驱动不会过载。

转速增加到最大值的第二阶段的时期（stage）的长度可以达到3秒。这个时期的长度优选在0.5和1.5秒之间。

可选地或附加地，假设螺钉尚未穿入部件，在第二阶段期间轴向进给力可以增加到最大值。随后可以将轴向进给力保持在相应的最大值，直到螺钉穿入部件。

轴向进给力增加到最大值的第二阶段的时期长度可以等于转速增加到最大值的第二阶段的时期长度。轴向进给力增加到最大值的第二阶段的时期长度可达3秒。这个时期的长度也优选在0.5和1.5秒之间。

在螺钉穿入部件之后，转速有利地不会进一步增加。在螺钉穿入部件之后，转速优选地均匀降低。因此确保能够在不损坏螺纹的情况下将螺钉攻螺丝或开槽螺纹于部件中。

可选地或附加地，在螺钉穿入部件之后，轴向进给力优选不进一步增加。在螺钉穿入部件之后减小轴向进给力也是有利的。

可以确定在螺钉穿入部件的时间点处的转速作为设置螺钉所需的能量的量度。可替代地或另外地，可以测量在螺钉穿入部件的时间点处施加的轴向进给力和/或可以测量直到螺钉穿入部件的第二阶段的持续时间。

部件的局部机械阻力（local mechanical resistance）优选使用由转速、轴向进给力和/或直至螺钉穿入部件的第二阶段的持续时间来确定。在各个位置上的部件的厚度和在各个位置上的部件的强度在这里是最关键的。

部件的局部机械阻力特别是可以使用确定的期望转速和/或在螺钉穿入时间点的确定的期望进给力来确定。用这种方法可以节省用于实际测量实际转速或实际进给力的昂贵的测量设备。

一旦螺钉已经穿入该部件例如两个彼此叠置的金属片，并且一旦在远离螺钉头部的金属片上形成螺纹，则必须拧紧螺钉以将金属片牢固地彼此连接。可以根据部件的机械阻力来确定为此目的所需要的理想拧紧扭矩，并且通过该理想拧紧扭矩可以拧紧螺钉。理想拧紧扭矩尤其可以通过转速、通过轴向进给力和/或通过直到螺钉穿入部件的第二阶段的持续时间来直接计算。这具有以下优点，即螺钉可以被拧紧，使得其尽可能牢固地保持，即，提供有足够的预加载力，而不会由于部件的材料过载而撕裂。

一般而言，理想拧紧扭矩因此优选地不是通过从螺钉到螺钉的学习过程（learning process）逐步优化的，而是在螺钉设置期间分别针对每个螺钉直接确定。例如为此目的测量的参数，其适于在进入和穿入期间确定机械阻力，特别是部件的壁厚和/或部件的强度。那么对于相应的螺钉的理想拧紧扭矩是根据在螺钉设置点处部件的机械阻力的高度如此实时确定的，最后，使用确定的理想拧紧扭矩来拧紧螺钉。

根据一个具体实施例，通过以下公式可以计算拧紧螺钉的增加的拧紧扭矩M_a：

M_a = M_{a 0%} + (M_{a 100%} - M_{a 0%}) x t_Boost / t_Duration,

其中，M_{a 0％}是可靠螺钉连接所需的最小拧紧扭矩；M_{a 100％}是适用于螺钉的最大拧紧扭矩；t_Boost是直到螺钉穿入的第二阶段的持续时间；t_Duration是直到达到最大可能的转速和/或轴向进给力的第二阶段。

因此，当螺钉在第一阶段已经穿入部件时，使用最小的拧紧扭矩M_{a 0％}。在达到螺钉穿入部件最大可能转速和/或轴向进给力时，使用最大拧紧扭矩M_{a 100％}。如果螺钉只在持续时间t_Duration后才进入部件，拧紧扭矩不会进一步增加，但是在这种情况下，螺钉也会以最大拧紧扭矩M_{a 100％}拧紧。

本发明的另一主题是具有权利要求9的特征的装置。它包括用于检测螺钉穿入的设备，以及驱动控制器，如果限定的切换参数没有到达，例如如果在第一阶段期间进给路径、进给速率或进给力没有实质地或典型地改变，则驱动控制器在第二阶段用于增加螺钉的旋转速度和/或螺钉上的轴向进给力。由该装置施加的螺钉的转速和/或由该装置施加的轴向进给力，因此可以自动地适应于穿入该部件所需的转速或轴向进给力。

检测设备例如相对于进给路径、相对于进给速率的突然增加和/或相对于轴向进给力的突然减小来确定螺钉的穿入。

根据一个实施例，另外提供测定装置，其测定螺钉穿入部件的转速。所测定的转速可以是期望的转速和/或实际的转速。可以以这种方式测定部件的机械阻力，例如，可以在连接点处得出部件厚度的结论。

替代地或附加地，测定装置可以测定螺钉穿入部件的轴向进给力和/或时间点。所测定的轴向进给力在此可以是期望的轴向进给力和/或实际的轴向进给力。同样可以使用这个参数确定组件的机械阻力。

为了排除测量误差，测定设备优选测定所有三个参数，即转速和轴向进给力以及螺钉穿入部件的时间点。

根据特别便宜的实施例，测定设备被集成在检测设备中。在这种情况下，检测设备不仅检测螺钉穿入部件，例如相对于供给路径、相对于供给速率的突然增加和/或相对于轴向进给力的突然减小，而且还附加地检测部件的机械阻力，例如相对于在螺钉穿入之前的最大轴向进给力、相对于螺钉穿入之前的最大转速和/或相对于螺钉的穿入时间点。因此在这种情况下的检测设备满足双重功能。

具体而言，可以设置处理器以在设置螺钉期间确定部件的机械阻力，所述处理器根据转速、轴向进给力和/或螺钉穿入部件时所在的位置点计算部件的机械阻力。

此外，可以设置这个处理器或另一处理器，以根据部件的机械阻力为螺钉确定增加的拧紧扭矩。因此可以根据部件的机械阻力来拧紧螺钉。

附图说明

下面将参照纯粹的示例性实施例和附图来描述本发明。如下所示：

图1是根据本发明的方法的流程图；

图2是穿入部件的螺钉；

图3是转速的进展特性（progression characteristic）；

图4是轴向力的进展特性；和

图5是根据本发明的装置的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的方法的流程图，利用该方法可以操作拧紧装置10（图5）。在第一步骤A中，在第一转速n_0%和第一轴向进给力F_{a 0％}持续大约0.5秒的有时间限制的第一阶段t_A（图3和4）期间，驱动单元14驱动流钻螺钉12（图2），以驱动螺钉12穿入部件16，例如通过两个彼此平面地布置并且在一侧可接近的金属板。在这方面，与步骤A平行地，通过检测装置18不断地确定螺钉12是否已经穿入部件16。利用流钻螺钉，螺钉12已经穿入部件，如图2所示当螺钉12的锥形前端20再次穿出部件16，并且由螺钉12在部件16中产生的孔22具有与螺钉12的无螺纹轴的直径对应的最小直径23。

如果在第一阶段t_A结束之后螺钉12尚未穿入部件16，则驱动控制器24在步骤A之后的步骤B中开始第二阶段t_B，其包括助推时期t_Boost。在第二阶段t_B期间，如果螺钉12先前没有穿入部件16，转速n（图3）总是不断增加到最大转速n_max。同时，如果螺钉12先前没有穿入部件16，轴向进给力F_a（图4）同样不断地增加直到最大轴向进给力F_{a max}。在旋转速度n或轴向进给力F_a增大的过程中进一步检测螺钉12是否已穿入。如果是已穿入，转速n和轴向进给力F_a被减小到适于形成螺纹的值。

如果在达到最大转速n _100％和最大轴向进给力F_a100％的时间点时，螺钉12没有穿入部件16，则螺钉12进一步以最大转速n_100％、最大轴向进给力F_a100％被驱动，直到螺钉12穿入螺钉12或达到最大时间t_max。如果达到最大时间t_max，则拧紧装置10中止螺钉12的设置。如果螺钉在达到最大时间t_max之前穿入部件，则转速n和轴向进给力F_a减小到适合形成螺纹的值。

如果在第二阶段t_B期间螺钉12进入部件16中，则从第二阶段t_B开始直到螺钉12穿入部件16的持续时间t_Boost在步骤C中通过测定设备26确定。持续时间t_Boost取决于部件16的机械阻力，即尤其取决于部件16的厚度27和其强度，因此可以用作机械阻力的特性。在步骤D中通过持续时间t_Boost为螺钉12计算增加的拧紧扭矩M_a，并且实际上根据公式计算

M_a = M_{a 0%} + (M_{a 100%} - M_{a 0%}) x t_Boost / t_Duration,

其中M_{a 0％}是可靠螺钉连接所需的最小拧紧扭矩；M_{a 100％}是适用于螺钉的最大拧紧扭矩；t_Boost是直到螺钉12穿入的第二阶段的持续时间；并且t_Duration是直到达到最大可能转速n_100％和/或最大可能轴向进给力F_a100％的第二阶段的持续时间。

在步骤E中，以增加的拧紧扭矩M_a拧紧螺钉12。因此，每个螺钉根据部件的相应材料厚度或金属板厚度而被拧紧。由此确保，在考虑到部件16的机械负载能力的情况下，使用该方法设置的每个螺钉12都理想地紧固，即既不太弱也不太紧。

图3和图4表示在图1所示的方法中转速n和轴向进给力F_a的变化。在第一阶段t_A，转速n在最小转速n _0％维持不变0.5秒。这同样适用于保持在最小进给力F_{a 0％}的轴向进给力F_a。如果在第一阶段t_A结束之后螺钉12还没有穿入部件16，则转速n和轴向供给力F_a从第二阶段的起始时间t_start以后在0.5-1.5秒时间内不断增加到最大，直到螺钉12在助推时间t_Boost之后穿入部件16。助推时间t_Boost因此代表第二阶段t_B期间的持续时间，直到螺钉12已经穿入部件16。

如上所述，可能出现的情况是，螺钉12还未穿入部件16直至达到最大可能转速n_100％和最大可能轴向进给力F_{a 100％}。在转速n和/或轴向进给力F_a增加到其最大值n _100％，F_{a 100％}的时间t_Duration结束之后，以不变的转速n _100％和轴向进给力F_{a 100％}驱动螺钉12 ，直至最大持续时间t_max。如果在最大持续时间t_max结束之后螺钉12尚未进入部件16中，则拧紧装置10被关闭并且设置过程因不完整而中止。

图5示意性地示出了用于执行图1中概述的方法的拧紧装置10。拧紧装置10特别适于将流钻螺钉12引入到部件16中。拧紧装置10包括驱动单元14，其被配置成将螺钉12旋转并且同时将轴向进给力施加到螺钉12上。拧紧装置10还包括检测装置18，其确定螺钉12的进给路径和/或进给速率，和/或确定施加到螺钉12的进给力，以确定何时螺钉12已经穿入部件16，例如，可以通过提高要施加到螺钉12的进给速率或减小要施加到螺钉12的进给力，验证螺钉12已经穿入部件16。拧紧装置10还包括驱动控制器24，如果进给路径、进给速率或进给力在第一阶段的持续时间内没有实质地或者典型地改变，并且因此螺钉12还没有穿入部件16，则驱动控制器24增加螺钉12的转速n和/或在螺钉12上的轴向进给力F_a。驱动控制器24连接到检测设备18，其与驱动控制器24连通，即螺钉12已经穿入部件16。

拧紧装置10另外包括测定设备26，测定装置26确定螺钉12穿入部件16的时间点或确定助推时间t_Boost。拧紧装置10包括处理器28，处理器28具有与其连通的部件16的机械阻力的特征值。在本示例中，部件16的机械阻力通过在第二阶段t_B期间直到螺钉12已经穿入部件16所需的时间来表示，即助推时间t_Boost。处理器28计算用于螺钉12的从确定的助推时间t_Boost增加的拧紧扭矩M_a，其随着助推时间t_Boost的增加而增加。

附图标记列表

10 拧紧装置

12 螺钉

14 驱动单元

16 部件

18 检测设备

20 前端

22 孔

23 直径

24 驱动控制器

26 测定设备

27 厚度

28 处理器

A 步骤1

B 步骤 2

C 步骤 3

D 步骤4

E 步骤 5

t_A 第一阶段

t_B 第二阶段

n 转速

F_a 轴向进给力

n_0% 第一转速

F_{a 0%} 第一轴向进给力

n _100% 最大转速

F_{a 100%} 最大轴向进给力

t_start 助推阶段的起始时间

t_Boost 助推阶段

t_Duration 直到 n _100% 和/或F_{a 100%}的持续时间

t_max 最大时间

M_a 拧紧扭矩

M_{a 0%} 最小拧紧扭矩

M_{a 100%} 最大拧紧扭矩

Claims (12)

1.一种用于设置螺钉（12）的方法，特别是用于设置流钻螺钉，其特征在于，

在时间限制的第一阶段（t_A）期间，以第一转速（n_0％）和第一轴向进给力（F_{a 0％}）驱动所述螺钉（12），以驱动所述螺钉（12）穿入至少一个部件（16）；

确定所述螺钉（12）是否穿入所述部件（16）；和

在所述第一阶段（t_A）期间，所述螺钉（12）尚未穿入所述部件（16）的情况下，在所述第一阶段（t_A）之后的第二阶段（t_B）期间所述螺钉（12）以高于所述第一转速（n_0%）的第二转速（n）自由驱动和/或以大于所述第一轴向进给力（F_{a 0％}）的第二轴向进给力（F_a）驱动。

2.如权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在所述第二阶段（t_B）期间，所述转速（n）和/或所述轴向进给力（F_a）连续地或逐步地增加。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

如果所述螺钉（12）尚未穿入所述部件（16），则在所述第二阶段（t_B）期间所述转速（n）和/或所述轴向进给力（F_a）增加到相应的最大值（n_100％，F_a100％）。

4.如前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

在所述螺钉（12）穿入所述部件（16）之后，所述转速（n）和/或所述轴向进给力（F_a）不会进一步增加；并且特别在于，在所述螺钉（12）穿入所述部件（16）之后，所述转速（n）和/或所述轴向进给力（F_a）减小。

5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

测量所述旋转速度（n）、所述轴向进给力（F_a）和/或直到所述螺钉穿入所述部件（16）的所述第二阶段的持续时间（t_Boost）。

6.如权利要求5所述的方法，

其特征在于，

相对于所述转速（n）、所述轴向进给力（F_a），和/或相对于直到所述螺钉穿入所述部件（16）的所述第二阶段的持续时间（t_Boost），确定所述部件（16）的机械阻力，特别是所述部件（16）的厚度和/所述部件（16）的厚度。

7.如前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

根据所述部件（16）的机械阻力确定能够拧紧所述螺钉（12）的拧紧扭矩（M_a）。

8.如前述权利要求中任意一项所述的方法，

其特征在于，

通过以下公式计算能够拧紧所述螺钉（12）的增加的拧紧扭矩（M_a）：

M_a = M_a0％+（M_a100％-M_a0％）×t_Boost / t_Duration，

其中M_{a 0％}是最小的拧紧扭矩；M_{a 100％}是最大拧紧扭矩；t_Boost是直到所述螺钉（12）穿入的所述第二阶段（t_B）的持续时间； t_Duration是直到达到最大可能转速（n_100％）和/或轴向进给力（F_a100％）的所述第二阶段的持续时间。

9.一种用于设置螺钉（12）的拧紧装置（10），特别是用于设置流钻螺钉，其特征在于，包括：

驱动单元（14），其构造成使所述螺钉（12）旋转并且在所述螺钉（12）上施加轴向进给力（F_a）以驱动所述螺钉（12）穿入至少一个部件（16）；

用于检测所述螺钉（12）穿入所述部件（16）的设备（18），其确定所述螺钉（12）的供给路径和/或供给速率，和/或施加到所述螺钉（12）的轴向供给力；和

驱动控制器（24），如果所述进给路径、所述进给速率和/或所述施加的轴向进给力在第一阶段（t_A）期间没有实质地或者典型地地改变，则所述驱动控制器（24）在第二阶段（t _B）期间自动地增加所述螺钉（12）的所述转速（n）和/或所述螺钉（12）上的所述轴向进给力（F_a）。

10.如权利要求9所述的拧紧装置（10），

其特征在于，

提供至少一个测定装置（26），其确定所述螺钉（12）穿入所述部件（16）的所述转速（n）、所述轴向进给力（F_a）和/或所述时间点。

11.根据权利要求10所述的拧紧装置（10）

其特征在于，

提供处理器（28），所述处理器（28）相对于所述旋转速度（n）、相对于所述轴向进给力（F_a）和/或所述螺钉（12）穿入所述部件（16）的时间点确定所述部件（16）的机械阻力，尤其是所述部件（16）的厚度（27）和/或所述部件的强度。

12.如权利要求11所述的拧紧装置（10），

其特征在于，

提供处理器（28），其根据所述部件（16）的机械阻力确定用于所述螺钉（12）的增加的拧紧扭矩（M_a）。