DD207039A1

DD207039A1 - Vorrichtung zur messung der schraubenvorspannung

Info

Publication number: DD207039A1
Application number: DD82236661A
Authority: DD
Inventors: Detlef Heinrich; Manfred Weiss; Walter Prestel
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1981-01-14
Filing date: 1982-01-11
Publication date: 1984-02-15
Also published as: DE3100842A1; IT8219026A0; GB2090976A; JPS57137830A; IT1149417B; FR2497950A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannung nach dem Ultraschall - Impuls - Echo -Verfahren.Ziel ist es,durch Mechanisierung des Anziehens von Zylinderkopfschrauben Arbeitskraefte einsparen bei gleichzeitiger Materialkostenreduzierung durch die Verwendung minderwertigeren Schraubenwerkstoffes. Die Aufgabe besteht darin,das Anziehen in der Massenfertigung mit geringer Abweichung von der gewuenschten Schraubenvorspannung zu ermoeglichen. Erfindungsgemaess ist ein Pruefkopf in die sichdrehende Schraubennuss eingebaut,wobei die Uebertragung von auszureichenden Impulsen und empfangenen Messwerten vom Pruefkopf auf einen Rechner ueber eine die Schraubennuss umgehende und gegenueber dieser feststehenden Einrichtung erfolgt.Diese Einrichtung arbeitet beruehungsfrei nach dem induktiven Prinzip mit einer Stator - und Rotorspule.Alternativ dazu kann auch eine kapazitive Kopplung zur Anwendung kommen.Anwendung findet diese Einrichtung vornehmlich zumAnziehen von Zylinderkopfschrauben in der Serienfertigung,wo neben hoher Praezision ein reibungsloser Ablauf der Fertigung erforderlich ist,der mit Kabelverbindungeen zwischen rotierender Schraubennuss und Rechner nicht erreicht waere.

Description

Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannunq Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannung nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren, bei der eine Prüfsonde unmittelbar in eine Schraubennuß eingebaut ist und auf einen Schraubenkopf mit geringem Ankoppelspalt aufgesetzt ist, wobei der Prüfkopf elektrisch an ein Ultraschallgerät und einen Rechner angekoppelt ist»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch die DE-OS 2 853 988 ist ein Verfahren zur indirekten Messung der Schraubenvorspannung bekannt., bei dem ein Ultraschallimpuls zur Messung der Schraubenlänge vor und nach dem Anziehen herangezogen wird. Aus der ermittelten Längenänderung wird mit Hilfe eines Rechners die Vorspannkraft bestimmt. Zur Ermittlung der hierzu notwendigen Rechengröße wird eine Schraube gleichen Typs in einer Prüfmaschine vorgespannt und zur eingestellten Kraft die Längenänderung der Schraube ermittelt. Zum Anziehen der Schraube ist der Prüfkopf in eine Schraubennuß eingebaut und übermittelt die vom Schraubenende reflektierten Ultraschall-Impulse über eine Leitung an ein Ultraschallgerät mit Rechner. Durch den Einbau des Prüfkopfes in die Schraubennuß ist zwar eine Vorrichtung für das eingangs erwähnte Verfahren geschaffen worden* mit der während des Anziehvorganges die Vorspannkraft kontinuierlich-, ohne Absetzen des Prüfkopfes gemessen werden kann-,, jedoch ist diese Vorrichtung ungeeignet,, die Schraubenvorspannung in der Serienherstellung

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23 6 6 6 1 8

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aufzubringen» Sie ist nur für den manuellen Anziehvorgang von Schrauben anwendbar.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Mechanisierung des Anziehens von Zylinderkopf schrauben Arbeitskräfte einzusparen sowie die Materialkosten durch den Einsatz minderwertigeren Schraubenwerkstoffes zu reduzieren,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Demgegenüber liegt der Anmeldung die Aufgabe zugrunde* eine Vorrichtung für die Messung der Schraubenvorspannung zu entwickeln, welche geeignet ist» Schrauben mit geringer Abweichung vom Sollwert der Schraubenvorspannung in der Serienfertigung anzuziehen:, ohne den störenden Einfluß einer Kabelverbindung in Kauf zu nehmen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch,, daß die Ankopplung des Prüfkopfes an das Ultraschallgerät und den Rechner berührungsfrei über eine die Schraubennuß konzentrisch umgebende Einrichtung erfolgt, und daß die Schraubennuß an ihrem dem Schraubenkopf abgewandten Ende drehmomentschlüssig mit einer Antriebsspindel gekoppelt ist*

Durch die berührungsfreie Ankopplung wird die übertragung von Ultraschall-Impulsen vom Ultraschallgerät in den Schraubenschaft und die Rückführung der reflektierten Impulse zum Ultraschallgerät und zum Rechner möglich» ohne daß die Signale durch variable Öbergangswiderstände wie beispielsweise Schleifringe verfälscht werden,, und ohne daß eine für die Serienfertigung unbrauchbare Kabelverbindung notwendig wäre*

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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Einrichtung aus einer Rotor- und Statorspule gebildet wird, welche die Schraubennuß Q-ringförmig und konzentrisch mit Luftspalt umgeben, daß dabei die Rotorspule mechanisch drehfest mit der Schraubennuß und elektrisch fest mit dem Prüfkopf verbunden ist, und daß die Statorspule über ein Lager drehbar, aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß gelagert ist sowie die Statorspule elektrisch über eine Leitung an das Ultraschallgerät und den Rechner angekoppelt ist·

Durch die induktive übertragung der Impulse werden Meßungenauigkeiten, wie sie durch variable Obergangswiderstände bei Schleifringen unvermeidbar sind:, vermieden. Dadurch, daß bei der induktiven Übertragung ein Kabel als feste Verbindung entfallen kann, wird die Meßvorrichtung freizügig verwendbar. Die Schraubennuß kann bei automatischer Fertigung ohne Einschränkung auf die Schrauben aufgesetzt werden und verbleibt dort bis der Schraubvorgang durch Erreichen der gewünschten Vorspannung abgeschlossen ist* Dies beinhaltet auch den Vorteil;-, daß die Ankopplung des Prüfkopfes an den Schraubenkopf stets gleich bleibt und nicht etwa dadurch verändert wird·, daß die Schraubennuß zum Messen aufgesetzt und später wieder abgesetzt werden muß.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung zeichnet sich dadurch aus», daß die Einrichtung aus einer Rotor- und Statorelektrode gebildet wird, welche die Schraubennuß O-ringförmig und konzentrisch mit Luftspalt umgeben, daß dabei die Rotorelektrode mechanisch drehfest aber elektrisch isoliert mit der Schraubennuß verbunden ist, wobei die Rotorelektrode elektrisch mit dem Prüfkopf in Verbindung steht, und daß

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bb b -4-

die Statorelektrode über ein Lager drehbar aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß gelagert ist sowie die Statorelektrode elektrisch über eine Leitung an das Ultraschallgerät und den Rechner angekoppelt ist«

Durch die kapazitive Ankoppelung kann ebenso wie bei der induktiven Ankoppelung auf eine nicht lösbare, störende Kabelverbindung verzichtet werden« Der freizügige Einsatz für die Serienfertigung ist somit gegeben«

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen Prüfkopf und Schraubenkopf ein Distanzring eingelegt ist, und daß dieser Distanzring durch eine Bohrung zentrisch gegenüber der Prüfsonde gehalten ist.

Durch das Einlegen eines kreisförmigen Distanzringes zwischen Prüfkopf und Schraubenkopf kann der Spalt zwischen beiden konstant gehalten werden und damit auch die Ankoppelung· Dies gilt sowohl für die Ankoppelung eines piezoelektrischen Ultraschallschvvingers mittels Koppelungsmedium-, als auch bei der Anwendung von Prüfköpfen, welche nach dem elektrodynamischen Prinzip über einen Luftspalt angekoppelt sind*

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zur Einhaltung des Ankoppelspaltes besteht darim, daß das Gehäuse des Prüfkopfes zum Schraubenkopf hin als Schneide zulaufend zur Einhaltung eines Ankoppelspaltes ausgebildet ist.

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η h h O -5-

W -w w w

Ausführunasbeispiel

Ein AusfUhrungsbeispiel ist in Zeichnungen dargestellt* Es zeigen:

Fig» 1: Schraubennuß mit eingebautem Prüfkopf und induktiver Ankoppelung auf Schraubenkopf aufgesetzt,

Fig, 2: Schraubennuß mit eingebautem Prüfkopf und kapazitiver Ankoppelung,

Fig* 3: Prüfsonde im Detail mit Distanzring zur Definition der Ankoppelung«

In Fig. 1 ist eine auf einem Schraubenkopf 1 aufgesetzte Schraubennuß 2 dargestellt, wobei ein Prüfkopf 3 unmittelbar in die Schraubennuß 2 so eingebaut ist, daß der Prüf kopf 3 über eine Feder 4 konstant und zentrisch an den Schraubenkopf 1 angepreßt wird«. Zur übertragung von Ultraschall-Impulsen von einem Ultraschallgerät 5 an den Prüfkopf 3 und die Rückführung von reflektierten Ultraschall-Impulsen von dem Prüfkopf 3 an einen Rechner 6 ist eine Einrichtung 7 vorgesehen, welche im dargestellten Beispiel nach dem induktiven Prinzip arbeitet und eine berührungsfreie übertragung von dem Prüfkopf 3 über Leitung 8 an das Ultraschallgerät 5 und den Rechner 6 zur Auswertung zuläßt. Die induktiv arbeitende Einrichtung 7 besteht aus einer drehfest und konzentrisch auf der Schraubennuß 2 aufgesetzten Rotorspulte 9 und eine diese mit Luftspalt konzentrisch umgebende Statorspule 10, welche zur Aufrechterhaltung des konstanten Luftspaltes gegenüber der Rotorspule 9 in einem Lager 11 geführt ist«

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6 - 6 -

Zum Antrieb der Schraubennuß 2 ist diese an ihrem oberen Ende mit einer Antriebsspindel 12 drehmomentschlüssig verbunden. Um genau definierte Ankoppelungswerte zu haben, ist zwischen Prüfkopf 3 und dem Schraubenkopf 1 ein kreisförmiger Distanzring 13 eingelegt» welcher die Einhaltung eines konstanten Ankoppelspaltes zwischen beiden gewährleistet« Beim eigentlichen Meßvorgang während des Anziehens einer Schraube 14 werden die Ultraschall-Impulse vom Ultraschallgerät 5 ausgehend über die Leitung 8 auf die Statorspule und von dieser induktiv über den Luftspalt auf die Rotorspule 9 und den damit starr verbundenen Prüfkopf 3 übertragen» Nach dem Durchlaufen der Schraube 14 werden die Ultraschall-Impulse an ihrem freien Ende reflektiert und gelangen auf dem selben Weg -wie sie gekommen sind, in das Ultraschallgerät 5 zurück und werden von dort zur Auswertung an den Rechner 6 geleitet, in dem die Dehnung der Schraube 14 und aus dieser wiederum ihre Vorspannung ermittelt wird«

Alternativ zu der in Fig» 1 gezeigten induktiven Ankoppelung kann als berührungsfreie Einrichtung 7 nach Fig. 2 auch eine kapazitive Ankoppelung zur Anwendung kommen« Die Rotor- und Statorspulen 9; 10 sind lediglich durch Rotor- und Statorelektroden 9a; 10a zu ersetzen« Im Falle der kapazitiven Ankoppelung muß Vorsorge getroffen werden-, daß durch besondere Isolation eine leitende Verbindung von Rotor- und Statorelektroden 9a,· 10a über Lager 11 vermieden wird«

Eine detaillierte Darstellung des Prüfkopfes 3 mit Schraubenkopf 1 und einem definierten Ankoppelspalt 15 ist in Fig* 3 dargestellt« Der Ankoppelspalt 15 wird im gezeigten

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Beispiel nicht durch den Distanzring 13, sondern durch ein in eine Schneide 16 auflaufendes Gehäuse 17 des Prüfkopfes 3 eingestellt. Der Prüfkopf 3 beinhaltet einen piezoelektrischen Schwinger oder auch eine elektrodynamische Sonde.

Claims

15, 4. 82 60 116 16 6 6 8 1 δ - 8 - Erf induncjsanspruch

1» Vorrichtung zur Messung der Schraubenvorspannung nach dem Ultraschall-Impuls-Echo-Verfahren _t gekennzeichnet dadurch* daß eine Prüfsonde unmittelbar in eine Schraubennuß eingebaut ist und auf einen Schraubenkopf mit geringem Ankoppelspalt aufgesetzt ist, wobei der Prüfkopf elektrisch an ein Ultraschallgerät und einen Rechner angekoppelt ist;, gekennzeichnet dadurch, daß die Ankoppelung des Prüfkopfes (3) an das Ultraschallgerät (5) und den Rechner (6) berührungsfrei über eine die Schraubennuß (2) konzentrisch umgebende Einrichtung (7) erfolgt:,, und daß die Schraubennuß (2) an ihrem» dem Schraubenkopf (1) abgewandten Ende drehmomentschlüssig mit einer Antriebsspindel (12) gekoppelt ist,

2* Vorrichtung nach Punkt Iy gekennzeichnet dadurch;, daß die Einrichtung (7) aus einer Rotor- und Statorspule (9; 10) gebildet wirdt, welche die Schraubennuß (2) 0-ringförmig und konzentrisch mit Luftspalt umgeben, daß dabei die Rotorspule (9) mechanisch drehfest mit der Schraubennuß (2) und elektrisch fest mit dem Prüfkopf (3) verbunden ist-, und daß die Statorspule (10) über ein Lager (11) drehbar^ aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß (2) gelagert ist sowie die Statorspule (10) elektrisch über eine Leitung (8) an das Ultraschallgerät (5) und den Rechner (5) angekoppelt ist··

3», Vorrichtung nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch:, daß die Einrichtung (7) aus einer Rotor- und

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•15· 4. 82 60 116 16

— g —

Statorelektrode (9a; 10a) gebildet wird,, welche die Schraubennuß (2) O-ringförmig und konzentrisch mit Luftsaplt umgeben, daß dabei die Rotorelektrode (Sa) mechanisch drehfest aber elektrisch isoliert mit der Schraubennuß (2) verbunden ist, wobei die Rotorelektrode (9a) elektrisch mit dem Prüfkopf (3) in Verbindung steht', und daß die Statorelektrode (10a) über ein Lager (11) drehbar aber in axialer Richtung unverschiebbar auf der Schraubennuß (2) gelagert ist sowie die Statorelektrode (10a) elektrisch über eine Leitung (8) an das Ultraschallgerät (5) und den Rechner (6) angekoppelt ist·

4· Vorrichtung nach den Punkten 1 bis 3-, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Prüfkopf (3) und Schraubenkopf (1) ein Distanzring (13) eingelegt ist, und daß dieser Distanzring (13) durch eine Bohrung (18) zentrisch gegenüber dem Prüfkopf (3) gehalten ist*

5» Vorrichtung nach den Punkten 1 bis 3>, gekennzeichnet dadurch», daß das Gehäuse (17) des Prüfkopfes (3) zum Schraubenkopf (1) hin als Schneide (16) zulaufend zur Einhaltung eines Ankoppelspaltes (15) ausgebildet ist»

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen