DE10127821C1

DE10127821C1 - Anordnung zum Betrieb eines Elektro-Schraubers

Info

Publication number: DE10127821C1
Application number: DE10127821A
Authority: DE
Inventors: Christian Sack; Ronny Thielens
Original assignee: TOOL EXPRESS SERVICE SCHRAUBER
Current assignee: TOOL EXPRESS SERVICE SCHRAUBER
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE10127821C5; EP1270150B1; EP1270150A3; ATE303233T1; DE50204058D1; EP1270150A2; ES2248441T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, umfassend einen Akkuschrauber mit einem Energiespeicher und einer Abschaltkupplung sowie einer mit dem Schrauber verbundenen Steuerung zumindest zur Erfassung und Übertragung von Betriebsdaten des Schraubers, die über eine drahtlose Übertragungsstrecke mit einer Basisstation zumindest zur Übertragung und Verarbeitung der Betriebsdaten kommuniziert. DOLLAR A Um eine einfach nachrüstbare Anordnung unter Verwendung eines herkömmlichen nicht kabelgebundenen Akkuschraubers vorzuschlagen, die zumindest eine Kontrolle der Anzahl der durchgeführten Verschraubungen ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass DOLLAR A - die Übertragungsstrecke eine Funkstrecke ist, DOLLAR A - die Steuerung einen mit einer Mikrocontroller-Einheit verbundenen Funk-Sender sowie einen Funk-Empfänger zur bidirektionalen Übertragung von Funksignalen aufweist, DOLLAR A - die Mikrocontroller-Einheit mit einem Kontakt des Motors und mit dem Schaltkontakt der Abschaltkupplung verbunden ist, und DOLLAR A - die Basisstation einen Funk-Sender und einen Funk-Empfänger zur bidirektionalen Übertragung von Funksignalen sowie eine Mikrocontroller-Einheit zumindest zur Verarbeitung, Übertragung und Ausgabe der Betriebsdaten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend einen elek trisch angetriebenen, von einem Gehäuse umgebenen Schrauber mit einem elektrochemischen Energiespeicher, einer Abschalt kupplung mit einem bei Erreichen eines Drehmomentsollwertes betätigtem Schaltkontakt, einer mit dem Schrauber verbundenen Steuerung zumindest zur Erfassung und Übertragung von Be triebsdaten des Schraubers, die über eine drahtlose Übertra gungsstrecke mit einer Basisstation zumindest zur Übertragung und Verarbeitung der Betriebsdaten kommuniziert.

Die Datenerfassung und die Steuerung der Herstellung von Schraubverbindungen in automatisierten Prozessen ist für die Qualitätssicherung des verschraubten Objektes von besonderer Bedeutung, da insbesondere ausgelassene Schraubverbindungen, beispielsweise in Folge von Arbeitsunterbrechungen, vielfach zunächst nicht auffallen, insbesondere wenn sie einer Sicht kontrolle entzogen sind. Fehlende Schraubverbindungen machen sich jedoch häufig nach längerem Gebrauch des Objektes stö rend bemerkbar. Dies kann z. B. in der Automobilproduktion zu unerwünschten Klappergeräuschen und damit kostspieligen Nach besserungen führen.

In der bandgesteuerten Automobilproduktion kommen Elektroschrauber mit Schraubersteuerungen als kabelgebundene Systeme zum Einsatz. Sollparameter der Verschraubung, wie beispielsweise das maximale Anzugsmoment, werden in die Schraubersteuerung eingegeben, die den Elektroschrauber in Abhängigkeit der Sollparameter steuert. Die Schrauber steuerung erfasst, ob eine Verschraubung stattgefunden hat und die Sollparameter eingehalten wurden. Die erfassten Sig nale werden an die Liniensteuerung in der Automobilproduktion zurückgemeldet.

Außerdem kommen in der Automobilproduktion nicht kabelgebun dene Akkuschrauber zum Einsatz, die eine Abschaltkupplung aufweisen. Die Abschaltkupplung unterbricht bei Erreichen ei nes Drehmomentsollwertes die Stromversorgung des Motors des Akkuschraubers. Die Akkuschrauber haben gegenüber den kabel gebunden Elektroschraubern den entscheidenden Vorteil der völligen Bewegungsfreiheit. Eine Kontrolle, ob sämtliche Ver schraubungen an einem Objekt durchgeführt wurden, ist aber nicht möglich. Akkuschrauber werden daher zumeist nur zur Be festigung von Kunststoffteilen im Motor- oder Innenraum des Fahrzeuges eingesetzt, die keine besondere Steuerung und Kon trolle der Verschraubung erfordern.

Aus der EP 1068931 A2 ist schließlich eine Anordnung bestehend aus einem Schrauber und einer Kontrollstation bekannt. In den Schrauber ist eine Mikroprozessoreinheit für die Steuerung und Erfassung des Schraubbetriebs und eine Transpondereinheit integriert, die mit einem Decoder in der Kontrollstation kommuniziert, wobei Steuerungsbefehle von der Kontrollstation an den Transponder des Schraubers und von dem Transponder die erfassten Daten an den Decoder übertragen werden. Für die Da tenübertragung wird eine Transpondereinheit als erforderlich angesehen, da die Datenübertragung über eine Funkverbindung als zu unsicher gilt und eine Interferenz mit anderen Schrau bern befürchtet wird.

Aus der DE 196 20 782 A1 ist ein Elektroschrauber bekannt, bei dem von einer elektronischen Steuerung das Drehmoment des Schraubers überwacht wird. Dies erfolgt durch Auswerten des beim Antrieb des Schraubers fließenden Stroms, der proportio nal zum Drehmoment ist. Die Auswertung erfolgt derart, dass von der Elektronik das Steigungsmaß des zeitlichen Verlaufs des Drehmoments erfasst wird. Nach einem bestimmten vorgege benen Drehmomentverlauf wird durch die Elektronik eine Ab schaltung des Schraubers ausgelöst. Die Schraubergebnisse werden in einem Schaltkreis des Schraubers gespeichert und nach der Verschraubung an eine stationäre Steuereinheit zur Auswertung und/oder Dokumentation übermittelt. Die Übermitt lung der Schraubergebnisse erfolgt drahtlos, beispielsweise über Infrarotlicht.

Bei sämtlichen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, wird das Anzugsmoment der Schrauben mittels gesonderter Dreh momentsensoren und/oder mit einer Auswerteelektronik erfasst und die Abschaltung des Schraubers elektronisch ausgelöst. Für die Datenübertragung zwischen den Schraubern und den je weiligen Basisstationen werden Transponder bzw. Infrarotüber tragungen vorgeschlagen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Aufwand, insbesondere geringem Verdrahtungsaufwand herstellbare oder nachrüstbare Anordnung unter Verwendung eines herkömmlichen, nicht kabel gebundenen Akkuschraubers vorzuschlagen, die zumindest eine Kontrolle der Anzahl der durchgeführten Verschraubungen er möglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass

- die Übertragungstrecke eine Funkstrecke ist,
- die Steuerung einen mit einer Mikrocontrollerein heit verbunden Funk-Sender sowie einen Funk- Empfänger zur bidirektionalen Übertragung von Funksignalen aufweist,
- die Mikrocontroller-Einheit mit einem Kontakt des Motors und mit dem Schaltkontakt der mechanischen Abschaltkupplung verbunden ist, und
- die Basisstation einen Funk-Sender und einen Funk-Empfänger zur bidirektionalen Übertragung von Funksignalen sowie eine Mikrocontrollereinheit zumindest zur Verarbeitung, Übertragung und Ausgabe der Betriebsdaten aufweist.

Die eine bidirektionale Übertragung erlaubende Funkstrecke ermöglicht die Übertragung eines Protokolls, das die Funk übertragung der Daten zwischen der Steuerung und der Basis station regelt. Infolgedessen ist eine komplexe Transponder technik für die Datenübertragung nicht erforderlich.

Der Verdrahtungsaufwand zwischen der Steuerung und dem elekt rischen Schrauber ist minimal. Im einfachsten Fall ist ledig lich die Mikrocontroller-Einheit mit einem Kontakt des Mo tors und mit dem Schaltkontakt der Abschaltkupplung sowie der Stromversorgung des Schraubers verbunden, welche somit auch das Modul mit Strom versorgt.

Bereits diese Verdrahtung ermöglicht die Erfassung der Be triebsdaten über das Ein- und Ausschalten des Motors und das Erreichen des Solldrehmomentes der Abschaltkupplung. Diese Betriebsdaten sind bereits ausreichend, um für ein zu verschraubendes Objekt festzustellen, ob sämtliche Schraub verbindungen mit dem geforderten Solldrehmoment hergestellt wurden. Die Steuerung erlaubt in dieser Verdrahtung bereits die Erkennung eines sogenannten "Double Hit", dass heißt, dem nochmaligen Versuch, eine schön bis zum Erreichen des Soll drehmomentes durchgeführte Schraubverbindung erneut zu ver schrauben. Hierzu muss in die Steuerung eine Zeiterfassung integriert sein, die die Zeit zwischen Einschalten des Motors und dem Erreichen des Solldrehmomentes erfasst. Unterschrei tet die, gemessene Zeit eine festgelegte Mindestzeit für die Durchführung einer vollständigen Verschraubung, d. h. der Drehmomentanstieg ist sehr schnell, erkennt die Steuerung die Schraube als bereits verschraubt.

Die Verwendung der Funktechnik in Verbindung mit dem geringen Verdrahtungsaufwand, erlauben die Zusammenfassung der Steuerungskomponenten in einem Modul. Das Modul ist bei spielsweise durch Anschrauben an dem Gehäuse eines herkömm lichen Akkuschraubers und Herstellen der wenigen Kabelverbin dungen problemlos nachrüstbar.

Die Basisstation überträgt und verarbeitet die Betriebsdaten und gibt diese beispielsweise über eine Schnittstelle an eine Liniensteuerung in der Automobilherstellung aus.

Wenn die Mikrocontrollereinheit der Steuerung Steuersignale für einen Schalter zur Unterbrechung der Energieversorgung des elektrischen Antriebs erzeugt, lässt sich in Verbindung mit der bidirektionalen Funkstrecke der Schrauber in Abhän gigkeit des Bandzustandes oder des Arbeitsfortschrittes an einer Produktionslinie ein- und ausschalten.

Die Steuerung und/oder die Basisstation weisen in einer vor teilhaften Ausgestaltung der Erfindung mindestens einen ins besondere akustischen oder optischen Signalgeber auf, der beispielsweise eine korrekte Verbindung, die sogenannte "IO- Verschraubung" signalisiert. Eine korrekte Verbindung liegt vor, wenn das Solldrehmoment erreicht wurde. Weiterhin kann die Betriebsbereitschaft des Schraubers, der Ladezustand des Energiespeichers oder eine gestörte Funkstrecke signalisiert werden.

Eine an dem Modul angeordnete Lichtquelle ermöglicht die Aus leuchtung der Schraubstelle, wobei die Steuerung die Beleuch tung zur Schonung des Energiespeichers vorzugsweise nur wäh rend des Verschraubens mit Strom versorgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung das Zusammenwirken eines auf einem Akkuschrauber angeordneten Funk- Steuerung mit einer Basisstation

Fig. 2a) eine Seitenansicht des Akkuschraubers mit einem darauf angeordneten Funk-Steuerung

Fig. 2b) sowie eine Vorderansicht einer zugehörigen Basis station.

Der insgesamt mit 1 bezeichnete, herkömmliche Akkuschrauber besteht im wesentlichen aus einem Akku A der einen Motor M über Leitungsverbindungen 2, 3 mit Strom versorgt. Zwischen dem Akku A und dem Motor M befindet sich eine Steuerlogik S zum Herstellen und Unterbrechen der Stromzufuhr vom Akku zum Motor. Optional ermöglicht die Steuerlogik S eine Stromrich tungsumkehr zwischen Akku A und Motor M sowie eine Verän derung der Drehzahl des Motors M. Über mindestens ein Bedien element B lassen sich die verschiedenen Steuerfunktionen der Steuerlogik S auslösen.

An den Motor M ist ein Getriebe G angeflanscht, über das die herabgesetzte Motordrehzahl auf eine Werkzeugaufnahme W über tragen wird. Zwischen dem Getriebe G und der Werkzeugaufnahme W ist eine mechanische Abschaltkupplung K mit einem nicht dargestellten elektrischen Schaltkontakt angeordnet, der bei Erreichen eines Drehmomentsollwertes geöffnet wird. Der elektrische Schaltkontakt ist über Leitungsverbindungen 4 mit einem Eingang 5 der Steuerlogik S verbunden. Wird der Schalt kontakt bei Erreichen des Drehmomentsollwertes geöffnet, un terbricht die Steuerlogik S unabhängig von dem Bedienelement B die Stromversorgung des Motors M. Hierdurch wird ein zu hohes Anzugsdrehmoment der Verschraubung verhindert.

Auf der Oberseite des Akkuschraubers 1 ist eine insgesamt mit 6 bezeichnete Steuerung angeschraubt, die über eine Funk strecke mit einer insgesamt mit 7 bezeichneten Basisstation kommuniziert. Die Steuerung 6 und die Basisstation 7 weisen hierzu jeweils einen Funk-Sender TX1, TX2 sowie einen Funk- Empfänger RX1, RX2 zur bidirektionalen Übertragung der Funk signale auf. Jeweils ein Mikrocontroller L1, L2 in der Steuerung 6 sowie der Basisstation 7 stellen die geregelte Übertragung der Funksignale sicher und erzeugen Steuersig nale.

Der Mikrocontroller L1 der Steuerung 6 erzeugt Steuersignale für ein Unterbrecher-Relais R in der Leitungsverbindung 2 zwischen dem Akku A und der Steuerlogik S sowie für einen an den Mikrocontroller L1 angeschlossenen Signalgeber M1. Die Steuersignale werden über Leitungsverbindungen 8, 9 übertra gen. Ein Eingang 11 des Mikrocontrollers L1 ist über eine Leitungsverbindung 14 mit einem Kontakt des Motors M verbun den. Ein weiterer Eingang 12 des Mikrocontrollers L1 ist über eine Leitungsverbindung 13 unmittelbar mit dem Schaltkontakt der Abschaltkupplung K verbunden.

Der Mikrocontroller L2 erzeugt Steuersignale für eine an die Basisstation 7 angeschlossene Bandsteuerung 15 einer Automo bilproduktion sowie für einen an den Mikrocontroller L2 ange schlossenen Signalgeber M2. Die Steuersignale werden über Leitungsverbindungen 16, 17 übertragen. Ein Eingang 18 des Mikrocontrollers L2 ist über eine Leitungsverbindung 19 mit der Bandsteuerung 15 verbunden.

Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet wie folgt:
Die Bandsteuerung 15 überträgt über die Leitungsverbindung 19 zu dem Eingang 18 an der Basisstation 7 ein Signal "Enable", wenn ein neues zu verschraubendes Objekt mit einer definier ten Anzahl von Schraubverbindungen eingetroffen ist. Dieses Signal wird von dem Mikro-Controller L2 ausgewertet und über den Sender TX2 an den Empfänger RX1 zu dem Steuerung 6 gesen det. Der Mikrocontroller L1 wertet das eingehende Signal aus und schaltet über die Verbindungsleitung 8 mittels des Unter brecher-Relais R die Stromzufuhr zum Motor M ein. Zusätzlich generiert der Mikrocontroller L1 ein Signal, das über den Signalgeber M1, z. B. ein Summer oder eine Leuchtdiode, die Betriebsbereitschaft des Akkuschraubers anzeigt.

Durch Abfragen der Eingänge 11, 12 ist dem Mikrocontroller L1 bekannt, ob der Motor M ein- oder ausgeschaltet ist und ob die Abschaltkupplung K das Solldrehmoment erreicht hat. Diese Informationen erlauben die Erkennung des Betriebszustandes des Akkuschraubers und der Herstellung einer Schraub verbindung bis zum Erreichen des Solldrehmomentes. Bei einer korrekten, sogenannten "IO-Verschraubung" wird ein Signal von dem Mikrocontroller L1 erzeugt, das über den Signalgeber M1 angezeigt und über den Sender TX1 zu dem Empfänger RX2 der Basisstation übertragen wird.

Die Basisstation 7 zeigt die erkannte "IO-Verschraubung" ebenfalls über ihren Signalgeber M2 an und überträgt das Sig nal über die Leitungsverbindung 17 an die Bandsteuerung 15. Wurde die Durchführung sämtlicher für das Objekt vorgesehenen Schraubverbindungen an die Bandsteuerung 15 signalisiert, überträgt die Bandsteuerung 15 an den Eingang 18 der Basis station 7 ein Signal zum Abschalten des Akkuschraubers 1, das über die Funkstrecke zur Steuerung 6 des Akkuschraubers 1 ge sendet wird.

Der Mikrocontroller L1 erkennt das Abschaltsignal und unter bricht über das Unterbrecherrelais R die Stromzufuhr zum Mo tor M. Gleichzeitig wird die erfolgreiche Herstellung sämt licher Schraubverbindungen mittels des Signalgebers M1 ange zeigt.

Fig. 2a zeigt eine Seitenansicht eines herkömmlichen Akku schraubers 1 mit einer nachgerüsteten Steuerung 6 und einer in Fig. 2b dargestellten, im Abstand von dem Akkuschrauber aufgestellten Basisstation 7. Die Basisstation 7 weist an ihrer Gehäusevorderseite einen Steckplatz 21 zur Aufnahme ei ner elektrische Konnektoren aufweisenden Einsteckkarte 22 auf. Auf der Einsteckkarte 22 befindet sich der Mikro controller L2 der Basisstation 7, der mit deren übrigen Bau teilen über die elektrischen Konnektoren durch Einschieben in den Einsteckplatz in Verbindung bringbar ist. Indem in dem Mikrocontroller L1 jedes Akkuschraubers 1 eine elektronische Identifikation, beispielsweise in Form einer Serien-Nr. ge speichert ist, und zu jedem Akkuschrauber 1 eine Einsteck karte 22 mit einer korrespondierenden elektronischen Identi fikation gehört, ist jeder Akkuschrauber 1 mit solchen Ein steckkarte 22 an beliebigen Basisstationen 7 ohne Pro grammieraufwand einsetzbar.

Bezugszeichenliste

1

Akkuschrauber

2

Leitungsverbindungen

3

Leitungsverbindungen

4

Leitungsverbindungen

5

Eingang

6

Steuerung

7

Basisstation

8

Leitungsverbindungen

9

Leitungsverbindungen

10

-

11

Eingang

12

Eingang

13

Leitungsverbindungen

14

Leitungsverbindungen

15

Bandsteuerung

16

Leitungsverbindungen

17

Leitungsverbindungen

18

Eingang

19

Leitungsverbindungen

20

-

21

Steckplatz

22

Einsteckkarte
A Akku
B Bedienelement
S Steuerlogik
M Motor
G Getriebe
K Abschaltkupplung
W Werkzeugaufnahme
TX1, 2 Funk-Sender
RX1, 2 Funk-Empfänger
L1, 2 Mikrocontroller
M1, 2 Meldeleuchten, akustische Signalgeber, Schraub stellenbeleuchtung
R Unterbrecher-Relais

Claims

1. Anordnung umfassend einen elektrisch angetriebenen, von einem Gehäuse umgebenen Schrauber mit einem elektroche mischen Energiespeicher, einer Abschaltkupplung mit einem bei Erreichen eines Drehmomentsollwertes betätigtem Schaltkontakt, einer mit dem Schrauber verbundenen Steuerung zumindest zur Erfassung und Übertragung von Be triebsdaten des Schraubers, die über eine drahtlose Über tragungsstrecke mit einer Basisstation zumindest zur Übertragung und Verarbeitung der Betriebsdaten kommuni ziert, dadurch gekennzeichnet, dass
die Übertragungstrecke eine Funkstrecke ist,
die Steuerung (6) einen mit einer Mikrocontroller einheit (L1) verbunden Funk-Sender (TX1) sowie einen Funk-Empfänger (RX1) zur bidirektionalen Übertragung von Funksignalen aufweist,
die Mikrocontroller-Einheit (L1) mit einem Kontakt des Motors (M) und mit dem Schaltkontakt der mechani schen Abschaltkupplung (K) verbunden ist, und
die Basisstation (7) einen Funk-Sender (TX2) und ei nen Funk-Empfänger (RX2) zur bidirektionalen Übertra gung von Funksignalen sowie eine Mikrocontrollerein heit (L2) zumindest zur Verarbeitung, Übertragung und Ausgabe der Betriebsdaten aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile der Steuerung (6) in einem Modul zu sammengefasst sind, das von außen an dem Gehäuse des Schraubers (1) befestigt ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrocontrollereinheit (L1) der Steuerung (6) Steuersignale für einen Schalter (R) zur Unterbrechung der Energieversorgung des elektrischen Antriebs (M) er zeugt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Steuerung (6) und/oder die Basis station (7) mindestens einen Signalgeber (M1, M2) aufwei sen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass an dem Modul mindestens eine Licht quelle angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Basisstation (7) ein Aufnahme (21) für ein elektrische Konnektoren aufweisendes Einschubele ment (22) aufweist, auf dem die Mikrocontrollereinheit (L2) der Basisstation (7) angeordnet ist und das mit den übrigen Bauteilen der Basisstation über die elektrischen Konnektoren durch Einschieben in die Aufnahme (21) in Verbindung bringbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das in einem Speicherbereich der Mikrocontrollereinheit (L1) der Steuerung (6) und in einem Speicherbereich der Mikro controllereinheit (L2) des Einschubelementes (22) korres pondierende elektronische Identifikationen gespeichert sind, die über die bidirektionale Funkverbindung zwischen der Steuerung (6) zu der zugehörigen Basisstation (7) übertragbar sind.

8. System bestehend aus mehreren Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funk frequenz der Funk-Sender (TX1, TX2) und Funk-Empfänger (RX1, RX2) sämtlicher Anordnungen übereinstimmt, wobei ein in den Speicherbereichen der Mikrocontrollereinheiten (L1, L2) gespeichertes Protokoll, insbesondere durch Über tragen der elektronischen Identifikationen nach Anspruch 7, eine eindeutige Zuordnung der zu übertragenden Signale zwischen der Steuerung (6) und der zugehörigen Basissta tion (7) jeder Anordnung sicherstellt.