DE102004017979A1

DE102004017979A1 - Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines Teiles

Info

Publication number: DE102004017979A1
Application number: DE102004017979A
Authority: DE
Inventors: Ulf Sittig; Günter Andres; Bernd Thelen; P. H. Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Wagner Vermoegensverwaltungs GmbH and Co KG
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-11-03
Also published as: DK1737619T3; US20090000397A1; DE502005007509D1; WO2005099964A1; ES2328832T3; US7743673B2; JP5094386B2; EP1737619A1; EP1737619B1; ATE433835T1; PL1737619T3; JP2007532331A

Abstract

Ein Kraftschrauber (10) zum Drehen einer Schraube wird von einem Hydraulikaggregat (25) versorgt, das eine Verdrängerpumpe (26) enthält und einen definierten Mengenstrom liefert. Der Druck in einer hydraulischen Druckleitung (28) wird mit einem Drucksensor (32) gemessen und an ein Steuergerät (31) gegeben. Der Volumenstrom des Hydraulikaggregats (25) wird in Menge pro Zeiteinheit bestimmt. Da das Füllvolumen des Hydraulikzylinders bekannt ist, kann der Kolbenweg pro Zeiteinheit bestimmt werden. Der Kolben wirkt auf ein Hebelsystem, das das bewegbare Teil dreht. Da die Hebellänge bekannt ist, kann der Drehwinkel pro Zeiteinheit bestimmt werden. Dies ermöglicht es, ohne Winkelmesseinrichtung auszukommen und den Drehwinkel allein durch Druckmessung zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines drehbaren Teiles unter Verwendung eines hydraulischen Kolbenzylinderantriebs und einer Ratsche, und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines hydraulischen Kraftschraubers.

In WO 03/013797 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines inter- mittierenden Schraubvorganges beschrieben, bei dem ein hydraulischer Kraftschrauber, der eine Kolbenzylindereinheit aufweist, in mehreren Hüben eine Schraube anzieht. Der Schraubvorgang ist unterteilt in einen Drehmomentmodus, der bis zum Erreichen eines vorgegebenen Fügemoments durchgeführt wird, und einen Drehwinkelmodus bei dem, beginnend mit dem Fügemoment, die Schraube um einen vorbestimmten Drehwinkel weitergedreht wird. Der Kraftschrauber ist mit einem Drehmomentsensor und einem Drehwin kelsensor ausgestattet. Solche Sensoren stellen einen zusätzlichen Aufwand dar und haben zur Folge, dass nur bestimmte Kraftschraubertypen zur Durchführung des Verfahrens verwendbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines drehbaren Teiles anzugeben, das keinen Winkelsensor benötigt und daher einfach und ohne Beschränkung auf einen bestimmten Kolbenzylinderantrieb durchführbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines drehbaren Teiles unter Verwendung eines hydraulischen Kolbenzylinderantriebs und einer Ratsche weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.

Erfindungsgemäß wird vor einem Arbeitslauf der Drehvorrichtung die Drehwinkelgeschwindigkeit als Beziehung zwischen Drehwinkel und Drehzeit bei einem dem Linearantrieb zugeführten definierten Mengenstrom ermittelt. Anschließend erfolgt bei einem Arbeitslauf die Versorgung des Linearantriebes mit definiertem Mengenstrom unter Messung der Zeitdauer.. Bei einem Drehwinkelmodus wird aus der Zeitdauer und der Drehwinkelgeschwindigkeit der Drehwinkel bestimmt.

Zur Durchführung dieses den Drehwinkelmodus betreffenden Verfahrens wird an der mechanischen Drehvorrichtung weder ein Sensor noch ein Messgerät benötigt. Was gemessen wird ist lediglich die Zeitdauer der Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit mit definiertem Mengenstrom. Die Messung der Winkeldrehung ist also auf eine Zeitmessung reduziert.

Vor einem Arbeitslauf wird in einem Kalibrierlauf, in dem dem Kolbenzylinderantrieb ein definierter Volumenstrom zugeführt wird, der "Drehwinkel pro Zeiteinheit" für diesen Volumenstrom bestimmt. Der Drehwinkel pro Zeiteinheit kann experimentell durch Messung des Drehwinkels ermittelt werden oder auch berechnet werden. Die Berechnung erfolgt in der Weise, dass aus dem Füllvolumen des Hydraulikzylinders, dem definierten Volumenstrom, der dem Kolbenzylinderantrieb zugeführt wird, und der Hebellänge des das drehbare Teil drehenden Hebelsystems der Drehwinkel pro Zeiteinheit berechnet wird. Selbstverständlich kann auch der reziproke Wert, nämlich die "Zeit pro Drehwinkelgrad" bestimmt werden. In jedem Fall wird eine Zeitmessung durchgeführt und die Drehung wird beendet, wenn die Zeitmessung das Überstreichen des gewünschten Winkelbereichs ergibt. Der gewünschte Drehwinkel kann vor Arbeitsbeginn programmiert werden. Durch einen Sollwert/Istwert-Vergleich kann nach Erreichen des gewünschten Drehwinkels abgeschaltet werden.

Der definierte Volumenstrom kann von einem Hydraulikaggregat erzeugt werden, das eine Verdrängerpumpe oder volumetrische Pumpe enthält, beispielsweise eine Zahnradpumpe. Eine volumetrische Pumpe liefert einen Volumenstrom, der der Pumpendrehzahl proportional ist. Durch Steuerung der Pumpendrehzahl kann ein gewünschter Mengenstrom erzeugt werden.

Der definierte Volumenstrom ist im einfachsten Fall ein konstanter Volumenstrom. Er kann nach einem vorgegebenen Zeitprogramm verändert werden oder in Abhängigkeit von einer Messgröße, beispielsweise dem Druck des Hydraulikmediums.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Durchführung des Drehwinkelmodus ein Drehmomentmodus ausgeführt, bei dem das drehbare Teil bis zum Erreichen eines Fügemoments gedreht wird, wobei die Versorgung des Kolbenzylinderantriebs mit definiertem Mengenstrom erfolgt. Der Drehmomentmodus wird beendet, wenn der am Kolbenzylinderantrieb aufgebaute Druck einen dem Fügemoment entsprechenden Wert erreicht hat. Hierbei wird zur Drehmomentmessung der Druck in den den Kolbenzylinderantrieb versorgenden Hydrauliksystem benutzt. Dieser Druck steigt proportional mit dem Widerstandsmoment des zu drehenden Teiles, so dass er für eine Drehmomentmessung benutzt werden kann. Eine Drehmomentmessung ist allerdings zu den Zeitpunkten nicht möglich, in denen der Kolben des Kolbenzylinderantriebs gegen den Endanschlag stößt. Dann muss die Antriebseinrichtung auf Rücklauf umgeschaltet werden, wodurch der Kolben seinen Rückhub durchführt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei unbelastetem Kolbenzylinderantrieb eine Grundkennlinie ermittelt wird, die den zeitlichen Verlauf des Druckes angibt und einen durch das Blockieren des Kolbenzylinderantriebs verursachten Anstiegsbereich aufweist. Eine Umsteuerung des Kolbenzylinderantriebs erfolgt dann, wenn die Steigung des zeitlichen Druckverlaufs bei dem aktuellen Arbeitslauf gleich der Steigung des Anstiegsbereichs der Grundkennlinie ist. Generell wird also das Blockieren des Kolbens am Ende eines Kolbenhubes dadurch erkannt, dass ein schneller Druckanstieg erfolgt. Wenn dies der Fall ist, wird der Rückhub des Kolbens eingeleitet, um anschließend den nächsten Kolbenhub zu beginnen. Auch hierzu ist lediglich eine Druckmessung des Hydraulikdruckes erforderlich. Ein Drehmomentsensor wird nicht benötigt.

Bei dem Drehwinkelmodus kann die Messung der Zeitdauer über mindestens zwei Kolbenhübe erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Beendigung eines Kolbenhubes der Messwert der Zeitdauer gespeichert und als Anfangswert für den nächsten Kolbenhub übernommen wird. Auf diese Weise erfolgt eine Akkumulierung der überstrichenen Drehwinkel, so dass der gewünschte Drehwinkel bei dem das Drehen beendet werden soll, mit hoher Genauigkeit ermittelt wird.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Diese Erläuterungen sind nicht so zu verstehen, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einschränken. Dieser wird vielmehr durch die Patentansprüche und deren Äquivalente bestimmt.
Es zeigen:
1 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer Schraubvorrichtung mit einem Hydraulikaggregat und einem Kraftschrauber zum Drehen einer Schraube, und
2 eine schematische Darstellung des Kraftschraubers, der den Kolbenzylinderantrieb enthält, und
3 ein Beispiel einer Grundkennlinie des Hydrauliksystems, das aus dem Druckaggregat, den Anschlussschläuchen und dem Kolbenzylinderantrieb besteht, und
4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs eines aus mehreren Kolbenhüben bestehenden Arbeitslaufes.
In den 1 und 2 ist schematisch ein Kraftschrauber 10 dargestellt. Dieser weist einen hydraulischen Kolbenzylinderantrieb 11 mit einem Hydraulikzylinder 12 und einem darin bewegbarem Kolben 13 auf. Der Kolben ist mit einer Kolbenstange 14 verbunden, und das Ende der Kolbenstange greift an einem Hebel 15 an, welcher mit einer Rastklinke 15a an der Verzahnung eines Ratschenrades 17 angreift. Das Ratschenrad 17 ist Bestandteil eines Ringstücks 18, das eine Fassung 19 zum Einstecken einer Schlüsselnuss oder eines zu drehenden Schraubkopfes aufweist. Durch hin- und hergehendes Bewegen des Kolbens 13 wird das Ringstück 18, und mit diesem die Schraube gedreht. Das Ringstück 18 ist in einem Gehäuse 20 gelagert, das auch den Kolbenzylinderantrieb 11 enthält.
Der Druck für den Kolbenzylinderantrieb 11 wird von dem in 1 dargestellten Hydraulikaggregat 25 geliefert, das eine Verdrängerpumpe 26, z.B. eine Zahnradpumpe, einen drehzahlgesteuerten Synchronmotor und einen Tank enthält. Der Motor treibt die Pumpe 26 an. Das Hydraulikaggregat 25 ist einer Druckleitung 28 und einer Rücklaufleitung 29 angeschlossen. Diese beiden Leitungen sind über ein Steuerventil 30 mit dem Kolbenzylinderantrieb 11 verbunden. Durch Umschalten des Steuerventils 30 kann der Kolben 13 entweder vorwärts oder rückwärts bewegt werden.
Zur Steuerung des Hydraulikaggregats 16 und des Steuerventils 30 ist das Steuergerät 31 vorgesehen. Dieses enthält einen Frequenzumrichter, der eine variierbare Antriebsfrequenz für den Motor erzeugt. Das Steuergerät 31 bestimmt somit die Drehzahl der Pumpe 17. Die Pumpendrehzahl bestimmt den Volumenstrom Q, der der Druckleitung 28 zugeführt wird.
An der Druckleitung 28 ist ein Drucksensor 32 vorgesehen, der den Hydraulikdruck p in der Druckleitung misst. Der Drucksensor ist über eine Leitung 33 mit dem Steuergerät 31 verbunden.
In dem Steuergerät 31 ist die in 3 dargestellte Grundkennlinie GKL des Hydrauliksystems dargestellt, die den Druck p in Abhängigkeit von der Zeit t für einen bestimmten Volumenstrom (oder eine bestimmte Pumpendrehzahl) angibt. Für andere Volumenströme bzw. Pumpendrehzahlen kann diese Kurve entsprechend verschoben werden.
Die Grundkennlinie GKL wurde für den betreffenden Hydraulikkreislauf aus den selben Aggregaten und Schläuchen aufgenommen. Die Grundkennlinie ergibt sich bei einem Leerhub des Kolbens 13 mit konstantem Volumenstrom. Zuerst erfolgt in dem Abschnitt 35 ein kurzer Druckanstieg zur Überwindung der Reibung. Dann folgt ein Abschnitt 36 konstanten Druckes während des Leerhubes. Im Punkt 37 hat der Kolben den Endanschlag erreicht, so dass er nunmehr blockiert und in dem Abschnitt 38 ein linearer Druckanstieg erfolgt. Wenn der Maximaldruck p_max erreicht ist, erfolgt der Rückhub, bei dem der Druck am Drucksensor 32 auf Null heruntergeht. Der Abschnitt 38 bildet den Anstiegsbereich. Der Druckgradient
zwischen zwei Zeitpunkten wird gemessen und in dem Steuergerät 31 abgelegt.
4 zeigt einen Arbeitslauf des Kraftschraubers aus insgesamt 4 Kolbenhüben KH1 – KH4. Aufgetragen ist der Druckverlauf p des Drucksensors 32 über der Zeit t. Der Kolbenhub KH1 weist einen Anfangsabschnitt 40 auf, der dem Abschnitt 35 von 3 entspricht. Daran schließt sich ein Abschnitt 42 an, in dem die Schraube gedreht wird, jedoch kein hohes Lastmoment erzeugt. Am Punkt 43 stößt der Kolben 13 gegen den vorderen Anschlag. Dadurch entsteht ein steilerer Druckaufbau, der durch den Abschnitt 44 repräsentiert wird. Während des Schraubvorganges wird in definierten Intervallen die Druckänderung im Abschnitt 42 gemessen, wodurch der Gradient dp/dt bestimmt wird. Ist dieser Gradient kleiner als der Wert p' in 3, so ist der Zustand des Blockierens noch nicht erreicht, d.h. die Schraube dreht sich noch. Durch Vergleich des Gradienten im Abschnitt 42 mit dem Gradienten p' der Grundkennlinie GKL wird festgestellt, ob der Blockierzustand erreicht ist.
Im Abschnitt 44 ist der Blockierzustand erreicht, so dass sich der Abschnitt 45 anschließt, in dem der Rückhub des Kolbens stattfindet. Es folgt dann der nächste Kolbenhub KH2.
Bei dem Kolbenhub KH2 ist der Anfangsabschnitt 40 gegenüber dem vorhergehenden Kolbenhub verlängert, und zwar bis das in Punkt 44 von KH1 erreichte Drehmoment wieder erreicht wird. Erst dann beginnt der Abschnitt 42, in dem die Schraube gegen einen Drehwiderstand gedreht wird.
Solange der Kolben nicht blockiert, entspricht der am Drucksensor 32 gemessene Druck p dem auf die Schraube einwirkenden Drehmoment. Man kann also einen Druckwert bestimmen, der einem Fügemoment M_F entspricht. Wenn dieser Druck erreicht ist, beispielsweise im Punkt 46 in 4, wird, ohne den Schraubvorgang zu unterbrechen, von dem Drehmomentmodus DMM, in dem das Drehmoment überwacht wird, auf den Drehwinkelmodus DWM übergegangen, in dem eine Drehung um einen vorgegebenen Winkelbereich durchgeführt wird. Am Anfang des Drehwinkelmodus DWM beginnt eine Zeitmessung. Diese ist durch die gleichförmigen Intervalle 0 – 8 in 4 bezeichnet.
Die Zeitmessung beruht auf folgender Überlegung: Der Volumenstrom eines Aggregates wird in Menge pro Zeiteinheit bestimmt. Da das Füllvolumen des Hydraulikzylinders bekannt ist, kann der Kolbenweg pro Zeiteinheit bestimmt werden. Der Kolben wirkt auf ein Hebelsystem, das letztlich die Schraube dreht. Da die Hebellänge bekannt ist, kann der Drehwinkel pro Zeiteinheit bestimmt werden. Bei gleichem Volumenstrom, gleicher Schlauchlänge und gleichem Kraftschrauber kann die Zeit für 1° (ein Winkelgrad) bestimmt werden. Diese Zeit beträgt beispielsweise 64 ms pro 1°. Beim Verstreichen dieser Zeit während des Drehens der Schraube wird jeweils ein Winkelgrad gezählt und zu den vorher bereits überstrichenen Winkelgraden hinzugefügt. Die in 4 mit 0 bis 8 bezeichneten Intervalle entsprechen jeweils einem Winkelgrad.
Am Ende des Kolbenhubes KH2, also im Punkt 43, ist von den 64 ms eines Intervalls erst ein Teil abgelaufen. Der jeweilige Zähler stand wird festgehalten bevor der Rückhub ausgeführt wird. Das Intervall 2 wird an dieser Stelle unterbrochen und beim nächsten Kolbenhub KH3 im Punkt 48 fortgesetzt, wenn der Druck t die gleiche Höhe erreicht hat, mit dem der wirksame Teil des Kolbenhubs KH2 beendet worden ist. Das Intervall 2 wird also anschließend an den Punkt 48 bis zum Endwert weitergezählt. Danach beginnt das Intervall 3, gefolgt von den Intervallen 4,5,6. Das Intervall 6 wird durch das Ende des wirksamen Teils des Kolbenhubes KH3 ebenfalls unterbrochen und erst im nächsten Kolbenhub KH4 fortgesetzt, sobald der Druck sich entsprechend hoch aufgebaut hat. Auf diese Weise kann die Zahl der Zeitintervalle festgelegt werden, die im Anschluss an das Erreichen des Fügemoments M_F durchlaufen werden sollen. Diese Zahl entspricht dem gewünschten Drehwinkelbereich.
In 4 ist der Gradient
des Abschnitts 40 dargestellt, der erreicht werden muss, damit der Kraftschrauber wieder an der Schraube angreift und das Moment, mit dem der vorhergehende Kolbenhub geendet hat, übertroffen wird. Danach verringert sich die Steigung im Abschnitt 42, in dem die Schraube festgezogen wird, bis der Blockierzustand des Kolbens erreicht ist und der Gradient p'3 sich einstellt, der gleich dem Gradienten p' in 3 ist.
Bei dem vorstehend beschriebenen Schraubverfahren wird die Schraube bis zum Fügemoment M_F durch Bestimmung des Drehmoments anhand des gemessenen Druckes p angezogen und schließlich um einen bestimmten Drehwinkel weitergedreht. Vor Beginn des Schraubvorganges wird das Fügemoment und der Drehwinkel manuell eingegeben. Diese Werte sind die Soll-Werte für den Verschraubungsvorgang.
Das erfindungsgemäße Drehwinkelverfahren kann auch ohne vorherigen Drehmomentmodus durchgeführt werden, also als reine Winkeldrehung. Es ist auch nicht auf Schraubvorgänge beschränkt. Vielmehr können auch Rohre oder Stangen gegen einen Drehwiderstand hydraulisch gedreht werden.

Claims

Verfahren zum winkelgesteuerten Drehen eines drehbaren Teiles unter Verwendung eines hydraulischen Kolbenzylinderantriebs (11) und einer Ratsche (15a,17) dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Arbeitslauf die Drehwinkelgeschwindigkeit als Beziehung zwischen Drehwinkel und Drehzeit bei einem dem Kolbenzylinderantrieb zugeführten definierten Mengenstrom ermittelt wird, dass bei dem nachfolgenden Arbeitslauf die Versorgung des Kolbenzylinderantriebs mit definiertem Mengenstrom erfolgt und die Zeitdauer gemessen wird und dass bei einem Drehwinkelmodus (DWM) aus der Zeitdauer und der Drehwinkelgeschwindigkeit der Drehwinkel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Drehwinkelmodus (DWM) ein Drehmomentmodus (DMM) ausgeführt wird, bei dem das drehende Teil bis zum Erreichen eines Fügemoments (M_F) gedreht wird, wobei die Versorgung des Kolbenzylinderantriebs mit definiertem Mengenstrom erfolgt und der Drehmomentmodus beendet wird, wenn der am Kolbenzylinderantrieb aufgebaute Druck einen dem Fügemoment (M_F) entsprechenden Wert erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei unbelastetem Kolbenzylinderantrieb eine Grundkennlinie (GKL) ermittelt wird, die den zeitlichen Verlauf des Druckes (p) angibt und einen durch das Blockieren des Kolbenzylinderantriebs (11) verursachten Anstiegsbereich (38) aufweist, und dass eine Umsteuerung des Kolbenzylinderantriebs (11) erfolgt, wenn die Steigung (p'3) des zeitlichen Druckverlaufs bei dem aktuellen Arbeitslauf gleich der Steigung des Anstiegsabschnitts (38) der Grundkennlinie (GKL) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Drehwinkelmodus (DWM) die Messung der Zeitdauer über mindestens zwei Kolbenhübe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beendigung eines Kolbenhubes der Messwert der Zeitdauer gespeichert und als Anfangswert für den nächsten Kolbenhub übernommen wird.