DE102005002592A1

DE102005002592A1 - Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE102005002592A1
Application number: DE200510002592
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Baron
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schraub-, Kontaktier- und Ultraschallbaugruppe 4 wird in einem Gehäuse 12 dargestellt, in dem ein Schraubwerkzeug 18, Übertragungs- und Kontaktierstempel 17; 17' sowie ein Ultraschallsensor 15 installiert ist. Die Befestigung dieser Baugruppe 4 erfolgt endseitig der Abtriebswelle 3' einer Schraubspindel 5 (Fig. 1), bestehend aus: Antriebsmotor 1, Umschaltgetriebe 2 sowie Abtrieb 3 und dient zum Messen des vorspannkraftgesteuerten Anziehens von Schraubverbindung 7; 8. Hierbei wird der auf der Schraubenkopfoberfläche von Sechskantschraube 6 integrierte Koppelbelag 19 mittels eines Übertragungs- und Kontaktierstempels 17, 17' verformt, sodass Ultraschallsignale sendbar und deren Echoimpulse empfangbar sind. Mithilfe des Ultraschallsensors 15 und Schraubersteuerung 10 wird dabei die Längung der Schrauben 6; 6' kontrolliert und Schraubersteuerung 10, bei Erreichen des Endanzugswertes in Verbindung von Messkabel 9, abgeschaltet.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Gattung des Hauptanspruchs. Zu den gebräuchlichsten Methoden des vorspannkraftgesteuerten Anziehens von Schraubverbindungen gehört die Ultraschallmessung. Davon sind, im wesentlichen, die manuell durchzuführende und die automatisch ablaufende Variante bekannt. Beim manuellen Verfahren wird ein Ultrschallprüfkopf mit Koppelmedium, welches Gel oder eine Paste sein kann, von Hand auf den Kopf einer zu vermessenden Schraube aufgebracht. Bei dem automationsfähigen Verfahren, welches in der Serienproduktion anwendbar wäre, müssten die zu messenden Schrauben mit Hilfe eines kopfseitig aufzudampfenden, dreischichtigen Ultraschallsensors versehen werden, gemäß dem U.S.-Patent, Nr. 5. 220.839. Beide Verfahrensweisen unterliegen den physikalischen Eigenschaften der Impuls-Echomessung. Hierbei werden Ultraschallwellen vom Schraubenkopf einer im Endanzug befindlichen Schraube ausgestrahlt, welche den sich dehnenden Schraubenschaft zeitändernd durchlaufen. Dabei werden diese am Schaftende reflektiert und schließlich an der Ultraschallausgangsquelle auf dem Schraubenkopf wieder empfangen um signalgebend weitergeleitet zu werden. Beide Anwendungsvarianten sind jedoch in der Massengüterproduktion, wie beispielsweise in der Automobilindustrie aus Leistungs- und Kostengründen, nicht oder nur sehr begrenzt einsatzfähig, da die auf dem Markt erhältlichen Ultraschallprüfköpfe nicht in automatisch kurztaktend ablaufenden Schraubprozessen verwendbar sind und zu Kopplungsstörungen führen. Die kopfseitig mit Ultraschallsensoren modifizierten Schrauben sind derart aufwendig herzustellen und würden die Kosten für die sie verbindenden Erzeugnissteile erheblich verteuern, wodurch diese Art des vorspannkraftgesteuerten Schraubverfahrens nur in äußerst geringen Spezialfällen durchführbar ist.

Hierunter fallen in noch kostenintensiverer Weise Schraubverfahren, wie sie in den Patentanmeldungen nach DE 198 19 301 C1 , DE 197 23 899 A1 und DE 197 05 346 C1 dargestellt sind, wobei axial gebohrte Spezialschrauben mit endseitig integriertem Reflektor zur Anwendung kämen, bei denen während des Endanzugs einer Schraubverbindung außerdem noch Störungen durch Interferenzen und Verschmutzungen auftreten würden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den großen Vorteil, dass während des Endanzugs einer Schraubverbindung ein plastisch ausgeführter Koppelbelag, welcher endseitig des Schraubenkopfes bei Sechskantschrauben oder grunndseitig von Schrauben mit innenliegenden Antriebsmerkmalen installiert ist, als signalübertragendes Medium genutzt werden kann. Dadurch ist dieses Verfahren auch an kurztaktenden Montageanlagen ausfallfrei einzusetzen. Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine Modifizierung von Schrauben mit mehreren signalverarbeitenden Ultraschallsensorschichten, welche nicht nur die Kosten pro Schraube extrem ansteigen ließen, entfallen können. Zwangsläufig ist somit auch die Gefahr einer Beschädigung der Ultraschallsensoren durch Umfüll- und Beschickungsvorgängen an Produktionsanlagen, in Verbindung erheblicher Störungen, ausgeschaltet. Demgegenüber können nunmehr äußerst preiswerte und unempfindliche, plastisch verformbare Koppelbeläge außerhalb- oder innerhalb einer Montageanlage, vor dem Schraubprozess, leckagefrei aufgebracht werden. Die Automatisierung des vorspannkraftgesteuerten Anzugsverfahrens wird dadurch funktionsfähig realisierbar. Ebenfalls von großer Bedeutung ist, dass Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Baugruppe endseitig einer Schraubspindel bzw. zwischen den Baugruppen einer solchen installiert werden können, sodass ein platzsparender Aufbau einer Schraubspindel, nach dem Baukastenprinzip gestalteter Einzelmodule, gewährleistet ist. Dadurch wird es möglich, sehr kostengünstige nach dem Prinzip des vorspannkraftgesteuerten Schraubverfahrens genau anzuziehende Schraubsysteme vor allem in der Massengüterproduktion, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, einzusetzen. Aus Qualitätsgründen ist dabei von sehr großem Vorteil, dass das hochgenaue vorspannkraftgesteuerte Schraubmessverfahren dem sehr ungenau arbeitenden, drehmomentgesteuerte Schraubmessverfahren weit überlegen ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen!

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen,

2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten kombinierten Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe,

3 ein schematischer Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung einer Sechskantschraube und dessen kopfseitig integrierten, signaldurchlässigen Koppelbelags,

4 ein schematischer Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung einer Innensechskantschraube und dessen stirnseitig des Innensechskants integrierten, signaldurchlässigen Koppelbelags.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1 ist eine mit 5 bezeichnete Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen als Schraubspindel schematisch dargestellt. Die Schraubspindel 5 weist einen Antriebsmotor 1 auf, an welchem ein mechanisches Umschaltgetriebe 2 und daran ein Abtrieb 3 gekoppelt ist. Mit Hilfe von Antriebsmotor 1 ist die Schraubspindel 5 um ihre mittlere Längsachse rotationsfähig, wodurch mit der an Abtriebswelle 3' installierten erfindungsgemäßen Schraub- Kontaktier und Ultraschallbaugruppe 4, der Endanzugsprozess von Sechskantschraube 6 nach dem vorspannkraftgesteuerten Schraubverfahren einer nicht näher bezeichneten Schraubverbindung 7; 8 genau messend durchführbar ist. Gleichzeitig werden die dabei reflektierten Echoimpulse der zuvor eingeschallten Ultraschallwellen in Verbindung mit Messkabel 9 an eine nicht näher bezeichnete Schraubersteuerung 10 zur Auswertung weitergeleitet, wobei in Verbindung mit Steuerkabel 11 der Antriebsmotor 1 von Schraubspindel 5 solange aktiv bleibt bis der, in Schraubersteuerung 10, justierte Endanzugswert erreicht ist.

In 2 ist die mit 4 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung als Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe schematisch dargestellt. Die Baugruppe 4 besteht aus einem Gehäuse 12 in dem eine sogenannte Vierkantwellenbohrung 13 integriert ist, welche zur Installation des Gehäuses 12 an Abtriebswelle 3' (1) vorgesehen ist. Die weiteren Bohrungen in der vertikalen Achse dienen zur Aufnahme eines Ultraschallsensors 15, Übertragungs- und Kontaktierstempels 17; 17' und Schraubwerkzeugs 18. Zusätzlich befindet sich zwischen dem Ultraschallsensor 15 und dem Übertragungs- und Kontaktierstempel 17; (17') eine mittels O-Ring 16 gebildete abgedichtete Kammer, welche zur Aufnahme eines nicht näher bezeichneten Koppelmediums 16' geeignet ist. Die in der horizontalen Achse, rechtseitig eingezeichnete Bohrung 14 enthält eine nicht näher dargestellte elektrische Schleifkontaktverbindung, welche zur Anregung von Ultraschallsignalen 20 sowie der Weiterleitung deren Echoimpulse 21 an Schraubersteuerung 10 dient. Während des reversiblen Signalaustauschs liegt der Übertragungs- und Kontaktierstempel 17; (17') an das in der abgedichteten Kammer befindliche Koppelmedium 16', welches auch in Verbindung mit Ultraschallsensors 15 steht, an. Gleichzeitig stellt sich die entgegengesetzte Seite des Übertragungs- und Kontaktierstempels (17); 17' endseitig der Schraubenkopfoberfläche 19, von Sechskantschraube 6, in eingedrückter Form und somit signaldurchlässig zur Kontrolle des vorspannkraftgesteuerten Endanzugs für die Schraubverbindung 7; 8 dar.

In 3 wird der Prozessablauf zum vorspannkraftgesteuerten Anzugsverfahren einer Sechskantschraube 6 mittels eines Ultraschallsensors 15 dargestellt. Hierbei durchlaufen die darin erzeugten Ultraschallimpulse 20 das Koppelmedium 16', welches sich in einer mittels O-Ring 16 gebildeten und somit abgedichtete Kammer befindet, um am Ende des Übertragungs- und Kontaktierstempels (17); 17' den Koppelbelag 19 und den Rest der Sechskantschraube zu durchlaufen. Die am Schaftende der Schraube reflektierten Echoimpulse 21 gelangen nunmehr den selben Weg zurück und werden am Eingang des Ultraschallsensors 15 zur weiteren Verarbeitung, mittels einer entsprechenden Steuerung, (1) aufgenommen.

In 4 wird der Prozessablauf zum vorspannkraftgesteuerten Anzugsverfahren einer Innensechskantschraube 6' mittels eines Ultraschallsensors 15 dargestellt. Hierbei durchlaufen die darin erzeugten Ultraschallimpulse 20 das Koppelmedium 16', welches sich in einer mittels O-Ring 16 gebildeten und somit abgedichtete Kammer befindet, um am Ende des Übertragungs-und Kontaktierstempels (17); 17' den Koppelbelag 19 und den Rest der Innensechskantschraube zu durchlaufen. Die am Schaftende der Schraube reflektierten Echoimpulse 21 gelangen nunmehr den selben Weg zurück und werden am Eingang des Ultraschallsensors 15 zur weiteren Verarbeitung, mittels einer entsprechenden Steuerung, (1) aufgenommen.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, mit einer endseitigen Befestigungsvorrichtung für die tragende Abtriebskomponente einer Schraubspindel, einem wenigstens zweistufig umschaltbaren Antriebsmotor, der zum Voranziehen einer Schraubverbindung und zum Erzielen eines gewünschten Verschraubungsendzustands unterteilbar ist, einer baugruppenartig ausgebildeten Vorrichtung zum Schrauben, Kontaktieren, Senden und Erfassen einer, als Maß für den jeweils vorliegenden Verschraubungszustand dienenden Messgröße, welche als Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe, gemäß des Hauptanspruchs in Verbindung einer Schraubersteuerung steht und den Antiebsmotor der Schraubspindel, in Abhängigkeit des Verschraubungsendzustands ein oder ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubspindel 5 mindestens dreiteilig ausgeführt ist, wobei die entsprechende Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe 4 als eigenständig wirksame, modulare Komponente ausgebildet ist, welche an die tragende Abtriebswelle 3', von Spindelabtrieb 3 installierbar ist und durch den Antriebsmotor 1 mittels Umschaltgetriebe 2 angetrieben bzw. abgeschaltet wird.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfähigkeit der an Schraubspindel 5 installierten Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe 4, in Abhängigkeit des Verschraubungsendzustandes, gemäß der vorgegebenen Vorspannkraft in Schraubersteuerung 10, signalgebend zu- oder abschaltbar ist.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor 15 mit dem Übertragungs- und Kontaktierstempel, 17; (17') aus einer ultraschallleitenden Einheit besteht.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallsensor 15 mittels eines Koppelmediums 16', welches unverlierbar innerhalb einer mittels O-Ring 16 abgedichteten Kammer bevorratet ist, in Verbindung steht. (2–4)
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungs- und Kontaktierstempel 17; 17' gleichzeitig in Verbindung eines Koppelmediums 16' und eines Koppelbelags 19 steht.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Funktionsbauteile der Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe 4 modular, in einem Gehäuse installierbar sind.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungs- und Kontaktierstempel 17; (17') mit Ultraschallsendeempfänger 15 als modulare Vorrichtung auch zwischen einer Baugruppe oder endseitig von Schraubspindel 5, installierbar ist.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschallung von Ultraschallwellen 20 in Schraube 6; 6' und deren Echoimpulse 21 mittels eines Koppelmediums 16', in Verbindung eines Übertragungs- und Kontaktierstempels 17; 17' sowie in Abhängigkeit eines plastischen Koppelbelags 19, erfolgt.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Ausführung von Koppelbelags 19 auch gegenüber mechanischen Belastungen, wie sie in Sortier- und Zuführsystemen vorkommen, nicht beschädigt werden können.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass außer Sechskantschrauben 6 auch Innensechskantschrauben 6' und Schrauben mit anderen, innenliegenden Antriebsmerkmalen prozessgemäß und effektiv mit Hilfe eines Koppelbelags anzuziehen sind.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine störungsfreie hochwertige Übertragung von Ultraschallsignalen 20 und deren Echoimpulsen 21 nur mit von Hilfe plastisch ausgeführter Koppelbeläge erreichbar ist.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass Koppelbelag 19 bereits vor der Verarbeitung von Schrauben auf die Schraubenköpfe integrierbar ist oder auch innerhalb einer Fertigungsanlage, vor dem Schraubprozess, auf diese aufgebracht werden können.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass Koppelbelag 19 aus einem, nicht näher bezeichneten, feuchtigkeitsaufnehmenden und feuchtigkeitshaltenden Material besteht.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkräfte von Schraubverbindungen somit jederzeit nachträglich überprüfbar sind.
Vorrichtung zum Messen der Vorspannkraft bei Schraubverbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck des Übertragungs- und Kontaktierstempels (17); 17' gegen den Koppelbelag 19, kraft- wegorientiert überwacht wird.