DE102005002592A1

DE102005002592A1 - Pretensioning force measuring device, for use in automobile industry, has screwing spindle, and screwing, contacting and ultrasonic unit formed as modular component installed in output shaft and driven via motor by switching drive

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

Pretensioning force measuring device has a coupling lining and a driving motor divided for tightening a screw connection and for obtaining a desired final state of the connection and unit-like device detecting a measuring value. A screwing spindle (3) is implemented as three parts and a screwing, contacting and ultrasonic unit (4) is formed as a modular component installed in an output shaft of a spindle output and driven via the motor by a switching drive.

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.The The invention is based on a device for measuring the preload force in screw according to the type of the main claim. The most common Methods of tension-controlled tightening of screw connections belongs the ultrasound measurement. Of these, essentially, are the manual ones to be performed and the automatically running variant known. In the manual procedure becomes an ultrasound probe with coupling medium, which may be gel or paste, by hand applied to the head of a screw to be measured. In which automation enabled Procedure, which would be applicable in mass production, would have the to be measured screws with the help of a head side steam three-layered ultrasonic sensor according to the U.S. patent, No. 5. 220,839. Both procedures are physical Properties of the pulse echo measurement. This will be ultrasonic waves emitted from the screw head of a screwed-in screw, which run through the expanding screw shaft time changing. It will be this reflected at the shaft end and finally at the ultrasonic output source again received on the screw head transmitted by signal to become. Both application variants, however, are in bulk goods production, such as For example, in the automotive industry for performance and cost reasons, not or very limited, since the ones available in the market Ultrasonic probes not can be used in automatically kurztaktend expiring screwing and to coupling disorders to lead. The head side modified with ultrasonic sensors screws are make such a costly and would the cost of them considerably increase the cost of connecting connecting parts of Type of tension-controlled screwing only in extremely small special cases feasible is.

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.This includes even more costly screwing, as in the patent applications DE 198 19 301 C1 . DE 197 23 899 A1 and DE 197 05 346 C1 are shown, with axially drilled special screws with end-integrated reflector would be used in which during the final tightening of a screw also disturbances due to interference and contamination would occur.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The inventive device with the characterizing features of the main claim has against the huge Advantage that while the final tightening of a screw connection a plastically executed coupling covering, which end of the screw head with hexagon screws or green side of screws with internal drive features is installed as a signal transmitting Medium can be used. As a result, this method is also on use short-cycle assembly systems failure-free. This has the further advantage that a modification of screws with several signal processing ultrasonic sensor layers, which not only The costs per screw could rise extremely, can be omitted. Is inevitable thus also the risk of damage to the ultrasonic sensors by transferring and loading operations at production facilities, in connection with considerable disturbances, switched off. In contrast, can now extremely cheap and insensitive, plastically deformable coupling coverings outside or within an assembly plant, before the screwing process, leak-free be applied. The automation of the prestressing force controlled Tightening process becomes viable. Also of great Significance is that parts of the device according to the invention as an assembly end of a screw or between the modules of a can be installed so that a space-saving construction of a screw, after the Modular principle of designed individual modules, is guaranteed. It will possible, very inexpensive according to the principle of the prestressing force controlled screwing process exactly attractive tightening systems, especially in bulk goods production, as in the automotive industry, use. For quality reasons is of a very large Advantage that the highly accurate tension-controlled Schraubmessverfahren the very inaccurate working, torque-controlled Schraubmessverfahren far superior is.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen!embodiments are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It demonstrate!

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anziehen von Schraubverbindungen, 1 a schematic representation of a device according to the invention for tightening screw,

2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten kombinierten Schraub-, Kontaktier und Ultraschallbaugruppe, 2 FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through a first exemplary embodiment of a combined screw, contacting and ultrasonic assembly designed according to the invention, FIG.

3 ein schematischer Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung einer Sechskantschraube und dessen kopfseitig integrierten, signaldurchlässigen Koppelbelags, 3 a schematic longitudinal section through an essential part of the device according to the invention in conjunction with a hexagon screw and its head side integrated, signal-transparent coupling pad,

4 ein schematischer Längsschnitt durch einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung einer Innensechskantschraube und dessen stirnseitig des Innensechskants integrierten, signaldurchlässigen Koppelbelags. 4 a schematic longitudinal section through an essential part of the device according to the invention in conjunction with a hexagon socket screw and its front side of the hexagon integrated, signal-transparent coupling pad.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

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 1 is one with 5 designated device for tightening screw as a screw schematically shown. The screw spindle 5 has a drive motor 1 on which a mechanical change gear 2 and a downforce 3 is coupled. With the help of drive motor 1 is the screw spindle 5 rotatable about its central longitudinal axis, whereby with the output shaft 3 ' installed screw-contacting and ultrasonic assembly according to the invention 4 , the final tightening process of hexagon screw 6 after the preload-controlled screwing a unspecified screw 7 ; 8th accurate measuring is feasible. At the same time, the reflected echo pulses of the previously ultrasonic waves are reflected in conjunction with measuring cables 9 to a unspecified nutrunner control 10 forwarded for evaluation, in conjunction with control cable 11 the drive motor 1 from screw spindle 5 as long as it remains active until, in nutrunner control 10 , adjusted final suit value is reached.

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 2 is the one with 4 designated device according to the invention as a screw, contacting and ultrasonic assembly shown schematically. The assembly 4 consists of a housing 12 in which a so-called square shaft bore 13 integrated, which is to install the housing 12 to output shaft 3 ' ( 1 ) is provided. The additional holes in the vertical axis serve to accommodate an ultrasonic sensor 15 , Transfer and contact stamp 17 ; 17 ' and screwing tool 18 , Additionally located between the ultrasonic sensor 15 and the transfer and contact stamp 17 ; ( 17 ' ) one by means of O-ring 16 formed sealed chamber, which for receiving an unspecified coupling medium 16 ' suitable is. The hole in the horizontal axis, drawn on the right side 14 includes an electrical sliding contact connection, not shown, which for the excitation of ultrasonic signals 20 and the forwarding of their echo pulses 21 to screwdriver control 10 serves. During the reversible signal exchange, the transfer and contacting stamp is located 17 ; ( 17 ' ) to the coupling medium in the sealed chamber 16 ' , which also in conjunction with ultrasonic sensors 15 arrives. At the same time, the opposite side of the transfer and Kontaktierstempels ( 17 ); 17 ' end of the screw head surface 19 , from hexagon screw 6 , in pressed-in form and thus signal-permeable to control the tension-controlled final tightening for the screw connection 7 ; 8th represents.

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 3 the process sequence becomes the tension-force-controlled tightening procedure of a hexagon screw 6 by means of an ultrasonic sensor 15 shown. In this case, the ultrasonic pulses generated therein pass through 20 the coupling medium 16 ' , which is in an O-ring 16 formed and thus sealed chamber is at the end of the transfer and Kontaktierstempels ( 17 ); 17 ' the coupling surface 19 and go through the rest of the hex bolt. The echo pulses reflected at the shaft end of the screw 21 Now return the same way and are at the entrance of the ultrasonic sensor 15 for further processing, by means of an appropriate control, ( 1 ).

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.In 4 the process sequence becomes the prestressing force-controlled tightening procedure of a hexagon socket screw 6 ' by means of an ultrasonic sensor 15 shown. In this case, the ultrasonic pulses generated therein pass through 20 the coupling medium 16 ' , which is in an O-ring 16 formed and thus sealed chamber is at the end of the transfer and Kontaktierstempels ( 17 ); 17 ' the coupling surface 19 and to go through the rest of the hexagon socket screw. The echo pulses reflected at the shaft end of the screw 21 Now return the same way and are at the entrance of the ultrasonic sensor 15 for further processing, by means of an appropriate control, ( 1 ).

Claims

Device for measuring the preload force in screwed connections, having an end-side fastening device for the load-bearing output component of a screw spindle, an at least two-step switchable drive motor, which can be subdivided to pre-tighten a screw connection and achieve a desired final screw connection state, an assembly-like device for screwing, contacting, sending and Detecting a, serving as a measure of the respective present Verschraubungszustand measure, which is as a screw, Kontaktier and ultrasonic assembly, according to the main claim in conjunction with a nutrunner control and the Antiebsmotor the screw, depending on the Verschraubungsendzustands on or off, characterized in that the screw 5 at least three parts, with the appropriate screw, Kontaktier and ultrasonic assembly 4 is designed as a self-effective, modular component, which to the supporting output shaft 3 ' , from spindle output 3 is installable and by the drive motor 1 by means of change gear 2 is driven or turned off.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 1, characterized in that the rotational capability of the screw on 5 installed screw, contacting and ultrasonic assembly 4 , as a function of the final tightening state, according to the predetermined preload force in the nutrunner control 10 , signaling can be switched on or off.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 1, characterized in that the ultrasonic sensor 15 with the transfer and contact stamp, 17 ; ( 17 ' ) consists of an ultrasound conducting unit.

Device for measuring the preload force in screw connections, characterized in that the ultrasonic sensor 15 by means of a coupling medium 16 ' which is captive within an O-ring 16 sealed chamber is in communication. ( 2 - 4 )

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 4, characterized in that the transmission and Kontaktierstempel 17 ; 17 ' simultaneously in conjunction with a coupling medium 16 ' and a paddock 19 stands.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 1, characterized in that all functional components of the screw, contacting and ultrasonic assembly 4 modular, can be installed in a housing.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 1 and 6, characterized in that the transmission and Kontaktierstempel 17 ; ( 17 ' ) with ultrasonic transceiver 15 as a modular device between a module or end of screw 5 , is installable.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 4 and 5, characterized in that the insonification of ultrasonic waves 20 in screw 6 ; 6 ' and their echo pulses 21 by means of a coupling medium 16 ' , in connection with a transmission and contact stamp 17 ; 17 ' as well as depending on a plastic coupling coating 19 , he follows.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 8, characterized in that the plastic design of coupling pads 19 even against mechanical loads, such as occur in sorting and feeding systems, can not be damaged.

Device for measuring the preload force in screwed connections according to claim 8, characterized in that except hexagon screws 6 also hexagon socket screws 6 ' and screws with other, internal drive features are process-appropriate and effective to attract with the help of a coupling pad.

Device for measuring the preload force in screw connections according to claim 9, characterized in that a trouble-free high-quality transmission of ultrasonic signals 20 and their echo pulses 21 can only be reached with the help of plastically executed coupling pads.

Device for measuring the preload force in screwed connections, characterized in that coupling coating 19 Already before the processing of screws on the screw heads can be integrated or even within a manufacturing plant, before the screwing can be applied to this.

Device for measuring the preload force in screwed connections, characterized in that coupling coating 19 consists of a, unspecified, moisture-absorbing and moisture-retaining material.

Device for measuring the preload force in screw connections according to claim 11, characterized in that the biasing forces of screw connections thus at any time subsequently verifiable.

Device for measuring the prestressing force in screwed connections, characterized in that the contact pressure of the transfer and contacting punch ( 17 ); 17 ' against the coupling surface 19 , force-oriented monitored.