DE102010044823A1

DE102010044823A1 - Schraubspindel

Info

Publication number: DE102010044823A1
Application number: DE102010044823A
Authority: DE
Inventors: Achim Kugler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: DE102010044823B4

Abstract

Die Erfindung zeigt eine Schraubspindel mit integriertem Schraubprozesssteuermittel 16. Die Durchführung eines in sich vollständig abgeschlossenen Schraubprozesses wird somit ermöglicht. Die Schraubspindel kann zumindest zeitweise autark und unabhängig von einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine industrielle und elektrisch mittels eines Akkus angetriebene Schraubspindel mit Gehäuse.
Aus dem Stand der Technik sind Schraubsysteme bekannt. Unter einem Schraubsystem versteht man das Zusammenfügen verschiedener Komponenten zu einer eigenständigen Funktionseinheit.
Diese Komponenten werden in der Regel mittels folgender Einrichtungen realisiert: Übergeordnete Schraubsteuerung (Basisstation, Schraubcontroller) für einen oder mehrere Schrauber, ein Leistungsteil je nach Anforderung an die Leistungsabgabe der Spindel, eine oder mehrere Schraubspindeln. Die Schraubspindeln umfassen üblicherweise mindestens einen Abtrieb, ein Getriebe und einen Motor. Der Abtrieb ist mittels des Motors und unter Verwendung des Getriebes antreibbar. Zusätzlich zur Schraubsteuerung kann eine SPS zur Koordination mehrerer Schraubsysteme vorgesehen sein. Optional können noch ein oder mehrere Industrie-PCs und Peripherie wie Drucker etc, vorhanden sein, um das Schraubsystem zu betreiben.
Die Schrift WO 2008/088266 offenbart ein tragbares Schraubwerkzeug, welches mittels von einer übergeordneten und vom Schraubwerkzeug örtlich entfernten Schraubsteuerung vorgegebene Betriebsparameter Schraubvorgänge ausführt. Diese Betriebsparameter werden von der Schraubsteuerung per Funk drahtlos an das Schraubwerkzeug übertragen. Es sind auch kabelgebundene Lösungen bekannt. In der Steuerung ist der eigentliche Schraubprozess hinterlegt. Diese führt auch den Schraubprozess aus und steuert das Leistungsteil und die Messwerterfassung sowie das Schraubwerkzeug entsprechend der Prozesssignale an.
Derartige Schraubwerkzeuge sind ohne Schraubsteuerung nicht verwendbar, da die zur Ausführung des Schraubprozesses erforderliche Intelligenz in der externen Schraubsteuerung vorhanden ist.
Alle diese zuvor genannten Komponenten eines Schraubsystems müssen gewartet, programmiert und einer Instandhaltung unterzogen werden. Dies ist um so kostenintensiver und fehleranfälliger, je mehr Komponenten in einem System vorhanden sind. Außerdem sind derartige Systeme wenig flexibel und stark ortsgebunden wegen der erforderlichen Nähe zur Schraubsteuerung (Kabel, Funkanbindung).
Die Erfindung betrifft einen Handschrauber bzw. ein Schraubspindel mit Gehäuse, umfassend einen Abtrieb, einen Drehmomentaufnehmer, ein Getriebe, einen Motor und einen Rotorlagegeber. Der Abtrieb wird mittels des Motors und unter Verwendung des Getriebes angetrieben. Von dem Gehäuse der Schraubspindel ist auch eine vollständige und völlig autark arbeitende Schraubprozesssteuerung umfasst. Diese dient zur Durchführung eines in sich vollständig abgeschlossenen Schraubprozesses, so dass die Schraubspindel zumindest zeitweise autark und unabhängig von einer übergeordneten und örtlich entfernten Schraubprozesssteuerung betreibbar ist.
Unter einer Schraubprozesssteuerung sind nicht etwa nur die zur Regelung oder Ansteuerung des Abtriebs erforderlichen Maßnahmen zu verstehen, sondern auch die Koordination sämtlicher zur Durchführung, Überwachung und Dokumentation eines komplexen Schraubprozesses erforderlichen Vorgänge, wie sie üblicherweise mittels übergeordneter und beispielsweise zentral an einer Fertigungslinie angebrachter Steuerungen realisiert sind.
Für die Überwachung von Schraubsystemen und Schraubprozessen sind mittels Nomen und Standards Mindestanforderungen definiert, wobei hierbei unterschiedliche Kategorien betrachtet werden, welche das Risiko für den Fall des Versagens der Schraubverbindung betreffen.
Kategorie A: Mittelbare/unmittelbare Gefahr für Leib und Leben
Kategorie B: Liegenbleiber
Kategorie C: Verärgerung des Kunden
Diese Kategorien spielen insbesondere in der Automobiltechnik eine wichtige Rolle. Sicherheitsrelevante Schraubverbindungen müssen gezählt, dokumentiert und mit der korrekten Vorspannkraft verschraubt werden.
Die Durchführung derartiger dokumentationspflichtiger Verschraubungen mit hoher Verfügbarkeit und geringem Installations-, Investitions- und Wartungsaufwand wird durch die Erfindung ermöglicht, ohne dass eine übergeordnete zusätzliche Steuerung zwingend erforderlich wäre. Optional kann eine solche Steuerung natürlich zusätzlich vorhanden sein und betrieben werden.
Die Intelligenz zur Durchführung des vollständigen Schraubprozesses ist nicht mehr wie im Stand der Technik verteilt, sondern alle für den Schraubprozess erforderlichen Komponenten sind in die Schraubspindel oder einen Handschrauber mit erfindungsgemäßer Schraubspindel integriert.
Die integrierte Schraubprozesssteuerung umfasst als Komponenten mindestens einen Mikroprozessor, ein Messmodul und einen Servoverstärker. Der Eingang des Messmoduls ist mit dem Ausgang des Drehmomentaufnehmers verbunden. Der Servoverstärker ist mit dem Ausgang des Rotorlagegebers verbunden. Der Motor ist unter Berücksichtigung der Rotorlage und der Ausgangsdaten des Drehmomentaufnehmers mittels eines vom Mikroprozessor vorgebbaren Schraubprozesses steuerbar. Eine externe Steuerung oder externe Messdatenverarbeitung wird somit überflüssig.
Eingabe-/Ausgabeeinheiten sind als weitere Komponenten umfasst. Mittels der Eingabe-/Ausgabeeinheiten wird eine Schnittstelle zu einem Bediener oder zu einer ggf. optional vorhandenen und übergeordneten Schraubprozesssteuerung realisiert. Die integrierte Schraubprozesssteuerung kann somit von der übergeordneten Schraubprozesssteuerung oder von einem Benutzer sämtliche für einen Schraubprozess auszuführenden Vorgänge zunächst laden bzw. entgegennehmen, bevor sie diesen Schraubprozess autark und unabhängig von der übergeordneten Schraubprozesssteuerung ausführt. insbesondere auch eine Visualisierung von bezüglich des Schraubprozesses relevanten Daten für den Bediener ist vorgesehen.
Als weitere Komponente ist auch ein fest integrierter nichtflüchtiger Datenspeicher umfasst, in dem die für den Schraubprozess relevanten Daten in Form von Drehmomentsollwertvorgeben oder Drehmomentwinkelvorgeben oder Toleranzvorgaben und dergleichen zur Verarbeitung mittels des Mikroprozessors abgespeichert werden können. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Wechselspeichermedium zur Aufnahme eines solchen Datenspeichers vorhanden sein (Micro SD-Karte).
Die Komponenten der erfindungsgemäßen Anordnung sind mittels eines integrierten Datenbusses zur Realisierung einer Kommunikation zwischen den Komponenten quer untereinander verbunden. Die integrierte Schraubprozesssteuerung kann somit sämtliche Komponenten Koordinieren und mit diesen Kommunizieren bzw. Daten von diesen abrufen, um diese Daten zu verarbeiten.
Vorzugsweise ist ein Funkmodul umfasst ist, mittels dessen eine zumindest zeitweise aktive und drahtlose Kommunikationsverbindung (z. B. WLAN) zu einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung realisierbar ist, um wie beschrieben die Daten und Informationen für den autarken Schraubprozess an die integrierte Schraubprozesssteuerung zu übermitteln. Auch ist es denkbar den erfindungsgemäßen Apparat in ein drahtgebundenes oder drahtloses Netwerk mit eigener IP-Adresse einzubinden, so dass beispielsweise auch ein Zugriff per Internet/Intranat möglich wird.
Ein Funknetzfeldstärkedetektor und ein Betriebsartenumschaltmittel sind vorzugsweise ebenfalls umfasst. Die Schraubspindel ist derart konstruiert, dass unter Berücksichtigung der mittels des Funknetzfeldstärkedetektor ermittelten Funknetzabdeckung eine automatische Umschaltmöglichkeit zwischen der übergeordneten Schraubprozesssteuerung und der integrierten Schraubprozesssteuerung realisiert ist.
Durch die Integration der kompletten Schraubprozesssteuerung in den Schrauber ist es nicht mehr notwendig ständig Funkkontakt zur übergeordneten Schraubprozesssteuerung zu halten. Der Schrauber kann einmal mittels der übergeordneten Schraubprozesssteuerung programmiert werden und bei Verlust der Funkverbindung an beliebigen Orten sowie beispielsweise an schwer zugänglichen Fahrzeugkarosserieteilen oder bei der Flugzeugwartung und dergleichen verwendet werden. Nach Wiederherstellung der Funkverbindung können die Ergebnisse des Schraubvorganges zum Zwecke der normengerechten und vorschriftsmäßigen Dokumentation von der integrierten Schraubprozesssteuerung an die übergeordnete Schraubprozesssteuerung oder einen Industrie PC oder dergleichen gesendet werden.
Die erfindungsgemäße Schraubspindel könnte beispielsweise autark Verschraubungen durchführen und die Ergebniskurve der Verschraubung an einen PC per Funk übermitteln, um die Kurve am PC-Display darzustellen. Die Spindel ist vorzugsweise Bestandteil eines selbsttätig messenden, industriellen Akkuschraubers mit Funkmodul.
Da der Schrauber eine integrierte autarke Schraubprozesssteuerung umfasst erleichtert dies seine Handhabung erheblich. Es müssen weder Kabelverbindungen zu den Montageorten gelegt werden, noch muss ein Funkkontakt zur übergeordneten Schraubprozesssteuerung aufrecht erhalten werden.
Insbesondere auch bei der Montage innerhalb von als faradayscher Käfig wirkenden Montageorten kann ohne Funkverbindung ein Schraubprozess zuverlässig ausgeführt werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in der Flugzeugteilemontage oder in der Automobiltechnik.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Handschrauber.
Der Handschrauber umfasst ein Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 wiederum umfasst mindestens einen Abtrieb 11, ein Getriebe 13 und einen Motor 14 und vorzugsweise noch einen Drehmomentaufnehmer 12 und einen Rotorlagegeber 15. Der Abtrieb 11 ist mittels des Motors 14 und unter Verwendung des Getriebes 13 antreibbar. Von dem Gehäuse 10 der Schraubspindel ist ein integriertes Schraubprozesssteuermittel 16 zur Durchführung eines in sich vollständig abgeschlossenen Schraubprozesses umfasst. Die Schraubspindel oder der Handschrauber ist zumindest zeitweise autark und unabhängig von einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung 28 betreibbar. Der Handschrauber kann mit dieser übergeordneten Schraubprozesssteuerung 28 oder auch mit anderen Einrichtungen 31 per Funk 29 (Access-Point, Router etc.) kommunizieren sowie Daten mit diesen Einrichtungen 28, 31 austauschen (Schraubprogramm, Ergebnisdaten und dergleichen).
Das Schraubprozesssteuermittel 16 umfasst als Komponenten mindestens einen Mikroprozessor 17 mit Speicher 17a oder eine Speicheraufnahmevorrichtung 17b und vorzugsweise zusätzlich ein Messmodul 18 und einen Servoverstärker 19. Der Eingang des Messmoduls 18 ist mit dem Ausgang des Drehmomentaufnehmers 12 verbunden 23. Der Servoverstärker 19 ist mit dem Rotorlagegeber 15, mittels einer Verbindung 22 und mit dem Messmodul 18 mittels einer weiteren, separaten Verbindung 27 verbunden. Die Verbindung 27 ist ein Datenbus, welcher eine Querkommunikation zwischen den Komponenten 17, 18, 19, 20, 21 ermöglicht. Der Motor 14 kann unter Berücksichtigung der Rotorlage und der Ausgangsdaten des Drehmomentaufnehmers 12 mittels eines vom Mikroprozessor 17 ausführbaren Schraubprogramms gesteuert werden. Der Mikroprozessor 17 liest das Schraubprogramm aus dem Speicher 17a oder aus einer in die Speicheraufnahmevorrichtung 17b eingefügten Flash-Speicherkarte aus.
Eingabe-/Ausgabeeinheiten 20 als weitere umfasste Komponenten realisieren eine Mensch-Maschine- (z. B. Schrauber-Bediener durch Tastatur und Display) und/oder eine Maschine-Maschine-Schnittstelle (z. B. Schrauber-PC durch Datenschnittstellen) vorzugsweise mit Visualisierung von für den Schraubprozess relevanten Daten (z. B. mittels eines Farbdisplays) für den Bediener.
Beim aktuellen Stand der Technik wird die Schraubspindel (kabelgebunden oder auch drahtlos) von einer Steuerung (die meist fest an einer Wand installiert ist) gesteuert. Die Daten werden von der Schraubspindel (Messwerte, Istwerte) zur Steuerung übermittelt und dort verarbeitet und mit den Zielwerten (Sollwerte) verglichen. Bei erreichen der Zielwerte wird die Schraubspindel gestoppt und die erreichten Werte werden mit einer ”OK”-Kennzeichnung für die zugrunde liegende Schraubverbindung versehen und in einer Datenbank abgespeichert.
Es ist somit gelungen eine miniaturisierte Steuerung direkt in die Schraubspindel zu integrieren. Hierdurch entfällt die an der Wand befindliche Steuerung und auch deren Verdrahtungsaufwand. Die Schraubspindel empfängt Programme per Funk und gibt auch die Ergebnisdaten per Funk an ein Netzwerk des Anwenders ab.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die in der Schraubspindel vorhandenen vollständigen Prozessdaten auch ohne Funkkontakt zu einer übergeordneten Schraubsteuerung gearbeitet werden kann und die Schraubspindel dennoch in der Lage ist die vorgegebenen Programme auszuführen und ggf. später die Ergebnisse per Funk an die Steuerung abzusetzen.
Zusammenfassend gilt, dass die auf der erfindungsgemäßen Spindel basierende messende Funk-Akkuschrauber-Baureihe der Anmelderin mit integrierter Steuerung und mit integrierter Funkschnittstelle die Flexibilität in der Fließfertigung und in der Endmontage erheblich erhöht. Gerade in engen Innenräumen und an schwer zugänglichen Schraubstellen sowie beim Mitlaufen mit Produkten verbessert die Erfindung die Ergonomie bei hoher Produktivität, weil die Werker nicht zusätzlich durch Kabel oder die erforderliche Reichweite zur Schraubsteuerung behindert werden.
Die auf der Erfindung basierenden Funk-Akkuschrauber der Anmelderin umfassen alle nötigen Details zur Realisierung von sicherheitskritischen Verschraubungen wie Ergebnis-Speicherung, Ergebnisausgabe und Ergebnisdokumentation. Ein integrierter Sender überträgt die Verschraubungsdaten per Funk an eine Empfangsstation beispielsweise unter Einbindung eines Access-Points. Bei einem auftretenden kurzzeitigen Funkschatten puffert die integrierte Steuerungselektronik die Daten im Schrauber und gibt sie weiter, sobald wieder eine Funkverbindung zum Netzwerk besteht. Das gewährleistet eine 100%-Dokumentation aller Vorgänge und sorgt für eine hohe Verfügbarkeit und trägt entscheidend zur Prozesssicherheit bei.
Die komplett integrierte Steuerungs- und Leistungselektronik hebt die Aufteilung auf mehrere, über Leistungs- und Kommunikationskabel verbundene, Komponenten quasi auf. Zur Parametrierung und Werkerinformation an den Schraubern steht ein Farbdisplay zur Verfügung. Eine integrierte lichtstarke LED sorgt auch bei wechselnden Lichtverhältnissen stets für eine optimale Ausleuchtung der Schraubstelle. Aus der farblichen Hinterlegung der Displayanzeige (z. B. rot/grün) kann man auf das Ergebnis (z. B. „Nicht Ok”/„Ok”) der gerade von der Spindel hergestellten Schraubverbindung schließen.
Mit der Erfindung werden Drehmomente bis 50 Nm erreicht und Lithium-Ionen-Akkus sorgen für einen sicheren Betrieb.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/088266 [0004]

Claims

Schraubspindel insbesondere akkubetriebener industrieller Handschrauber mit Funkmodul, mit Gehäuse (10), das Gehäuse (10) umfassend einen Abtrieb (11), einen Drehmomentaufnehmer (12), ein Getriebe (13), einen Motor (14) und einen Rotorlagegeber (15), wobei der Abtrieb (11) mittels des Motors (14) und unter Verwendung des Getriebes (13) antreibbar ist, wobei von dem Gehäuse (10) der Schraubspindel ein integriertes Schraubprozesssteuermittel (16) zur Durchführung eines in sich vollständig abgeschlossenen Schraubprozesses umfasst ist, so dass die Schraubspindel zumindest zeitweise autark und unabhängig von einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28) betreibbar ist.
Schraubspindel gemäß Patentanspruch 1, wobei das Schraubprozesssteuermittel (16) als Komponenten einen Mikroprozessor (17), ein Messmodul (18) und einen Servoverstärker (19) umfasst, wobei der Eingang des Messmoduls (18) mit dem Ausgang des Drehmomentaufnehmers (12) verbunden (23) ist und wobei der Servoverstärker (19) mit dem Ausgang des Rotorlagegebers (15) verbunden (22) ist, so dass der Motor (14) unter Berücksichtigung der Rotorlage und der Ausgangsdaten des Drehmomentaufnehmers (12) mittels eines vom Mikroprozessor (17) vorgebbaren Schraubprozesses steuerbar ist.
Schraubspindel gemäß Patentanspruch 2, wobei eine Eingabeeinheit und/oder eine Ausgabeeinheit (20) als weitere Komponenten umfasst sind, mittels welcher eine Schnittstelle zu einem Bediener und/oder einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28, 31) realisiert ist, insbesondere auch eine Visualisierung (30) von bezüglich des Schraubprozesses relevanten Daten für den Bediener.
Schraubspindel gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche 2 oder 3, wobei ein Datenspeicher (17a) und/oder eine Aufnahmevorrichtung (17b) für einen Wechseldatenspeicher umfasst ist, wobei der Mikroprozessor (17) mit dem Datenspeicher (17a) und/oder der Aufnahmevorrichtung (17b) derart verbunden ist, dass dieser alle für den Schraubprozess relevanten Daten in Form von Drehmomentsollwertvorgaben oder Drehmomentwinkelvorgaben oder Toleranzvorgaben und dergleichen zur Verarbeitung mittels des Mikroprozessors (17) aus dem Datenspeicher (17a) und/oder aus einem von der Aufnahmevorrichtung (17b) umfassten Wechseldatenspeicher auslesen kann.
Schraubspindel gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche 2 bis 4, wobei die Komponenten mittels eines Datenbusses (27) zur Realisierung einer Querkommunikation untereinander verbunden sind.
Schraubspindel gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Funkmodul (24) umfasst ist, mittels dessen eine zumindest zeitweise aktive drahtlose Kommunikationsverbindung (29) zu einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28, 31) realisiert ist.
Schraubspindel gemäß Patentanspruch 6, wobei ein Funknetzfeldstärkedetektor (25) und ein Betriebsartumschaltmittel (26) umfasst sind und wobei die Schraubspindel derart konstruiert ist, dass unter Berücksichtigung der mittels des Funknetzfeldstärkedetektors (25) ermittelten Funknetzabdeckung eine vollautomatische Umschaltmöglichkeit von einer ersten Betriebsart auf eine zweite Betriebsart realisiert ist, wobei die erste Betriebsart die Steuerung des Schraubprozesses mittels der übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28) und wobei die zweite Betriebsart die Steuerung des Schraubprozesses mittels des integrierten und autarken Schraubprozesssteuermittels (16) realisiert.
Verfahren zum Betrieb einer Schraubspindel mit Gehäuse (10), umfassend einen Abtrieb (11), einen Drehmomentaufnehmer (12), ein Getriebe (13), einen Motor (14) und einen Rotorlagegeber (15), wobei der Abtrieb (11) mittels des Motors (14) und unter Verwendung des Getriebes (13) antreibbar ist, wobei von dem Gehäuse (10) der Schraubspindel ein integriertes Schraubprozesssteuermittel (16) zur Durchführung eines in sich vollständig abgeschlossenen Schraubprozesses umfasst ist, wobei die Schraubspindel zumindest zeitweise autark und unabhängig von einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28) betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Schraubspindel ein Funkmodul (24) umfasst, mittels dessen das integrierte Schraubprozesssteuermittel (16) mit einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung (28) oder einer anderen übergeordneten Einrichtung (31) in der Art kommuniziert, dass zumindest ein Schraubprozesssteuerprogramm empfangen oder die Schraubprozessergebnisdaten gesendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Schraubspindel auch einen Funknetzfeldstärkedetektor (25) und ein Betriebsartenumschaltmittel (26) umfasst und wobei unter Berücksichtigung der Funknetzabdeckung eine vollautomatische Umschaltung von einer ersten Betriebsart auf eine zweite Betriebsart realisiert ist, wobei die erste Betriebsart die Steuerung des Schraubprozesses mittels einer übergeordneten Schraubprozesssteuerung und wobei die zweite Betriebsart die Steuerung des Schraubprozesses mittels der integrierten Schraubprozesssteuerung betrifft und wobei vorzugsweise in der zweiten Betriebsart Daten bezüglich des Schraubprozesses oder Schraubprozessergebnisdaten gespeichert und bei Umschaltung in die erste Betriebsart vollautomatisch an die übergeordnete Schraubprozesssteuerung übermittelt werden.