DE102015103903A1 - Power wrench with direct rotation angle and / or torque measurement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20) zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle (11, 12) mit einer Werkzeugaufnahme, einem Gehäuse (1), einer Drehmomentenstütze (3, 5, 9), welche wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments und wenigstens einem Sensor (4, 10, 13) zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (7) verbunden ist, wobei wenigstens die Drehmomentenstütze (3, 5, 9) und/oder die Welle (11, 12) ein Reaktionselement bilden, welches im Betrieb wenigstens eine Spannungslinie aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (4, 10, 13) in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien der Drehmomentenstütze (3, 5, 9) und/oder Welle (11, 12), im Betrieb der Vorrichtung (20) wenigstens eine Längenänderung erfasst und mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (7) und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle (11, 12) im Bereich der Werkzeugaufnahme bestimmt.The present invention relates to a device (20) for the pneumatic or hydraulic drive of a shaft (11, 12) with a tool holder, a housing (1), a torque arm (3, 5, 9), which at least with a portion of the housing for receiving a reaction torque and at least one sensor (4, 10, 13) for determining a reaction torque, which is connected to a signal processing device (7), wherein at least the torque arm (3, 5, 9) and / or the shaft (11 , 12) form a reaction element which has at least one line of tension during operation. The invention is characterized in that the sensor (4, 10, 13) in a region of at least one voltage line, preferably in the region of the maximum voltage lines of the torque arm (3, 5, 9) and / or shaft (11, 12), in Operation of the device (20) detects at least one change in length and determined by the signal processing means (7) and predetermined parameters, an action torque of the shaft (11, 12) in the tool holder.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftschrauber mit einer Drehmomentenstütze, bei welchem mittels direkter Drehwinkel- und/oder Drehmomentmessung wesentliche Verschraubungsparameter eigenständig bestimmt werden bzw. eine Drehmomentenstütze mit wenigstens einem Sensor zur direkten Ermittlung eines Drehmoments eines Kraftschraubers. The present invention relates to a power wrench with a torque arm, in which by means of direct rotation angle and / or torque measurement essential Verschraubungsparameter be determined independently or a torque arm with at least one sensor for direct determination of a torque of a power wrench.
Kraftschrauber sind im Stand der Technik bekannt. Sie dienen dazu, mittels einer Welle (Antriebswelle), an deren Ende eine Werkzeugaufnahme angeordnet ist, Schrauben einzudrehen oder zu lösen. Kraftschrauber werden dabei insbesondere bei großen Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Dabei treten an der Welle häufig Drehmomente im Bereich von mehreren 1000 Newtonmetern auf. Power wrenches are known in the art. They serve by means of a shaft (drive shaft), at the end of a tool holder is arranged screw in or loosen screws. Power wrenches are used in particular for large machines or equipment. Torques in the range of several thousand Newton meters often occur on the shaft.
Insbesondere hydraulische oder pneumatische Schraubwerkzeuge werden gemäß dem Stand der Technik indirekt gesteuert. Bei einer indirekten Steuerung (gemäß der Definition in
Eine derartige Vorrichtung mit indirekter Steuerung weist unter anderem folgende Nachteile auf:
Insbesondere bei höheren Flussraten der Hydraulikflüssigkeit ergibt sich ein systematischer Messfehler durch den Staudruck. Darum wird im Stand der Technik – um diese Systeme ausreichend genau zu gestalten – meist mit relativ geringen Flussmengen gearbeitet, um dadurch den Staudruck niedrig zu halten und so die geforderte Präzision zu erreichen. Such a device with indirect control has the following disadvantages, among others:
Especially at higher flow rates of the hydraulic fluid results in a systematic measurement error due to the back pressure. Therefore, in the prior art - to make these systems sufficiently accurate - usually worked with relatively low flow rates, thereby keeping the back pressure low and thus to achieve the required precision.
Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich dabei mit sogenannten intermittierend arbeitenden Hydraulikwerkzeugen. Diese werden typischerweise bei Werkzeugen eingesetzt, welche eine Ratschen-Funktion aufweisen. Bei derartigen Kraftschraubern wird ziemlich häufig, nämlich bei jedem Ratschen-Schritt, das Hubende des Werkzeugs erreicht. Bei Kraftschraubern mit indirekter Steuerung steigt der Hydraulikdruck weiter an, ohne dass ein weiterer Drehmomentanstieg erfolgt. A particular difficulty arises with so-called intermittently working hydraulic tools. These are typically used in tools that have a ratchet function. In such power wrenches is quite often, namely at each ratchet step, the stroke end of the tool achieved. In indirect-control power wrenches, the hydraulic pressure continues to rise without any further increase in torque.
Bei weiteren Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wird auch der Drehwinkel der Welle als Messwert benötigt. Beispielsweise wird bei Vorrichtungen, die nach dem so genannten Drehmoment-Drehwinkel-Verfahren arbeiten, der Drehwinkel der Welle (Werkzeugspindel) verwendet; dieses Verfahren ermöglicht ein Anziehen im elastischen und im überelastischen Bereich. Ein weiteres Beispiel ist das so genannte Gradientenverfahren, welches ein streckgrenzengesteuertes Anziehen ermöglicht. Gemäß dem Stand der Technik wird der Drehwinkel der Welle über einen Flow-Sensor, also indirekt, gemessen, was auch bei der Bestimmung des Drehwinkels zu einer hohen Ungenauigkeit führt. In other devices according to the prior art, the rotation angle of the shaft is required as a measured value. For example, in devices that operate according to the so-called torque-rotation angle method, the rotation angle of the shaft (tool spindle) is used; This method allows a tightening in the elastic and over-elastic range. Another example is the so-called gradient method, which allows yield-strength-controlled tightening. According to the prior art, the angle of rotation of the shaft via a flow sensor, ie indirectly, is measured, which also leads to a high inaccuracy in the determination of the rotation angle.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftschrauber zur Verfügung zu stellen, der die vorstehend geschilderten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet bzw. verbessert. Darüber hinaus wird auch eine Drehmomentenstütze mit einer Sensorik zur Bestimmung des Drehmoments an einem Reaktionselement des Kraftschraubers bereitgestellt, welche mit einem im Stand der Technik bekannten Kraftschrauber verbindbar ist und damit auch die im Stand der Technik bekannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet bzw. verbessert. Against this background, it is an object of the present invention to provide a power wrench which at least partially overcomes or improves the above-described disadvantages of the prior art. In addition, a torque arm with a sensor for determining the torque is provided on a reaction element of the power wrench, which is connectable with a power wrench known in the art and thus at least partially overcomes or improves the disadvantages known in the prior art.
Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Drehmomentenstütze und einen Kraftschrauber gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 und ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. These and other objects are achieved by a torque arm and a power wrench according to
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer Werkzeugaufnahme weist mindestens eine Drehmomentenstütze und ein Gehäuse auf, wobei die Drehmomentenstütze wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses drehfest verbindbar ist. Dieser Abschnitt des Gehäuses dient zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments. In diesem Abschnitt des Gehäuses ist wenigstens ein Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments angeordnet. Dieser Sensor ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die angetriebene Welle bildet dabei ein Reaktionselement, welches im Betrieb in der Vorrichtung wenigstens eine Spannungslinie aufweist. A device according to the invention for the pneumatic or hydraulic drive of a shaft with a tool holder has at least one torque support and a housing, wherein the torque support is rotatably connected at least with a portion of the housing. This section of the housing is used to receive a reaction torque. At least one sensor for determining a reaction torque is arranged in this section of the housing. This sensor is connected to a signal processing device. At least the torque support and / or the driven shaft forms a reaction element which has at least one voltage line in operation in the device.
Der Sensor ist in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien des Reaktionselements wie beispielsweise der Drehmomentenstütze, angeordnet und erfasst im Betrieb der Vorrichtung wenigstens eine Längenänderung im Messfeld. Auf Basis dieser Längenänderung und vorgegebenen Parametern bestimmt die Signalverarbeitungseinrichtung, welche mit dem Sensor verbunden ist, ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme. The sensor is arranged in a region of the at least one voltage line, preferably in the region of the maximum voltage lines of the reaction element such as the torque arm, and detects at least one change in length in the measuring field during operation of the device. Based on this change in length and predetermined parameters, the signal processing device, which is connected to the sensor, determines an action torque of the shaft in the area of the tool holder.
Die vorliegende Erfindung umfasst hierbei sowohl die Kombination eines Kraftschraubers in Form einer Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer entsprechend sensorisch ausgerüsteten Drehmomentenstütze, als auch eine Drehmomentenstütze für sich, die aufgrund ihrer erfindungsgemäßen Ausführung mit einer entsprechenden Sensorik, dazu geeignet ist mit einem entsprechenden im Stand der Technik bekannten Karftschrauber zusammen zu wirken. In this case, the present invention comprises both the combination of a power wrench in the form of a device for pneumatic or hydraulic drive of a shaft with a correspondingly equipped torque arm, as well as a torque arm for itself, which is due to their design according to the invention with a corresponding sensor, suitable with a corresponding in the art known Karftschrauber together.
Die erfindungsgemäße Drehmomentenstütze für eine Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle mit einer Werkzeugaufnahme und einem Gehäuse, ist wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses der Vorrichtung zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments drehfest verbindbar und weist wenigstens einen Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments auf, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die in der Drehmomentenstütze aufnehmbare Welle bilden ein Reaktionselement, welches im Betrieb in der Vorrichtung wenigstens eine Spannungslinie ausbildet. Der Sensor erfasst im Betrieb der Vorrichtung in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien des Reaktionselements wenigstens eine Längenänderung und bestimmt mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme. The torque support according to the invention for a device for the pneumatic or hydraulic drive of a shaft with a tool holder and a housing, at least with a portion of the housing of the device for receiving a reaction torque rotatably connected and has at least one sensor for determining a reaction torque, which is connected to a signal processing device. At least the torque arm and / or the shaft which can be accommodated in the torque arm form a reaction element which, during operation in the device, forms at least one tension line. The sensor detects during operation of the device in a region of the at least one voltage line, preferably in the region of the maximum voltage lines of the reaction element at least one change in length and determines by means of the signal processing means and predetermined parameters an action torque of the shaft in the tool holder.
In der Kombination umfasst die Vorrichtung zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb eine Welle mit einer Werkzeugaufnahme, ein Gehäuse, eine Drehmomentenstütze, welche wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments und wenigstens einem Sensor zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist. Wenigstens die Drehmomentenstütze und/oder die Welle bilden ein Reaktionselement, welches im Betrieb wenigstens eine Spannungslinie aufweist. Der Sensor erfasst in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien der Drehmomentenstütze und/oder Welle d.h. einem Reaktionselement, im Betrieb der Vorrichtung wenigstens eine Längenänderung und bestimmt mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme. In the combination, the device for pneumatic or hydraulic drive comprises a shaft with a tool holder, a housing, a torque arm, which at least with a portion of the housing for receiving a reaction torque and at least one sensor for determining a reaction torque, with a Signal processing device is connected. At least the torque arm and / or the shaft form a reaction element which has at least one tension line during operation. The sensor detects in a range of at least one voltage line, preferably in the range of the maximum voltage lines of the torque arm and / or shaft, i. a reaction element, during operation of the device at least one change in length and determined by means of the signal processing means and predetermined parameters, an action torque of the shaft in the tool holder.
Unter einer erfindungsgemäßen Drehmomentenstütze wird dabei ein Bauteil verstanden, das zum Beispiel beim Eindrehen einer Schraube, mittels einer Welle, die Reaktionskraft aufnimmt. Ein derartiges Bauteil kann beispielsweise in einer Ausführungsform als eine Art Reaktionsarm gestaltet sein, der z.B. seitlich, bevorzugt axial zur Aktionswelle, vom Gehäuse angeordnet und mit diesem drehfest verbindbar ist. In einer weiteren Ausführungsform kann es als Reaktionshülse ausgestaltet sein, die z.B. um die Drehwelle herum angeordnet ist. Diese stützt sich dabei am Gehäuse oder einen Maschinenelement (Bauteil zur Aufnahme der Reaktionskraft) ab und greift auf der gegenüberliegenden Seite in eine, mit dem zu verschraubenden Element verbundenen Struktur kraftschlüssig ein. Solch eine Struktur kann beispielsweise eine profilierte Beilagscheibe sein, die über den anzuziehenden Schraubkopf hinausragt und auf deren Oberseite die kraftschlüssige Verbindung mit der Drehmomentenhülse und auf der anderen Seite eine reibschlüssige Verbindung mit dem zu verschraubenden Element bereit gestellt wird. Solche Systeme sind im Stand der Technik bekannt. In this case, a torque support according to the invention is understood to mean a component which absorbs the reaction force, for example when a screw is screwed in, by means of a shaft. For example, in one embodiment, such a component may be designed as a kind of reaction arm, e.g. laterally, preferably axially to the action shaft, arranged by the housing and rotatably connected with this. In another embodiment, it may be configured as a reaction sleeve, e.g. is arranged around the rotary shaft. This is based on the housing or a machine element (component for receiving the reaction force) and engages on the opposite side in a, connected to the element to be screwed structure frictionally. Such a structure may be, for example, a profiled washer, which projects beyond the screw head to be attracted and on the upper side of which the non-positive connection with the torque sleeve and on the other side a frictional connection with the element to be screwed is provided. Such systems are known in the art.
Eine derartige Drehmomentenstütze muss einen erheblichen (bei bestimmungsgemäßen Gebrauch den gleichen) Teil der Reaktionskraft aufnehmen, welche durch das Aktions-Drehmoment der Welle verursacht wird. Dadurch entsteht eine Torsion der Welle bzw. der Drehmomentstütze, und es bilden sich in und auf der Welle bzw. Drehmomentenstütze Spannungslinien. Entlang dieser Spannungslinien lassen sich Längenänderungen feststellen und mittels eines geeigneten Sensors erfassen. Die Längenänderungen sind eine Funktion des Reaktions-Drehmoments. Diese Funktion kann im einfachsten Fall ein proportionaler Zusammenhang zwischen Reaktions-Drehmoment und Längenänderung sein. Such a torque arm has to absorb a considerable part of the reaction force, which is caused by the action torque of the shaft (same use under normal use). This results in a torsion of the shaft or the torque arm, and it forms in and on the shaft or torque arm tension lines. Length changes can be detected along these stress lines and detected by means of a suitable sensor. The length changes are a function of the reaction torque. In the simplest case, this function can be a proportional relationship between the reaction torque and the change in length.
Unter einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung wird dabei ein Controller oder ein ähnlicher Rechner verstanden, welcher aus den Messwerten des Sensors oder der Sensoren ein Soll-Drehmoment für die Welle errechnet, mit welchem der pneumatische oder hydraulische Antrieb gesteuert wird. In this case, a signal processor according to the invention is understood to be a controller or a similar computer which calculates from the measured values of the sensor or the sensors a nominal torque for the shaft with which the pneumatic or hydraulic drive is controlled.
Unter einem erfindungsgemäßen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb wird eine Druckquelle, beispielsweise eine Hydraulikpumpe oder einen Kompressor, verstanden. Diese Druckquelle ist über eine geeignete Schnittstelle steuerbar. Als Stellgröße wird dabei beispielsweise das Soll-Drehmoment der Welle (Aktions-Drehmoment) gewählt. A pneumatic or hydraulic drive according to the invention is understood to mean a pressure source, for example a hydraulic pump or a compressor. This pressure source can be controlled via a suitable interface. As a manipulated variable, for example, the desired torque of the shaft (action torque) is selected.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur direkten Messung des Drehmoments wird also ein systematischer Messfehler, der bei der indirekten Steuerung nach dem Stand der Technik durch den Staudruck verursacht wird, vermieden. Weiterhin kann präziser und mit höherem Staudruck – und damit schneller – gearbeitet werden als bei der indirekten Steuerung. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erzielt also auch höhere Werte bei Maschinenfähigkeitsuntersuchungen (MFU) gemäß
Insbesondere bei intermittierend arbeitenden Hydraulikwerkzeugen zeigen sich die erfindungsgemäßen Vorteile besonders deutlich. So wird bei jedem Ratschen-Schritt das Hubende des Werkzeugs klar erkannt. Die Schrauben lassen sich daher mit höherer Präzision, und damit sicherer, anziehen. Especially with intermittently operating hydraulic tools, the advantages of the invention are particularly clear. Thus, with each ratcheting step, the stroke end of the tool is clearly recognized. The screws can therefore be tightened with greater precision, and thus safer.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Drehmomentenstütze ein sich wenigstens teilweise um die Welle erstreckende Stützfuß bzw. Reaktionsarm oder insbesondere eine Hülse. Die genannten Ausführungsformen sind drehfest mit dem Gehäuse einer Welle bzw. der Vorrichtung verbunden und wirken mit einem weiteren Gegenlager im Bereich einer Verschraubung zusammen. In one embodiment of the invention, the torque arm is at least partially extending around the shaft support leg or reaction arm or in particular a sleeve. The aforementioned embodiments are non-rotatably connected to the housing of a shaft or the device and cooperate with another counter bearing in the region of a screw connection.
In einer Ausführungsform kann die Druckquelle Teil eines Werkzeugs sein, welches gemäß dem Stand der Technik indirekt gesteuert wird. Dabei wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf die Welle des indirekt gesteuerten Werkzeugs aufgesetzt und mittels der Signalverarbeitungseinrichtung die Druckquelle (oder die Energieversorgung) gesteuert. Auf diese Weise können konventionelle Maschinen mit verhältnismäßig geringem Aufwand – d.h. ohne dass es erforderlich ist, die Werkzeuge komplett zu tauschen – auf einen höheren Standard der Maschinen- und Prozess-Sicherheit gebracht werden. In one embodiment, the pressure source may be part of a tool that is indirectly controlled according to the prior art. In this case, a device according to the invention is placed on the shaft of the indirectly controlled tool and controlled by the signal processing means the pressure source (or the power supply). In this way, conventional machines can be used with relatively little effort - i. without the need to completely replace the tools - be brought to a higher standard of machine and process safety.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Gegenlager für die Drehmomentenstütze, wenn diese in der Form einer Hülse ausgestaltet ist, eine profilierte Beilagscheibe. Diese Ausgestaltung führt zu einer kompakten Bauweise der Vorrichtung und hat darüberhinaus den Vorteil, dass das entsprechende Bauteil verhältnismäßig leicht herzustellen ist. In one embodiment of the invention, the counter-bearing for the torque arm, if this is designed in the form of a sleeve, a profiled washer. This embodiment leads to a compact design of the device and moreover has the advantage that the corresponding component is relatively easy to manufacture.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Sensor zur Bestimmung des Drehmoments ein Dehnungsmessstreifen (DMS) oder ein Messverfahren, welches nach dem physikalische Prinzip der Magnetostriktion arbeitet, wie z.B. ein Pulsed Current Modulation Encoding (PCME) Sensor. In an embodiment according to the invention, the sensor for determining the torque is a strain gauge (DMS) or a measuring method which operates according to the physical principle of magnetostriction, such as e.g. a Pulsed Current Modulation Encoding (PCME) sensor.
Ein DMS liefert dabei eine elektrische Kettengröße, die proportional zur Längenänderung des DMS ist. Insbesondere die DMS werden vorzugsweise im Bereich der Drehmomentenstütze so angeordnet, dass deren Messbereich sich entlang der Spannungslinien erstreckt. Dies ist vorzugsweise eine Erstreckungsrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse der Welle liegt. Ein Vorteil von einer solchen Anordnung ist es, dass in diesem Bereich relativ große Längenänderungen bestimmbar sind und damit die Messergebnisse verbessert werden. Selbstverständlich kann hiervon auch in einem gewissen Maß abgewichen werden, um ggf. bei der Positionierung der DMS anwendungsspezifische Anforderungen wie Robustheit des Systems im Betrieb mit berücksichtigen zu können. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, die DMS im Bereich relativ dünner Bauabschnitte der Drehmomentenstütze anzuordnen und ggf. auch eine Vielzahl von gegenüberliegende DMS (außen und innen) an der entsprechend gestalteten Drehmomentenstütze einzusetzen. A DMS provides an electrical chain size that is proportional to the change in length of the DMS. In particular, the strain gages are preferably arranged in the region of the torque arm so that their measuring range extends along the stress lines. This is preferably an extension direction which is substantially perpendicular to the axis of rotation of the shaft. An advantage of such an arrangement is that in this area relatively large changes in length can be determined and thus the measurement results are improved. Of course, this can also be deviated to some extent in order to possibly be able to take into account application-specific requirements such as robustness of the system during operation when positioning the strain gages. In addition, it may be advantageous to arrange the strain gages in the region of relatively thin sections of the torque arm and, if necessary, to use a large number of opposing strain gages (externally and internally) on the correspondingly designed torque arm.
Unter einem PCMC-Sensor wird ein Sensor verstanden, der den so genannten inversen magnetostriktiven Effekt ausnutzt. Dabei ändert sich ein Magnetfeld, wenn eine Kraft auf ein magnetisch codiertes Bauteil wirkt. Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mit einem derartigen Sensor die Torsion (als Funktion des Reaktions-Drehmoments) direkt an der Welle gemessen werden. A PCMC sensor is understood to mean a sensor which utilizes the so-called inverse magnetostrictive effect. In this case, a magnetic field changes when a force acts on a magnetically coded component. Such sensors are known in the art. In a device according to the invention, the torsion (as a function of the reaction torque) can be measured directly on the shaft with such a sensor.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bestimmt die Signalverarbeitungseinrichtung das Reaktions-Drehmoment an der Drehmomentenstütze und/oder der Welle mittels des Sensors und steuert damit den Antrieb der Welle. In one embodiment of the invention, the signal processing device determines the reaction torque on the torque arm and / or the shaft by means of the sensor and thus controls the drive of the shaft.
Die Signalverarbeitungseinrichtung kann die Messgrößen von einem oder von mehreren Sensoren empfangen. Die Sensoren können vom gleichen Typ sein oder unterschiedliche Messprinzipien verwenden. Entsprechend dem Funktionsprinzip und der Bauform der Sensoren können mehrere Sensoren zur Erfassung des Reaktions-Drehmoments eingesetzt werden, bevorzugt an mehreren unterschiedlichen Stellen der Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass damit eine redundante Messung des Drehmoments möglich ist. Dadurch kann beispielsweise eine höhere Präzision der Messung erreicht werden, oder es können Inkonsistenzen bei der Messung – verursacht z.B. durch den Ausfall eines Sensors oder den Bruch eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung – festgestellt werden. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Sicherheit der Systeme. The signal processing device may receive the measured quantities from one or more sensors. The sensors can be of the same type or use different measuring principles. According to the principle of operation and the design of the sensors, a plurality of sensors for detecting the reaction torque can be used, preferably at several different locations of the device. This has the advantage that a redundant measurement of the torque is possible. As a result, for example, a higher precision of the measurement can be achieved, or inconsistencies in the measurement - caused e.g. by the failure of a sensor or the breakage of a part of the device according to the invention - be detected. This leads to a further increase in the security of the systems.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist neben dem Sensor zur Bestimmung des Drehmoments wenigstens ein weiterer Sensor zur Bestimmung eines Drehwinkels der Welle vorgesehen. Dieser ist vorzugsweise aus einer Gruppe von Sensoren ausgewählt wird, welche optische, induktive oder resistive Sensoren, insbesondere axiale Drehwinkelsensoren, Hall-Sensoren, Kombinationen hiervon und dergleichen umfasst. In one embodiment according to the invention, at least one further sensor for determining a rotational angle of the shaft is provided in addition to the sensor for determining the torque. This is preferably selected from a group of sensors which comprises optical, inductive or resistive sensors, in particular axial rotation angle sensors, Hall sensors, combinations thereof and the like.
Der Drehwinkel wird dabei gegen einen (prinzipiell beliebigen) festen Punkt neben der Welle gemessen. Bei der Initialisierung wird die Nulllage festgelegt. The angle of rotation is measured against a (basically arbitrary) fixed point next to the shaft. During initialization, the zero position is set.
Ein derartiger zusätzlicher direkter Sensor führt zu einer weiteren Erhöhung der Präzision des Schraubvorgangs. Darüberhinaus wird die Redundanz erhöht, was die Sicherheit der Vorrichtung weiter verbessert. So wird bei einem Kraftschrauber nach dem Stand der Technik nicht erkannt, wenn z.B. die Werkzeugsperrklinke nicht korrekt arbeitet. Ein System mit indirekter Messung würde einen Winkelwert ausgeben, der nicht auf die Werkzeugspindel übertragen wird, wenn das System sich nicht über weitere physikalische Parameter neu referenziert, was jedoch fehlerbehaftet sein kann. Ein unabhängiger Leerlauf-Sensorselbsttest, wie er für eine MFU gefordert ist, kann somit vom Schraubsystem selbst nicht korrekt durchgeführt werden, da bei einer Manipulation der Sperrklinke des Werkzeugs oder ein Versagen des Werkzeugratschensystems die falschen Werte nicht erkannt werden. Dies hat zur Folge, dass ein nicht korrekt arbeitendes Ratschensystem im Anzugsprozess nicht erkannt wird und es somit auch zu unbemerkt falsch angezogenen Schraubverbindungen führen kann. Such an additional direct sensor leads to a further increase in the precision of the screwing operation. In addition, the redundancy is increased, which further improves the safety of the device. Thus, in a prior art power wrench, it is not recognized when e.g. the tool pawl is not working properly. An indirect measurement system would output an angle value that would not be transferred to the tool spindle if the system does not re-reference other physical parameters, but this can be erroneous. An independent idle sensor self-test, as required for a MFU, thus can not be performed correctly by the tightening system itself, as manipulation of the tool pawl or failure of the tool ratcheting system will not detect the wrong values. This has the consequence that an incorrectly operating ratchet system is not recognized in the tightening process and thus it can lead to unnoticed incorrectly tightened screw.
Damit werden auch die Anforderungen für Schraubsysteme der Sicherheitskategorie A gemäß
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme mittels hydraulischer oder pneumatischer Energiezufuhr weist folgende Schritte auf:
- • Erfassung einer Längenänderung in einem Bereich wenigstens der Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien eines Reaktionselementes, insbesondere der Drehmomentenstütze oder der Welle, mittels des Sensors, wobei die Längenänderung der Spannungslinie eine Funktion des Reaktions-Drehmoments ist;
- • Bestimmen eines Drehmoments der Welle im Bereich der Werkzeugaufnahme mittels der Signalverarbeitungseinrichtung und vorgegebenen Parametern;
- • Steuern der Energiezufuhr, als Funktion des Drehmoments der Welle.
- Detecting a change in length in a region of at least the stress line, preferably in the area of the maximum stress lines of a reaction element, in particular the torque arm or the shaft, by means of the sensor, wherein the change in length of the stress line is a function of the reaction torque;
- Determining a torque of the shaft in the area of the tool holder by means of the signal processing device and predetermined parameters;
- • controlling the energy supply, as a function of the torque of the shaft.
Die erfasste Längenänderung in einem Bereich wenigstens einer Spannungslinie kann dabei an einer Stelle oder an mehreren Stellen gemessen werden, mit einem Typ von Sensor oder mit mehreren Arten von Sensoren. Wenn es keine Beschädigungen, zum Beispiel einen Bruch, zwischen der Welle und dem Reaktion Element gab, wird der oder die Sensoren korrelierte Werte empfangen. Im Falle von redundanten Sensoren können Differenzen bei der Erfassung als Indikator für einen Fehler – des Sensors oder der Maschine – verwendet werden und die Maschine kann beispielsweise angehalten werden, bevor eine Beschädigung des Schraubsystems auftritt. The detected change in length in a region of at least one stress line can be measured at one point or at several points, with one type of sensor or with several types of sensors. If there was no damage, for example a break, between the shaft and the reaction element, the sensor (s) will receive correlated values. In the case of redundant sensors, differences in detection may be used as an indicator of an error - the sensor or the machine - and the machine may be stopped, for example, before damage to the tightening system occurs.
Die Signalverarbeitungseinrichtung verknüpft die erfassten Werte des Sensors oder der Sensoren mit vorgegebenen Parametern, zum Beispiel Funktionen oder Tabellen, welche die Abhängigkeit der Sensorwerte von einer Änderung des Reaktions-Drehmoments widerspiegeln. Nach dieser Verknüpfung und in Verbindung mit einem Regelalgorithmus wird von der Signalverarbeitungseinrichtung das Soll-Drehmoment der Welle (Aktions-Drehmoment) bestimmt. The signal processing device combines the detected values of the sensor or sensors with predetermined parameters, for example functions or tables, which reflect the dependence of the sensor values on a change in the reaction torque. After this combination and in conjunction with a control algorithm, the desired torque of the shaft (action torque) is determined by the signal processing device.
Eine Maschine, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, kann ferner für Selbsttestfunktionalität eingerichtet werden. A machine operating according to a method of the invention may be further configured for self-test functionality.
Dieses Soll-Drehmoment wird verwendet, um die Energiezufuhr der Druckquelle über eine geeignete Schnittstelle, vorzugsweise industrielle Schnittstellen zu steuern. Hierzu bietet sich vorzugsweise eine analoge Stromschnittstelle, eine analoge Spannungsschnittstelle oder schnelle Bussysteme wie z.B. ein CAN-Bus oder auch optische Busse an. This desired torque is used to control the power supply of the pressure source via a suitable interface, preferably industrial interfaces. For this purpose, preferably an analog current interface, an analog voltage interface or fast bus systems, such as e.g. a CAN bus or optical buses.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Signalverarbeitungseinrichtung zur intermittierenden Steuerung der Energiezufuhr geeignet. In a method according to the invention, the signal processing device is suitable for the intermittent control of the energy supply.
Mit einer derartigen Auslegung ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Ratschen-Betrieb bzw. für Ratschen-Systeme geeignet. Während Verfahren nach dem Stand der Technik in der Regel 2-stufig aufgebaut sind oder entsprechend langsam arbeiten, ist mit diesem Verfahren ein schnelleres, präziseres und fehlertolerantes Arbeiten möglich. With such a design, the inventive method is particularly suitable for ratchet operation or for ratchet systems. While methods of the prior art are usually constructed in two stages or work slowly, this method allows a faster, more precise and fault-tolerant working.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet die Signalverarbeitungseinrichtung zur intermittierenden Steuerung bei Frequenzen von 0,1 bis 15 Druckspitzen bzw. Hübe pro Sekunde, insbesondere bis zu 10 Druckspitzen bzw. Hübe pro Sekunde, wobei dies insbesondere je nach Werkzeugtyp abweichen kann. In a method according to the invention, the signal processing device for intermittent control operates at frequencies of 0.1 to 15 pressure peaks or strokes per second, in particular up to 10 pressure peaks or strokes per second, which may differ in particular depending on the tool type.
Mit einem erfindungsgemäßen System können mehrere Nachregel-Vorgänge vorgenommen werden, und es sind somit hohe Leistungen bei schnellen und präzisen Lastwechseln möglich. Dies erhöht erheblich die Schraubleistung, was zu höherer Gesamtleistung, verbesserter Effizienz und niedrigeren Standzeiten der Maschine führt. With a system according to the invention several readjustment processes can be carried out, and thus high powers are possible with fast and precise load changes. This significantly increases the screwing performance, resulting in higher overall performance, improved efficiency and reduced machine downtime.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren weist die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Energiezufuhr einen PID-Regler auf, wobei je nach Anforderungsschwerpunkt der Schraubanlage auch P-Regler oder PI-Regler eingesetzt werden. In a method according to the invention, the control device for controlling the power supply has a PID controller, wherein, depending on Requirement emphasis of the screwing also P-controller or PI-controller can be used.
Damit können auch hohe Anforderungen an die Regelung gemeistert werden, welche durch das Gewicht der beteiligten Bauteile, durch Strömungswiderstände des Hydraulik- bzw. Pneumatik-Systems und durch elastische Verformungen der reaktiven Teile verursacht werden. Thus, even high demands on the control can be mastered, which are caused by the weight of the components involved, by flow resistance of the hydraulic or pneumatic system and by elastic deformation of the reactive parts.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche als Kraftschrauber, insbesondere als hydraulischer Kraftschrauber, bevorzugt zur Übertragung von Kräften von über 1.000 Newtonmeter, besonders bevorzugt zwischen 1.000 und 20.000 Newtonmeter. Use of a device according to one of the preceding claims as a power wrench, in particular as a hydraulic power wrench, preferably for transmitting forces of over 1,000 Newton meters, more preferably between 1,000 and 20,000 Newton meters.
Kraftschrauber gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere im Kraftwerksbau, bei der Montage von großen Anlagen und Bauteilen, z.B. Montage und Wartung großer Windkraftanlagen eingesetzt. Die Werkzeugaufnahme weist bevorzugt einen Sechskantantrieb oder Vierkantantrieb auf. Power wrenches according to the present invention are used particularly in power plant construction, in the assembly of large installations and components, e.g. Installation and maintenance of large wind turbines used. The tool holder preferably has a hexagonal drive or square drive.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen und den Ansprüchen. Further features of the invention will become apparent from the following detailed description of embodiments of the invention in conjunction with the drawings and the claims.
Dabei zeigen: Showing:
Der Reaktionsarm
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Gehäuse casing
- 2 2
- Hydraulikkupplung hydraulic clutch
- 3 3
- Reaktionshülse reaction sleeve
- 4 4
- Sensorsystem an Reaktionshülse (PCMC-Sensor) Sensor system on reaction sleeve (PCMC sensor)
- 5 5
- Reaktionsarm, axial zur Aktionswelle Reaction arm, axial to the action shaft
- 7 7
- Signalverarbeitungseinrichtung Signal processing device
- 8 8th
- Drehwinkelsensor Rotation angle sensor
- 9 9
- Reaktionsarm, nicht axial zur Aktionswelle Reaction arm, not axial to the action shaft
- 10 10
- Drehmomentsensor im Werkzeuggehäuse Torque sensor in the tool housing
- 11 11
- Innenliegende Aktionswelle Inside action wave
- 12 12
- Aktionswelle, Welle mit Werkzeugaufnahme Action wave, shaft with tool holder
- 13 13
- Drehmomentsensor (zum Beispiel Dehnmessstreifen) Torque sensor (for example strain gauges)
- 20 20
- Kraftschrauber power wrench
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- VDI/VDE Richtlinie 2645 Blatt 2 [0018] VDI / VDE Directive 2645 Part 2 [0018]
- VDI/VDE 2862 Blatt 2 [0018] VDI / VDE 2862 Part 2 [0018]
- VDI/VDE 2862 Blatt 2 [0031] VDI / VDE 2862 Part 2 [0031]
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