DE102015103903B4 - Power wrench with direct angle and/or torque measurement - Google Patents
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Abstract
Drehmomentenstütze (3, 5, 9) einer Vorrichtung (20) zum pneumatischen oder hydraulischen Antrieb einer Welle (11, 12) umfassend einer Werkzeugaufnahme und einem Gehäuse (1),wobei die Drehmomentenstütze (3, 5, 9) wenigstens mit einem Abschnitt des Gehäuses zur Aufnahme eines Reaktions-Drehmoments drehfest verbindbar ist und wenigstens einen Sensor (4, 10, 13) zur Bestimmung eines Reaktions-Drehmoments aufweist, der mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (7) verbunden ist,wobei wenigstens die Drehmomentenstütze (3, 5, 9) und/oder die in der Drehmomentenstütze aufnehmbare Welle ein Reaktionselement bildet, welches im Betrieb der Vorrichtung (20) wenigstens eine Spannungslinie ausbildet,dadurch gekennzeichnet, dassder Sensor (4, 10, 13) im Betrieb der Vorrichtung (20) in einem Bereich der wenigstens einen Spannungslinie, vorzugsweise im Bereich der maximalen Spannungslinien des Reaktionselements (3, 5, 9) wenigstens eine Längenänderung erfasst und mittels der Signalverarbeitungseinrichtung (7) und vorgegebenen Parametern ein Aktions-Drehmoment der Welle (11, 12) im Bereich der Werkzeugaufnahme bestimmt.Torque support (3, 5, 9) of a device (20) for pneumatically or hydraulically driving a shaft (11, 12) comprising a tool holder and a housing (1), wherein the torque support (3, 5, 9) can be connected in a rotationally fixed manner to at least one section of the housing for receiving a reaction torque and has 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 support (3, 5, 9) and/or the shaft that can be received in the torque support forms a reaction element which forms at least one stress line during operation of the device (20), characterized in that the sensor (4, 10, 13) detects at least one change in length in a region of the at least one stress line, preferably in the region of the maximum stress lines of the reaction element (3, 5, 9) during operation of the device (20) and by means of the signal processing device (7) and predetermined Parameters determine an action torque of the shaft (11, 12) in the area of 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 screwdriver with a torque arm, in which essential screwing parameters are determined independently by means of direct angle of rotation and/or torque measurement, or a torque arm with at least one sensor for directly determining a torque of a power screwdriver.
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 screwdrivers are well known in the art. They are used to screw in or loosen screws using a shaft (drive shaft) at the end of which a tool holder is arranged. Power screwdrivers are used in particular for large machines or systems. 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 VDI/VDE Richtlinie 2862 Blatt 2) wird der - meist an der Druckquelle gemessene - hydraulische (oder pneumatische) Druck der Energiezufuhr zur Berechnung des Soll-Drehmomentwertes an der Welle herangezogen. Im Folgenden wird meist von hydraulischen Vorrichtungen gesprochen. Dies impliziert aber, dass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren in analoger Weise auch auf pneumatische Vorrichtungen und Verfahren anzuwenden sind.Hydraulic or pneumatic screwing tools in particular are controlled indirectly according to the state of the art. With indirect control (according to the definition in VDI/VDE Guideline 2862 Sheet 2), the hydraulic (or pneumatic) pressure of the energy supply - usually measured at the pressure source - is used to calculate the target torque value on the shaft. In the following, we will mostly talk about hydraulic devices. However, this implies that the devices and methods according to the invention can also be applied in an analogous manner to pneumatic devices and methods.
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: Particularly at higher flow rates of the hydraulic fluid, a systematic measurement error arises due to the back pressure. Therefore, in the state of the art - in order to make these systems sufficiently accurate - relatively low flow rates are usually used in order to keep the back pressure low and thus 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 operating hydraulic tools. These are typically used with tools that have a ratchet function. With such power wrenches, the end of the tool's stroke is reached quite frequently, namely with each ratchet step. With power wrenches with indirect control, the hydraulic pressure continues to rise without a 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 state of the art, the angle of rotation of the shaft is also required as a measurement value. For example, in devices that work according to the so-called torque-angle of rotation method, the angle of rotation of the shaft (tool spindle) is used; this method enables tightening in the elastic and over-elastic range. Another example is the so-called gradient method, which enables yield point-controlled tightening. According to the state of the art, the angle of rotation of the shaft is measured via a flow sensor, i.e. indirectly, which also leads to a high degree of inaccuracy when determining the angle of rotation.
WO 2003/ 006 208 A1 betrifft einen Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung, mit einer Antriebseinheit und einem nachgeschalteten Planetengetriebe, das einen Planetenradträgerenthält. Dazu ist eine Kombination aus einer Drehmomenterfassung und einer Drehstellungserfassung für eine Nachlaufsteuerung vorgesehen.WO 2003/ 006 208 A1 relates to a power wrench with electronic torque limitation, with a drive unit and a downstream planetary gear that contains a planetary gear carrier. For this purpose, a combination of torque detection and rotational position detection is provided for follow-up control.
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, the object of the present invention is to provide a power wrench that at least partially overcomes or improves the disadvantages of the prior art described above. In addition, a torque support with a sensor system for determining the torque on a reaction element of the power wrench is also provided, which can be connected to a power wrench known in the prior 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 support and a power screwdriver 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 pneumatically or hydraulically driving a shaft with a tool holder has at least one torque support and a housing, wherein the torque support can be connected in a rotationally fixed manner to at least one section of the housing. This section of the housing serves to absorb 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 stress line in the device during operation.
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 an area of the at least one stress line, preferably in the area of the maximum stress lines of the reaction element such as the torque support, 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.The present invention includes both the combination of a power wrench in the form of a device for pneumatically or hydraulically driving a shaft with a torque arm equipped with corresponding sensors, as well as a torque arm per se, which, due to its inventive design with corresponding sensors, is suitable for working together with a corresponding power wrench known in the prior art.
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 pneumatically or hydraulically driving a shaft with a tool holder and a housing can be connected in a rotationally fixed manner to at least one section of the housing of the device for absorbing a reaction torque and has at least one sensor for determining a reaction torque, which is connected to a signal processing device. At least the torque support and/or the shaft that can be accommodated in the torque support form a reaction element that forms at least one stress line in the device during operation. During operation of the device, the sensor detects at least one change in length in an area of the at least one stress line, preferably in the area of the maximum stress lines of the reaction element, and determines an action torque of the shaft in the area of the tool holder by means of the signal processing device and predetermined parameters.
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 combination, the device for pneumatic or hydraulic drive comprises a shaft with a tool holder, a housing, a torque arm, which is connected to at least a section of the housing for receiving a reaction torque, and 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 form a reaction element, which has at least one stress line during operation. The sensor detects at least one change in length in an area of the at least one stress line, preferably in the area of the maximum stress lines of the torque arm and/or shaft, i.e. a reaction element, during operation of the device and determines an action torque of the shaft in the area of the tool holder by means of the signal processing device and predetermined parameters.
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 einerweiteren 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.A torque support according to the invention is understood to be a component that absorbs the reaction force, for example when a screw is screwed in, by means of a shaft. Such a component can, for example, be designed in one embodiment as a type of reaction arm, which is arranged, for example, to the side of the housing, preferably axially to the action shaft, and can be connected to it in a rotationally fixed manner. In another embodiment, it can be designed as a reaction sleeve, which is arranged, for example, around the rotary shaft. This is supported on the housing or a machine element (component for absorbing the reaction force) and, on the opposite side, engages in a structure connected to the element to be screwed in a force-fitting manner. Such a structure can, for example, be a profiled washer that protrudes beyond the screw head to be tightened and on the top of which the force-fitting connection with the torque sleeve is provided and on the other side a friction-fitting connection with the element to be screwed in is provided. Such systems are known in the prior 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 support must absorb a significant (the same when used as intended) part of the reaction force caused by the action torque of the shaft. This causes torsion of the shaft or torque support, and stress lines form in and on the shaft or torque support. Length changes can be determined along these stress lines and recorded using 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 reaction torque and length change.
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.A signal processing device according to the invention is understood to be a controller or a similar computer which calculates a target torque for the shaft from the measured values of the sensor or sensors, 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 be a pressure source, for example a hydraulic pump or a compressor. This pressure source can be controlled via a suitable interface. The target torque of the shaft (action torque) is selected as the control variable.
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 VDI/VDE Richtlinie 2645 Blatt 2. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für Schraubsysteme der Sicherheitskategorie A gemäß VDI/VDE 2862 Blatt 2 zugelassen werden. Eine Kernaussage der Richtlinie ist es, für Schraubfälle mit hoher Risikobewertung nur solche Schraubsysteme als geeignet einzustufen, welche die direkte Messung von Drehwinkel und/oder Drehmoment aufweisen.With a device according to the invention for direct measurement of torque, a systematic measurement error that is caused by the dynamic pressure in indirect control according to the state of the art is avoided. Furthermore, work can be carried out more precisely and with higher dynamic pressure and thus faster than with indirect control. A device according to the invention therefore also achieves higher values in machine capability tests (MFU) in accordance with VDI/VDE Guideline 2645
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.The advantages of the invention are particularly evident in intermittently operating hydraulic tools. The end of the tool's stroke is clearly identified with each ratchet step. The screws can therefore be tightened with greater precision and therefore more safely.
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 an embodiment according to the invention, the torque support is a support foot or reaction arm that extends at least partially around the shaft or, in particular, a sleeve. The embodiments mentioned are connected in a rotationally fixed manner to the housing of a shaft or the device and interact with a further counter bearing in the area 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 can 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 the pressure source (or the energy supply) is controlled by means of the signal processing device. In this way, conventional machines can be brought to a higher standard of machine and process safety with relatively little effort - i.e. without it being necessary to completely replace the tools.
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 an embodiment according to the invention, the counter bearing for the torque support, when it is designed in the form of a sleeve, is a profiled washer. This design leads to a compact construction of the device and also 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 (SG) or a measuring method that works according to the physical principle of magnetostriction, such as 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 strain gauge provides an electrical chain variable that is proportional to the change in length of the strain gauge. In particular, the strain gauges are preferably arranged in the area of the torque arm so that their measuring range extends along the stress lines. This is preferably an extension direction that is essentially perpendicular to the axis of rotation of the shaft. One advantage of such an arrangement is that relatively large changes in length can be determined in this area, thus improving the measurement results. Of course, this can also be deviated from to a certain extent in order to be able to take application-specific requirements such as the robustness of the system during operation into account when positioning the strain gauges. In addition, it can be advantageous to arrange the strain gauges in the area of relatively thin sections of the torque arm and, if necessary, to use a large number of opposing strain gauges (outside and inside) on the appropriately 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 a sensor that uses the so-called inverse magnetostrictive effect. A magnetic field changes when a force acts on a magnetically coded component. Such sensors are known in the prior art. In a device according to the invention, the torsion (as a function of the reaction torque) can be measured directly on the shaft using 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 an embodiment according to the invention, the signal processing device determines the reaction torque on the torque support 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 can receive the measured variables from one or more sensors. The sensors can be of the same type or use different measuring principles. Depending on the functional principle and the design of the sensors, several sensors can be used to record the reaction torque, preferably at several different points on the device. This has the advantage that redundant measurement of the torque is possible. This can, for example, achieve greater measurement precision or detect inconsistencies in the measurement - caused, for example, by the failure of a sensor or the breakage of a part of the device according to the invention. This leads to a further increase in the safety 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 an embodiment according to the invention, in addition to the sensor for determining the torque, at least one further sensor is provided for determining a rotation angle of the shaft. This is preferably selected from a group of sensors which includes 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 (in principle arbitrary) fixed point next to the shaft. The zero position is determined during initialization.
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 process. In addition, redundancy is increased, which further improves the safety of the device. For example, with a state-of-the-art power screwdriver, it is not detected if the tool pawl is not working correctly. A system with indirect measurement would output an angle value that is not transferred to the tool spindle if the system does not re-reference itself using other physical parameters, which can, however, be subject to errors. An independent idle sensor self-test, as required for an MFU, cannot therefore be carried out correctly by the screwing system itself, since the incorrect values are not detected if the tool pawl is manipulated or the tool ratchet system fails. This means that a ratchet system that is not working correctly is not detected in the tightening process and can therefore lead to screw connections being tightened incorrectly without being noticed.
Damit werden auch die Anforderungen für Schraubsysteme der Sicherheitskategorie A gemäß VDI/VDE 2862 Blatt 2 erfüllt.This also meets the requirements for screw systems of safety category A according to VDI/VDE 2862
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 region of the maximum stress lines of a reaction element, in particular the torque support 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 specified parameters;
- • Controlling the energy supply as a function of the shaft torque.
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 an area 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 the detection can be used as an indicator of a fault - in the sensor or the machine - and the machine can be stopped, for example, before damage to the screw 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 links the values recorded by the sensor or sensors with specified parameters, for example functions or tables, which reflect the dependence of the sensor values on a change in the reaction torque. After this linking and in conjunction with a control algorithm, the signal processing device determines the target torque of the shaft (action torque).
Eine Maschine, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, kann ferner für Selbsttestfunktionalität eingerichtet werden.A machine operating according to a method according to the invention can further be 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 target torque is used to control the energy supply of the pressure source via a suitable interface, preferably an industrial interface. An analog current interface, an analog voltage interface or fast bus systems such as a CAN bus or optical buses are ideal for this.
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 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 method according to the invention is particularly suitable for ratchet operation or for ratchet systems. While methods according to the state of the art are usually designed in two stages or work accordingly slowly, this method enables faster, more precise and error-tolerant work.
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, whereby this can vary 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 adjustment processes can be carried out and high performance with fast and precise load changes is thus possible. This significantly increases the screwing performance, which leads to higher overall performance, improved efficiency and lower 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 energy supply has a PID controller, whereby P controllers or PI controllers are also used depending on the main requirements of the screw system.
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.This makes it possible to meet even the highest demands on control, 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 more than 1,000 Newton meters, particularly 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 screwdrivers according to the present invention are used in particular in power plant construction, in the assembly of large systems and components, e.g. assembly and maintenance of large wind turbines. The tool holder preferably has a hexagon 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:
-
1 : die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einem axial um die Welle abgestützten Reaktionsarm; -
2 : die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeugs mit einer nicht axial zur Welle angeordneten Reaktionsarmvorrichtung; -
3 : die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einer Reaktionshülse; -
4 : die Skizze eines erfindungsgemäßen Hydraulikwerkzeuges mit einer Reaktionshülse mit Öffnungen zur Aktionswelle; -
5 : Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme gemäß dem Stand der Technik; -
6 : Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Erfassung des Drehmoments; -
7 : Schema eines Verfahrens zum Antrieb einer Welle mit Werkzeugaufnahme in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Erfassung des Drehmoments und des Drehwinkels.
-
1 : the sketch of a hydraulic tool according to the invention with a reaction arm supported axially around the shaft; -
2 : the sketch of a hydraulic tool according to the invention with a reaction arm device not arranged axially to the shaft; -
3 : the sketch of a hydraulic tool according to the invention with a reaction sleeve; -
4 : the sketch of a hydraulic tool according to the invention with a reaction sleeve with openings to the action shaft; -
5 : Scheme of a method for driving a shaft with tool holder according to the prior art; -
6 : Diagram of a method for driving a shaft with tool holder in an embodiment according to the invention with detection of the torque; -
7 : Diagram of a method for driving a shaft with tool holder in an embodiment according to the invention with detection of the torque and the angle of rotation.
Der Reaktionsarm 9 ist anders angeordnet als bei
Versuche zeigen, dass sich bei dieser Ausführungsform die gut bestimmbaren Kraftlinien im unteren oder im oberen Bereich der Öffnungen d.h. diesbezüglich außer mittig befinden. Insbesondere muß durch die Anordnung vermieden werden, dass man den DMS im Bereich sogenannter Neutralllienien anordnet, da dort keine bzw. nur geringe Längenänderungen bestimmbar sind.Tests show that in this embodiment the easily determinable lines of force are located in the lower or upper area of the openings, i.e. off-center. In particular, the arrangement must avoid arranging the strain gauge in the area of so-called neutral lines, since no or only slight changes in length can be determined there.
Liste der Bezugszeichen:List of reference symbols:
- 11
- GehäuseHousing
- 22
- HydraulikkupplungHydraulic coupling
- 33
- ReaktionshülseReaction sleeve
- 44
- Sensorsystem an Reaktionshülse (PCMC-Sensor)Sensor system on reaction sleeve (PCMC sensor)
- 55
- Reaktionsarm, axial zur AktionswelleReaction arm, axial to the action shaft
- 77
- SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing device
- 88th
- DrehwinkelsensorAngle sensor
- 99
- Reaktionsarm, nicht axial zur AktionswelleLow reaction, not axial to the action shaft
- 1010
- Drehmomentsensor im WerkzeuggehäuseTorque sensor in the tool housing
- 1111
- Innenliegende AktionswelleInternal action shaft
- 1212
- Aktionswelle, Welle mit WerkzeugaufnahmeAction shaft, shaft with tool holder
- 1313
- Drehmomentsensor (zum Beispiel Dehnmessstreifen)Torque sensor (e.g. strain gauge)
- 2020
- KraftschrauberPower screwdriver
Claims (12)
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-
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