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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schraubgerätes, das zur Durchführung eines Schraubvorgangs verwendbar ist, sowie ein solches Schraubgerät.
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Stand der Technik
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Bei Montagearbeiten, insbesondere im industriellen Bereich, kommen Schraubgeräte zum Einsatz, die einfach und flexibel handhabbar sind. Dazu können solche Schraubgeräte bspw. von einem Benutzer aufgenommen, benutzt und wieder zurückgelegt werden.
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Weiterhin kommen in der industriellen Fertigung, bspw. im Automobilbau, auch stationäre Arbeitsgeräte bzw. Anlagen als Schraubgeräte zum Einsatz.
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Für eine gewisse Prozesssicherheit kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die mit dem Schraubgerät durchzuführenden und/oder durchgeführten Montagevorgänge, bspw. das Festdrehen einer Schraube zur Entlastung des Bedieners automatisch ausgeführt werden.
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Die
EP 2578353 A2 zeigt wie ein Schrauber über die Verschraubungsposition gebracht und durch Schubstart gestartet wird. Schubstartfunktionen erfordern mechanische Elemente im Schrauber, welche störungsempfindlich, verschleißbehaftet und damit wenig Prozesssicher sind. Schubstangen können sowohl bei pneumatischen Schraubern als auch bei elektrischen Schraubern als bekannt vorausgesetzt werden. Bei pneumatischen Schraubern betätigt die Schubstange ein Ventil. Bei elektrischen Schraubern betätigt die Schubstange einen Taster.
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Wünschenswert ist eine weniger verschleißbehaftete Schubstartfunktion, welche die Prozesssicherheit erhöht und den Bediener entlastet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Schraubgerätes sowie ein solches Schraubgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben eines Schraubgerätes mit einem Startbedienelement, das zur Durchführung eines Schraubprozesses verwendbar ist. Hierbei wird mittels wenigstens eines, von dem Arbeitsgerät umfassten Sensors eine entlang der Rotationsachse des Schraubgeräteabtriebs vollzogene Bewegung des Schraubgerätes vom Schraubgerät selbst erfasst. Es ist vorgesehen den Abtrieb in Abhängigkeit von der erfassten Bewegung und unabhängig von einer Betätigung des Startbedienelementes in Rotation zu versetzen.
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Mit dem Sensor und einer entsprechenden Aufzeichnung der Sensorsignale lassen sich Bewegungsmuster umfassend Informationen zur Lage und/oder Beschleunigung des Schraubgerätes erfassen. Bevorzugt kann der Sensor auch auf Drehbewegungen reagieren. Der Sensor stellt besonders bevorzugt ein zeitabhängiges Sensorausgangssignal bereit. Es ist bevorzugt ein Gyrosensor vorgesehen, welcher die Lageänderungen erkennt, insbesondere die Lage innerhalb eines 3 dimensionalen Koordinatensystems. Der Sensor liefert in Bezug auf eine bestimmte Achse Signale, welche auf die Lage des Schraubgerätes relativ zu dieser Achse schließen lassen. Weiter bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ zum Gyrosensor ein Beschleunigungssensor vorgesehen, welcher die Beschleunigung erfasst. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um einen Sensor der sowohl Lage als auch Beschleunigung erfasst. Der Sensor ist derart am Schraubgerät angeordnet, dass zumindest die Lage und/oder die Beschleunigung des Schraubgerätes relativ zu einer Achse bestimmbar ist, welche im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Abtriebs verläuft oder mit dieser im Wesentlichen übereinstimmt.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lösung ist gegenüber einem mechanischem Schubstart weniger aufwändig bei der Realisierung und weniger verschleißanfällig, denn eine Mechanik kann eingespart werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist damit im Wesentlichen verschleißfrei, frei parametrierbar und liefert für den Bediener eine einfache und intuitive Handhabung des Schraubgerätes. Zusätzlich wird der Bediener geschützt, weil das Schraubgerät nicht startet, auch wenn auf den Abtrieb ein Druck ausgeübt wird, z.B. beim Werkzeugwechsel. Bei einem mechanischer Schubstart besteht in derartigen Fällen das Risiko, dass der Abtrieb startet und sich der Bediener verletzt, sofern er nicht andere Sicherheitsvorkehrungen getroffen hat. Aus dem Sensorsignal ist eine Lage- und/oder Wegezuordnung möglich, welche die meachanische Lage- und/oder Wegezuordnung einer mechanischen Schubstange ersetzt.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es somit, nur unter gewissen Voraussetzungen den Start des Schraubgerätes, insbesondere den Start des Schraubprozesses, d.h. einen Schraubvorgang, freizugeben. Auf diese Weise wird die Prozesssicherheit, aber auch die Personensicherheit, deutlich erhöht, da bspw. die Durchführung des Schraubprozesses unter nicht optimalen oder nicht gewünschten Bedingungen vermieden bzw. verhindert werden kann. Außerdem kann die Durchführung des Arbeitsprozesses bei gleichbleibender Prozesssicherheit beschleunigt werden, da keine Reaktionszeit eines Bedieners mehr abgewartet werden muss.
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Bevorzugt ist auch vorgesehen, mit dem Erfassen der Bewegung die Winkellage der Rotationsachse des Abtriebs relativ zur Rotationsachse der Einschraubstelle für eine Schraube an einem Werkstück zu überwachen, um einen Start nur dann zu realisieren, wenn beide Rotationsachsen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dies kann beispielsweise mittels einer Hüllkurve realisiert sein, welche eine zulässige Abweichung der Rotationsachse des Abtriebs von der Senkrechten im Raum, in dem das Schraubgerät angeordnet ist, oder einer sonstigen am Schraubgerät einstellbaren Referenzachse.
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Weiter bevorzugt werden mit dem Erfassen der Bewegung auch die charakteristischen Eigenschaften der Schraube, insbesondere des Schraubkopfes, erfasst, so dass zusätzlich auch ein formschlüssiger Eingriff eines am Abtrieb angeordneten Werkzeuges in die Schraube erkannt und beim Start der Rotation berücksichtigt wird. Schraubstellenspezifische charakteristische Bewegungsmuster, welche einen formschlüssigen Eingriff signalisieren, werden hierzu erkannt und beim Start der Rotation berücksichtigt. Hierzu beginnt sich der Abtrieb zunächst mit reduzierter Rotationsgeschwindigkeit um wenige Winkelgrade automatisch erfindungsgemäß zu drehen, sobald ein am Abtrieb angeordnetes Werkzeug auf der Schraube aufsitzt. Es gibt nun zwei Szenarien. Szenario 1: Der Abtrieb dreht weiter, wobei sich das Werkzeug nur geringfügig oder gar nicht in Richtung der Rotationsachse bewegt. Szenario 2: Der Abtrieb dreht weiter, wobei sich das Werkzeug zunächst ruckartig in Richtung der Rotationsachse bewegt. Im letzteren Fall kann davon ausgegangen werden, dass sich das Werkzeug und der Schraubenkopf beim Aufsetzen nicht formschlüssig im Eingriff befanden. Um dies sicherzustellen, wird erst nach Drehung des Abtriebs um wenige Winkelgrade erfindungsgemäß auf die volle Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt. Dies hat den Vorteil, dass Werkzeug und der Schraubenkopf nicht beschädigt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Eingriff des Schraubengewindes in den Gewindeanfang auf sanfte Art und Weise erfolgt, um beide Gewinde zu schonen. Verkantungen werden frühzeitig erkannt.
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Es wird somit mit dem Erfassen der Bewegung auch ein Aufsetzen eines am Abtrieb angeordneten Werkzeuges auf dem Kopf der Schraube ermittelt, wobei zusätzlich auch dieses Aufsetzen beim Start der Rotation berücksichtigt wird, um den optimalen Startpunkt für die Rotation des Abtriebs zu erhalten.
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Mit der Erfassung der Bewegung wird daher bevorzugt auch der Weg erfasst, den das Schraubgerät entlang zumindest einer Achse bewegt, bevor der Abtrieb unabhängig von einer Betätigung des Startbedienelementes in Rotation versetzt wird. Idealerweise ermittelt man daher den Weg durch eine zweifache Integration der Beschleunigung. Hierzu ist in einer Schraubsteuerung ein Algorithmus implementiert, vorzugsweise mit Signalfilterung, um Störungen im niederfrequenten Bereich auszufiltern.
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Dies hat den Vorteil, dass der Start der erfindungsgemäßen Rotation unabhängig von der Lage des Schraubgerätes im Raum sichergestellt werden kann. So kommt die erfindungsgemäße Idee beispielsweise auch beim Überkopfschrauben unter Berücksichtigung des zurückgelegten Weges des Schraubgerätes entlang der Rotationsachse erfolgen.
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Beim Start der Rotation wird besonders bevorzugt eine vom Schraubgerät umfasste optische und/oder akustische Rückmeldeeinrichtung aktiviert, da der bei mechanischen Lösungen mit dem Start verbundene mechanische Ruck nun fehlt, welcher dem Bediener als taktile Rückmeldung diente. Diese taktile Rückmeldung wird nun durch diese erfindungsgemäße optische und/oder akustische Rückmeldung ersetzt.
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In einer besonderen Ausführungsform wird mittels einer Schraubgerätesteuerung die erfasste Bewegung zu einem Bewegungsmuster verarbeitet und mit einem in einem Speicher des Schraubgerätes oder der Schraubsteuerung abgelegten Referenzbewegungsmuster verglichen. Die Schraubgerätesteuerung ist in einer ersten Variante des Schraubgerätes vom Schraubgerät umfasst und in einer zweiten Variante des Schraubgerätes als externe Schraubsteuerung realisiert, welche mit dem Schraubgerät drahtlos oder drahtgebunden kommuniziert.
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Bevorzugt sind bei den Varianten der zuvor genannten Ausführungsform die Kriterien zur Erfassung der Bewegung mittels der Schraubgerätesteuerung vorgebbar. Es könnte beispielsweise vorgegeben sein, dass ein Bewegungsmuster mit dem Referenzbewegungsmuster als übereinstimmend von einer auf der Schraubsteuerung ablaufenden Software immer dann erkannt wird, wenn die Beschleunigung einen bestimmten Gradienten und/oder eine bestimmte Höhe, insbesondere innerhalb einer bestimmten Zeitdauer, erreicht. Gradient, Höhe und Zeit stellen in diesem Falle einstellbare Parameter der Software dar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einer kabelgebundenen, mobilen Schraubspindel mit handführbares Schraubgerät implementiert sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch auf einer integrierten Schraubsteuerung eines kabellosen handführbaren Schraubgerätes mit auswechselbarem Akku implementiert sein.
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Ein erfindungsgemäßes Arbeitsgerät, insbesondere ein mobiles Schraubgerät, ist insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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| Schraubgerät |
100 |
| Startbedienelement |
101 |
| Abtrieb |
102 |
| Schraube |
103 |
| Werkstück |
104 |
| Sensor |
105 |
| Rotationsachse |
106 |
| Bewegung |
107 |
| Werkzeug |
108 |
| Rückmeldeeinrichtung |
109 |
| Schraubgerätesteuerung |
110 |
| Kabel |
111 |
| Funkverbindung |
112 |
| Speicher |
113 |
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schraubgerät.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist gezeigt ein mobiles Schraubgerät 100 mit Startbedienelement 101 und Abtrieb 102 in einer bevorzugten Ausführungsform. Es versteht sich, dass ein mobiles Schraubgerät auch andere Formen aufweisen kann, insbesondere bspw. die Form eines Mittelgriffschraubers oder eines Winkelschraubers. Diese Ausführungsformen können zur Energieversorgung mit Kabeln versehen sein oder einen Akkupack umfassen. Für alle Ausführungsformen gelten die folgenden Ausführungen entsprechend, sofern nicht gesondert auf Ausnahmen hingewiesen wird.
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Der Abtrieb 102 ist mittels eines Elektromotors realisiert und kann um die Rotationsachse 106 rotieren. Weiter sind eine Schraube 103 und ein Werkstück 104 abgebildet. Der Abtrieb 102 ist ausgebildet, um ein Werkzeug 108 (z.B. Bit) zu umfassen. Über ein Getriebe ist eine Welle mit einem Elektromotor gekoppelt, über den auf die Welle und damit auf den Abtrieb ein Drehmoment ausgeübt werden kann, sodass der Abtrieb rotieren kann.
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Das Gehäuse des Schraubgerätes 100 umfasst ebenfalls einen Sensor 105, insbesondere einen Gyrosensor und/oder einen Beschleunigungssensor. Der Sensor 105 ist geeignet eine Bewegung 107 des Schraubgerätes 100 zu erfassen und die Sensorsignale mit einer Schraubgerätesteuerung 110 auszutauschen. Die Schraubgerätesteuerung 110 ist in dieser Ausführungsform außerhalb des Schraubgerätes 100 angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) ist - bei sonst unveränderten Merkmalen - die Schraubgerätesteuerung 110 in das Schraubgerät 100 integriert. Die externe Schraubgerätesteuerung 110 kommuniziert mit dem Schraubgerät 100 mittels eines (Hybrid-) Kabels 111, welches einerseits die Energieversorgung des Schraubgerätes 100 gewährleistet und andererseits auch Signale zwischen Schraubgerätesteuerung 110 und Schraubgerät 100 transportiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine solche Kommunikation auch mittels einer Funkverbindung 112 erfolgen. Im Speicher 113 des Schraubgerätes 100 sind bevorzugt Sensordaten und oder Referenzbewegungsmuster abgelegt.
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Auf der Schraubgerätesteuerung 110 ist ein Anwendungsprogramm zur Betreiben des Schraubgerätes 100 hinterlegt. Es handelt sich insbesondere um ein sogenanntes messendes Schraubgerät, d.h. es können bspw. Drehmomente bzw. Anzugsdrehmomente vorgegeben und überwacht, überprüft und während des Schraubvorgangs mit protokolliert werden.
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Der Sensor 105 ist hier separat von der Schraubgerätesteuerung 110 gezeigt. Bei einem Schraubgerät 100 mit integrierter Schraubgerätesteuerung 110 ist dieser bevorzugt bei in die Schraubgerätesteuerung 110 integriert. Mittels des Sensors 110 können Beschleunigungen und/oder Lagen und/oder Geschwindigkeiten, denen das Schraubgerät 100 ausgesetzt ist, erfasst werden. Im vorliegenden Fall kann der Sensors 110 wenigstens in paralleler Richtung zur Rotationsachse 106 Beschleunigungen und/oder Lagen und/oder Geschwindigkeiten erfassen. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Sensor 110 als 3D-Sensor ausgebildet ist und somit Beschleunigungen und/oder Lagen und/oder Geschwindigkeiten in wenigstens zwei weiteren Richtungen erfassen kann oder dass hierfür weitere eindimensionale Sensoren 110 vorgesehen sind.
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Eine Beschleunigung kann zunächst einen kleinen, positiven Betrag aufweisen. Dies kann bspw. bedeuten, dass das Schraubgerät 100 in Richtung der Rotationsachse 106 auf das Werkstück 104 zubewegt wird. Weiterhin ist ein starker Anstieg der Beschleunigung in negativer Richtung im Sinne eines kurzen Impulses, d.h. eine starke, kurzer Abbremsung möglich, gefolgt von einem weniger stark ausgeprägten positiven Anstieg mit anschließender Beschleunigung mit Wert Null. Dieser Impuls bedeutet, dass das Schraubgerät 100 beim Auftreffen des Abtriebs 102 mit eingeführtem Werkzeug 108 auf die Schraube 103 in kurzer Zeit stark abgebremst wird. Eine Beschleunigung vom Wert Null bedeutet, dass das Schraubgerät 100 nicht mehr bewegt wird und somit in Kontakt mit der Schraube und den Materialien bleibt.
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Dieser Verlauf der Beschleunigung während der Zeitdauer Δt entspricht einem Bewegungsmuster M. Ein solches Bewegungsmuster kann dabei typisch für die übliche Bewegung zum Ansetzen des Schraubgerätes 100 an eine Schraube 103 sein und kann daher auch als Vergleichsmuster entsprechend hinterlegt werden. Wird nun während der Erfassung der Beschleunigung ein solches Referenzbewegungsmuster erkannt, das - zumindest innerhalb vorgebbarer (z.B. einlernbarer) und/oder vorgegebener Grenzen, d.h. bspw. innerhalb gewisser Messtoleranzen - mit dem Vergleichsmuster übereinstimmt, so kann darauf geschlossen werden, dass ein Kontakt mit der Schraube 103 hergestellt worden ist.
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Sobald nun das Arbeitsgerät mit hinreichender Kraft bzw. hinreichendem Druck auf das bzw. die Werkstücke gedrückt wird, d.h. das Bewegungsmuster erkannt wurde, kann das Durchführen des Arbeitsprozesses, also bspw. der Schraubvorgang, freigegeben und ggf. auch automatisch vorgenommen werden. Für Lagen und/oder Geschwindigkeiten sind bevorzugt ebenfalls Referenzgeschwindigkeitsmuster im Speicher 113 des Schraubgerätes 100 hinterlegt, so dass das erfindungsgemäße Schraubgerät 100 eingerichtet ist auch Lagen und/oder Geschwindigkeiten zu berücksichtigen.
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Der vom Schraubgerät 100 umfasste Sensor 105 erfasst eine entlang der Rotationsachse 106 des Abtriebs 102 vollzogene Bewegung 107 des Schraubgerätes, um den Abtrieb 102 in Abhängigkeit von dieser erfassten Bewegung 107 und unabhängig von einer Betätigung des Startbedienelementes 101 mittels der Schraubsteuerung 112 in Rotation zu versetzen.
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Es ist also möglich das Schraubgerät 100 zu starten, ohne den Startschalter betätigen zu müssen. Bei gesteuerten Schraubgeräten 100 mit eingebautem Sensor wird dieser dazu verwendet, ein bestimmtes Bewegungsschema und ein Aufsetzen des Schraubgerätes 100 auf der Schraube 103 zu erkennen und anschließend das Schraubgerät 100 rein softwarebasiert und damit verschleißfrei selbsttätig zu starten. Vereinfacht ausgedrückt teilt der im Schrauber integrierte Sensor 105 der Schraubgerätesteuerung 110 mit, wenn das Schraubgerät 100 in Schraubrichtung bewegt wird. Das Schraubgerät 100 wird so auf den bevorstehenden Schraubvorgang vorbereitet. Es folgt ein Aufsetzen des Schraubgerätes 100 auf einen Gegenstand (z.B. Schraube, Werkstück o.ä.). Die Schraubgerätesteuerung 110 erkennt diesen Ablauf als ein gültiges Bewegungsmuster zum Starten des Schraubers. Das Bewegungsmuster kann entsprechend der zu bedienenden Schraubstellen festgelegt werden, z.B. „Schrauberbewegung abwärts“ mit Auftreffimpuls ist gültig, „Schrauberbewegung aufwärts“ ohne Auftreffimpuls ist ungültig.
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Es ist damit eine Schubstartfunktion möglich, welche ohne Mechanik auskommt. Mechanische oder elektrische Lösungen über Schubstangen, elektr. Schalter/Taster oder Hallsensoren sind nicht mehr länger erforderlich.
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In 2 ist gezeigt eine mögliche Variante für ein Ablaufschema, in dem die Zustände eines computerimplementierten Verfahrens gezeigt sind.
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Schritt S1: Werkzeug betriebsbereit herstellen. Schritt S2: Werkzeugbewegung erkennen, z.B. Werkzeug wird zur Schraube geführt, bis es auf die Schraube auftrifft. Schritt S3: Auftreffimpuls und/oder zurückgelegten Weg erfassen und Bewegungsmuster ableiten. Schritt S4: Auswertung des Auftreffimpulses und/oder optional des zurückgelegten Weges beispielsweise durch Vergleich mit vorhandenen Bewegungsmustern. Sofern der Vergleich und/oder der Auftreffimpuls und/oder der Weg innerhalb festgelegter Grenzen verläuft, wird mit Schritt S5 fortgefahren. Werden die Grenzen verletzt, wird mit Schritt S6 fortgefahren. Schritt S5: Der Schrauber startet die Verschraubung vollautomatisch. Schritt S6: Das Werkzeug startet nicht und es folgt bevorzugt ein Rücksprung zu Schritt S2. Die programmtechnisch realisierten Bedingungen für eine Startfreigabe lauten: Die Bewegung muss immer im Wesentlichen entlang der Schraubachse erfolgen, bei Quer- oder Aufwärtsbewegungen erfolgt generell keine Freigabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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