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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines einen Elektromotor aufweisenden Drehschraubers.
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Drehschrauber mit elektrischem Antrieb weisen ein Antriebsteil mit einem Elektromotor und einem Abtriebsteil auf. Der Antriebsteil ist mechanisch mit dem Abtriebsteil, beispielsweise über ein Getriebe, verbunden. Der Abtriebsteil weist üblicherweise einen im Querschnitt quadratischen Wellenstützen auf, auf den beispielsweise eine Schlüsselnuss aufsteckbar ist. Mittels eine Stützarms kann sich der Drehschrauber während des Schraubvorgangs in der Umgebung, beispielsweise an einer benachbarten Schraube, abstützen.
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Bei bekannten Regelungsverfahren für Drehschrauber erfolgt eine drehmomentbezogene Abschaltung des Elektromotors bei Erreichen eines vorgewählten Drehmomentes mittels des vom Elektromotor aufgenommenen Stroms. Der Elektromotor wird dabei über eine Drehzahlregelung geregelt.
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Eine derartige Regelung im sogenannten Drehmomentmodus hat sich für das Verschrauben von Schraubverbindungen mittels eines Drehschraubers als besonders zuverlässig herausgestellt. Das vorbekannte Verfahren im Drehmomentmodus ist jedoch nur für das Anziehen von Schrauben geeignet.
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Bereits angezogene Schrauben können sich nach einer gewissen Weile lockern oder lösen, sodass es notwendig sein kann, die bereits angezogenen Schrauben auf ein Mindestdrehmoment zu prüfen und ggf. auf das Mindestdrehmoment nachzuziehen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines einen Elektromotor aufweisenden Drehschraubers bereitzustellen, mit dem eine Prüfung von bereits angezogenen Schrauben in vorteilhafter Weise erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines einen Elektromotor aufweisenden Drehschraubers, der auf eine Schraube aufgesetzt ist, wobei eine Regelung über die am Elektromotor anliegende Spannung erfolgt, sind folgende Schritte vorgesehen:
- in einer Anlaufphase:
- a) Regeln des Drehschraubers in Bezug auf eine Solldrehzahl und Überwachen der Drehzahl,
nach Erreichen eines vorgegebenen Drehzahlschwellwerts erfolgt eine Regelphase mit den Schritten:
- b) Regeln des Drehschraubers in Bezug auf eine Solldrehzahl, wobei die am Elektromotor anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird und
Überwachen der Drehzahl in Bezug auf einen vorgegebenen ersten Drehzahlgrenzwert, der geringer als der Drehzahlschwellwert ist,
- c) bei Erreichen des ersten Drehzahlgrenzwerts: Erhöhen der am Elektromotor anliegende Spannung über den vorgegebenen Wert, Überwachen der Drehzahl in Bezug auf einen vorgegebenen zweiten Drehzahlgrenzwert, der geringer als der erste Drehzahlgrenzwert und Überwachen des auf die Schraube ausgeübten Drehmoments in Bezug auf einen vorgegebenen ersten Drehmomentgrenzwert,
wobei in einem Regelfall 1, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert nicht erreicht, der Elektromotor direkt abgeschaltet wird oder, wenn das auf die Schraube ausgeübte Drehmoment den ersten Drehmomentgrenzwert erreicht, und
wobei in einem Regelfall 2, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert erreicht oder unterschreitet, der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn das auf die Schraube ausgeübte Drehmoment einen vorgegebenen zweiten Drehmomentgrenzwert der Schraube erreicht, wobei der zweite Drehmomentgrenzwert höher als der erste Drehmomentgrenzwert ist..
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In der Anlaufphase wird nachdem Aufsetzen des Drehschraubers auf die Schraube zunächst das System eingestellt, wobei beispielsweise der Reaktionsarm an den Gegenpunkt herangefahren wird. Nach Erreichen eines vorgegebenen Drehzahlschwellwerts erfolgt die eigentliche Regelungsphase für die Prüfung der Schraubverbindung. Dabei wird der Drehschrauber weiterhin in Bezug auf eine Solldrehzahl geregelt, wobei jedoch die am Elektromotor anliegende Spannung zunächst auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist. Dadurch wird erreicht, dass der Elektromotor bei Last nicht über ein bestimmtes Drehmoment nachregeln kann. Die Spannung, auf welche die Drehzahlregelung begrenzt ist, kann so gewählt sein, dass diese gerade ausreicht, um den Schrauber im Leerlauf auf Drehzahl zu halten.
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Der Drehschrauber übt nun ein Drehmoment auf die Schraube aus, so dass die Drehzahl sinkt. Die Drehzahl wird dabei in Bezug auf einen vorgegebenen ersten Drehzahlgrenzwert überwacht. Wird der erste Drehzahlgrenzwert erreicht bzw. unterschritten, wird die am Elektromotor anliegende Spannung über den vorgegebenen Wert erhöht, so dass das Drehmoment, das auf die Schraube ausgeübt wird, ebenfalls erhöht wird. Dabei wird die Drehzahl in Bezug auf einen vorgegebenen zweiten Drehzahlgrenzwert, der geringer ist als der erste Drehzahlgrenzwert, überwacht und es erfolgt eine Überwachung des auf die Schraube ausgeübten Drehmoments in Bezug auf einen vorgegebenen ersten Drehmomentgrenzwert (Prüfmoment)..
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Im Regelfall 1 erreicht die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert nicht, sodass die Schraube gedreht wird. Die am Elektromotor anliegende Spannung wird nun weiter kontinuierlich erhöht und der Elektromotor wird abgeschaltet, wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment den vorgegebenen ersten Drehmomentgrenzwerterreicht. Da in diesem Fall die Drehzahl den zweite Drehzahlgrenzwert nicht erreicht, kann davon ausgegangen werden, dass der Drehschrauber sich kontinuierlich gedreht hat, sodass kein Losbrechmoment des Drehschraubers überwunden werden musste, sondern bei Erreichen des ersten Drehmomentgrenzwerts das entsprechende Sollmoment auf die Schraube aufgebracht wurde.
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Im Regelfall 2 erreicht die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert oder unterschreitet diesen. Auch in diesem Fall wird die am Elektromotor anliegende Spannung weiter kontinuierlich erhöht, wobei der erste Drehmomentgrenzwert auf einen zweiten Drehmomentgrenzwert erhöht wird. Das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment wird in Bezug auf den zweiten Drehmomentgrenzwert überwacht, wobei der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment den zweiten Drehmomentgrenzwert erreicht. Bei dem Regelfall 2 verbleibt die Drehzahl auf dem unteren Drehzahlgrenzwert bzw. unterhalb des unteren Drehzahlgrenzwerts, sodass davon auszugehen ist, dass die Schraube mit oder über den Sollmoment angezogen ist. Die Schraube dreht sich somit im Regelfall 2 nicht weiter und nach dem Erreichen des zweiten Drehmomentgrenzwerts wird der Elektromotor abgeschaltet. Die Erhöhung des ersten Drehmomentgrenzwerts auf den zweiten Drehmomentgrenzwert stellt sicher, dass bei einer Drehzahl, die den unteren Drehzahlgrenzwert erreicht oder diesen unterschreitet und somit sehr gering oder null ist, im Drehschrauber zu überwindende Momente, die beispielsweise durch die Haftreibung des Getriebes hervorgerufen werden (Losbrechmoment) zusätzlich zu dem Sollmoment aufgebracht werden, sodass sichergestellt ist, dass die Schraube mit mindestens dem Sollmoment angezogen ist. Im Regelfall 2 ist die Schraube mit mindestens dem Sollmoment angezogen und im Rahmen des Regelfalls 2 verbleibt die Drehzahl auf dem unteren Drehzahlgrenzwert oder darunter.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Schritt c) ferner in einem Regelfall 3, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert erreicht oder unterschreitet, die am Elektromotor anliegende Spannung kontinuierlich erhöht wird, wobei der erste Drehmomentgrenzwert auf einen zweiten Drehmomentgrenzwert erhöht wird und das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment in Bezug auf den zweite Drehmomentgrenzwert überwacht wird. Dabei wird ferner die Drehzahl überwacht, wobei, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen dritten Drehzahlgrenzwert erreicht oder überschreitet, der Elektromotor abgeschaltet wird oder der vorgegebene Drehmomentgrenzwert auf einen dritten Drehmomentgrenzwert reduziert wird und der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment den dritten Drehmomentgrenzwert erreicht.
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Der Regelfall 3 ist somit eine Abwandlung des Regelfalls 2, bei dem festgestellt wird, dass beim Erhöhen der Spannung sich die Schraube anfängt zu drehen, da die Drehzahl einen vorgegebenen dritten Drehzahlgrenzwert erreicht oder überschreitet. Es handelt sich um einen Fall, bei dem die Schraube etwas unterhalb des Solldrehmoments angezogen ist. In dem Fall ist sichergestellt, dass im Drehschrauber zu überwindende Momente, wie z.B. das Losbrechmoment des Schraubers überwunden sind, sodass der vorgegebene zweite Drehmomentgrenzwert reduziert werden kann. Der Elektromotor wird sofort abgeschaltet oder, wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment den dritten Drehmomentgrenzwert erreicht.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der dritte Drehzahlgrenzwert gleich dem zweiten Drehzahlgrenzwert ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, dass der dritte Drehzahlgrenzwert geringfügig von dem zweiten Drehzahlgrenzwert abweicht.
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In einer Abwandlung des Regelfalls 3 ist vorgesehen, dass die am Elektromotor anliegende Spannung kontinuierlich erhöht wird sowie der erste Drehmomentgrenzwert auf einen zweiten Drehmomentgrenzwert erhöht wird und das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment in Bezug auf den zweiten Drehmomentgrenzwert überwacht wird. Ferner wird ein Drehwinkel der Schraube überwacht, wobei, wenn der Drehwinkel einen vorgegebenen Drehwinkelgrenzwert erreicht oder überschreitet, der vorgegebenen Stromgrenzwert auf einen dritten Drehmomentgrenzwert reduziert wird und der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment den dritten Drehmomentgrenzwert erreicht. Anstelle eine Drehung der Schraube durch die Überwachung der Drehzahl festzustellen, wird in der Abwandlung des Regelfalls 3 die Drehung der Schraube über die Überwachung des Drehwinkels festgestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der dritte Drehmomentgrenzwert gleich dem ersten Drehmomentgrenzwert ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt c) das kontinuierliche Erhöhen der am Elektromotor anliegende Spannung über den vorgegebenen Wert in Form einer Spannungsrampe erfolgt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Spannungsrampe linear verläuft. Selbstverständlich kann die die Spannungsrampe auch nicht linear sein, beispielsweise logarithmisch.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein Universalmotor ist. Es ist aber auch denkbar diese Steuerung bei anderen Motorarten anzuwenden.
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Die Regelung in Schritt a) kann über eine Spannungsrampe erfolgen, wobei die Spannungsrampe vorzugsweise nicht linear ist. Durch die Spannungsrampe kann erreicht werden, dass bei dem Erreichen der Schwellwertdrehzahl, bei der die Regelphase beginnt, ein Überschwingen vermieden wird.
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Der zweite Drehzahlgrenzwert kann null sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt c) die Drehzahl zur Überwachung kontinuierlich gemessen wird.
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Die Parameter Drehzahl oder Drehwinkel können grundsätzlich über separate Sensoren oder über die Kennwerte des Elektromotors bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Regelfall 2 oder 3, wenn die Drehzahl den vorgegebenen dritten Drehzahlgrenzwert erreicht oder überschreitet, der Drehwinkel bis zum Abschalten des Elektromotors bestimmt wird. Dieser Nachziehwinkel gibt Auskunft darüber, wie stark die Schraube nachgezogen werden musste. Es kann auch vorgesehen sein, dass mittels einer Anzeige beispielsweise am Drehschrauber angezeigt wird, ob ein Regelfall 1, 2 oder 3 eingetreten ist. Auch besteht die Möglichkeit, dass der bestimmte Nachziehwinkel angezeigt wird.
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Die Feststellung des auf die Schraube aufgebrachten Drehmoments und die Überwachung der Drehmomentgrenzwerte kann über eine direkte Messung erfolgen, beispielsweise über einen Drehmomentsensor. Die Feststellung des auf die Schraube aufgebrachten Drehmoments und die Überwachung des Prüfmoments kann jedoch auch indirekt erfolgen, beispielsweise über den durch den Elektromotor fließenden Strom.
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Somit kann in Schritt c) vorgesehen sein:
- c) bei Erreichen des ersten Drehzahlgrenzwerts: Erhöhen der am Elektromotor anliegende Spannung über den vorgegebenen Wert, Überwachen der Drehzahl in Bezug auf den vorgegebenen zweiten Drehzahlgrenzwert, der geringer als der erste Drehzahlgrenzwert und Überwachen des durch den Elektromotor fließenden Stroms in Bezug auf einen vorgegebenen ersten Stromgrenzwert,
wobei im Regelfall 1, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert nicht erreicht, der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn der durch den Elektromotor fließende Strom den ersten Stromgrenzwert erreicht, und
wobei in einem Regelfall 2, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert erreicht oder unterschreitet, der erste Stromgrenzwert auf einen zweiten Stromgrenzwert erhöht wird und der durch den Elektromotor fließende Strom in Bezug auf den zweiten Stromgrenzwert überwacht wird, wobei der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn der durch den Elektromotor fließende Strom den zweiten Stromgrenzwert erreicht.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass im Schritt c) ferner im Regelfall 3, bei dem die Drehzahl den zweiten Drehzahlgrenzwert erreicht oder unterschreitet, die am Elektromotor anliegende Spannung kontinuierlich erhöht wird, wobei der erste Stromgrenzwert auf einen zweiten Stromgrenzwert erhöht wird und der durch den Elektromotor fließende Strom in Bezug auf den zweiten Stromgrenzwert überwacht wird. Dabei wird ferner die Drehzahl überwacht, wobei, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen dritten Drehzahlgrenzwert erreicht oder überschreitet, der vorgegebene Stromgrenzwert auf einen dritten Stromgrenzwert reduziert wird und der Elektromotor abgeschaltet wird, wenn der durch den Elektromotor fließende Strom den dritten Stromgrenzwert erreicht.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der dritte Stromgrenzwert gleich dem ersten Stromgrenzwert ist.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Diagramm, das den Regelfall 1 darstellt,
- 2 ein Diagramm, das den Regelfall 2 darstellt und
- 3 ein Diagramm, das den Regelfall 3 darstellt.
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Die 1 bis 3 zeigen Diagramme, in denen das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Darstellung des Verlaufs der Drehzahl, des Drehmoments, des Drehwinkels und der Motorspannung dargestellt ist.
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In 1 ist der Regelfall 1 dargestellt, d.h. ein Fall, bei dem die Schraube deutlich unter dem Sollmoment angezogen ist. Bei einem derartigen Fall bleibt der Drehschrauber während der Prüfung der Schraube nicht stehen.
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In einer Anlaufphase (Phasen I) wird der Drehschrauber über die am Elektromotor des Drehschraubers anliegende Spannung (in den Figuren als Motorspannung bezeichnet) auf eine Solldrehzahl geregelt. In der Phase I erfolgt dabei zunächst eine Erhöhung der Spannung in Form einer Rampe. Nach Erreichen eines vorgegebenen Drehzahlschwellwerts, der beispielsweise die Solldrehzahl sein kann, erfolgt die eigentliche Regelung des Drehschraubers über eine Drehzahlregelung (Phase II-V). Der Drehschrauber dreht zunächst in der Phase II im Bereich der Solldrehzahl, wobei sich das System verspannt. Während der Regelung erfolgt weiterhin eine Regelung des Drehschraubers in Bezug auf eine Solldrehzahl, wobei jedoch die am Motor anliegende Spannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt wird. Sobald ein Gegenmoment durch die Schraube auftritt, fällt die Drehzahl ab, da die begrenzte Motorspannung nicht ausreichend ist, um das Gegenmoment der Schraube zu überwinden. Dadurch fällt die Drehzahl ab bis zu einem ersten Drehzahlgrenzwert. Durch Überwachung der Drehzahl kann festgestellt werden, wann der erste Drehzahlgrenzwert erreicht wird (Phase III). Wenn der erste Drehzahlgrenzwert erreicht oder unterschritten wird, wird die am Elektromotor anliegende Spannung in Form einer Spannungsrampe erhöht. Dadurch wird das von dem Drehschrauber auf die Schraube aufgebrachte Moment ebenfalls erhöht und die Schraube beginnt sich zu drehen. Dadurch steigt die Drehzahl und die Schraube wird gedreht, wodurch der Drehwinkel erhöht wird. Während der Regelung wird darüber hinaus das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment überwacht. Wenn das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment einen vorgegebenen Drehmomentgrenzwert erreicht, wird der Motor abgeschaltet (Übergang von Phase IV auf Phase V). Die Schraube ist nun mit dem Solldrehmoment angezogen.
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In 2 ist der Regelfall 2 dargestellt. Dieser erfolgt für den Fall, dass eine Schraube mit oder über dem Sollmoment angezogen ist. Die Anlaufphase (Phase I) sowie ein Teil der Regelphase (Phase II und Beginn der Phase III), bei der die Drehzahlregelung aktiv ist und der Drehschrauber auf Solldrehzahl dreht, ist identische mit dem in Bezug auf 1 beschriebenen Ablauf.
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In der Phase III liegt wiederum ein Gegenmoment durch die Schraube vor, sodass die Drehzahl fällt. Bei dem Regelfall 2 fällt die Drehzahl zunächst bis zu dem ersten Drehzahlgrenzwert. Durch die Überwachung der Drehzahl kann dies festgestellt werden, sodass bei Erreichen des ersten Drehzahlgrenzwerts die Spannung erhöht wird. Aufgrund des großen Gegenmoments der Schraube fällt die Drehzahl jedoch nun weiter ab bis zu einem zweiten Drehzahlgrenzwert. Wenn dieser erreicht oder unterschritten wird, wird der Drehmomentgrenzwert hochgesetzt (Beginn Phase IV). Die Motorspannung wird nun weiter erhöht, wobei mit dem Erhöhen der Motorspannung das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment erhöht wird. Da die Schraube bereits mit dem Sollmoment angezogen ist, fällt die Drehzahl im Bereich der Phase III und IV auf null. Das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment wird in Bezug auf den erhöhten Drehmomentgrenzwert (zweiter Drehmomentgrenzwert) überwacht und sobald dieser erreicht wird, wird der Elektromotor abgestellt. Da der Drehschrauber zum Stillstand gekommen ist, müsste für das Wiederanlaufen des Drehschraubers auf eine Drehzahl ein Losbrechmoment überwunden werden. Durch die Erhöhung des Drehmomentgrenzwert wird im Regelfall B sichergestellt, dass ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung gestellt werden kann, um sowohl das Losbrechmoment als auch das Sollmoment für die Schraube bereitzustellen.
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Der Regelfall 3 ist eine Abwandlung des Regelfalls 2. Der Regelfall 3 unterscheidet sich vom Regelfall 2 darin, dass nachdem die Drehzahl in Phase III den zweiten Drehzahlgrenzwert erreicht bzw. unterschritten hat und der Drehmomentgrenzwert hochgesetzt wurde und in der Phase IVa zunächst die Motorspannung erhöht wird, ohne dass sich die Drehzahl erhöht, in der Phase IVb die Drehzahl sich langsam beginnt zu erhöhen und den zweiten Drehzahlgrenzwert wieder überschreitet. Durch die Überwachung der Drehzahl wird dies festgestellt, sodass zu diesem Zeitpunkt der Drehmomentgrenzwert wieder auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt werden kann. Dies kann erfolgen, da durch das Drehen der Schraube sichergestellt werden kann, dass das Losbrechmoment des Drehschraubers überwunden wurde. Nach der Phase V wird weiterhin das auf die Schraube aufgebrachte Drehmoment überwacht und sobald dieser der Drehmomentgrenzwert erreicht wird der Elektromotor abgestellt.
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Bei dem Regelfall 1 und 3 kann darüber hinaus der Drehwinkel der Schraube gemessen bzw. bestimmt werden, sodass festgestellt werden kann, um welchen Drehwinkel die Schraube zum Erreichen des Solldrehmoments gedreht wurde.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Prüfung von bereits angezogenen Schrauben in Hinblick auf ein Solldrehmoment. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, grundsätzlich Schrauben mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens anzuziehen.
