DE10237728A1

DE10237728A1 - Vorrichtung zur Längenmessung von Schrauben

Info

Publication number: DE10237728A1
Application number: DE2002137728
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schmid
Original assignee: Est Technologie & Co KG GmbH
Current assignee: Est Technologie & Co KG GmbH
Priority date: 2002-08-17
Filing date: 2002-08-17
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Eine Vorrichtung zur Längenmessung von Schrauben (11) mit einem in einem auf den Schraubenkopf (11.1) aufsetzbaren Prüfkopf (10) integrierten Ultraschallwandler (12).

Description

Schraubverbindungen gehören nach wie vor zu den wichtigsten Verbindungsarten in der modernen Montagetechnik. Mittels einer Schraubverbindung lassen sich zwei oder mehrere Teile so lösbar miteinander verbinden, dass sie sich unter allen vorkommenden Betriebskräften wie ein Teil verhalten. Das sichere Beherrschen einer Schraubverbindung setzt voraus, dass man alle die Schraubverbindungen beeinflussenden Faktoren kennt. Der wichtigste Faktor ist dabei die Vorspannkraft. Eine direkte Messung der Vorspannkraft ist jedoch in der Fertigung in den seltensten Fällen möglich. Sie kann zwar grundsätzlich durch Kraftmessdosen unter dem Schraubenkopf gemessen werden, wozu aber unter jeder Schraube eine Kraftmessdose angebracht werden muss. In der Praxis ist dies nicht durchführbar. Aus diesem Grund wird immer noch auf das einfach zu ermittelnde Drehmoment zur indirekten Ermittlung der Vorspannkraft zurückgegriffen, obwohl diese Methode Unsicherheiten, insbesondere durch die stark streuende Reibung zwischen den Gewinden der Schraube und der Bohrung, aufweist.

In der Montagetechnik sind drehmomentgesteuerte Anziehverfahren sehr verbreitet. Beim Einsatz von Präzisionsschraubsystemen wird in der Regel zusätzlich noch eine Drehwinkelüberwachung eingesetzt. Insbesondere in der Automobilindustrie gehört die Kombination aus einem drehmoment- und drehwinkelgesteuerten Anziehverfahren heute zum Stand der Technik. Beide Verfahren weisen jedoch große Streuungen auf, weshalb in jüngerer Zeit auch Verfahren zur Bestimmung der Vorspannkraft über die Messung der Länge der Schraube entwickelt wurden. Dazu wird Ultraschalltechnik, insbesondere Pulsechoverfahren, eingesetzt. Diese Verfahren sind seit den fünfziger Jahren in nahezu allen Bereichen der Produktion, des Qualitätmanagements sowie in der Wissenschaft und Forschung bekannt. Mittels eines Ultraschallgeräts kann vor und nach dem Anziehen der Schraube die Laufzeit einer sich durch die Schraubenlänge ausbreitenden Longitudinalwelle gemessen werden. Daraus lässt sich unter Berücksichtigung des akusto-elastischen Effekts die Schraubendehnung und daraus die Vorspannung berechnen. Bei einem bekannten Verfahren wird hierzu auf jedem einzelnen Schraubenkopf eine piezoelektrische Schicht aufgebracht. Mit einem mobilen Messgerät werden die Laufzeiten von Longitudinalwellen, die vom Piezokristall ausgelöst werden, vor und nach dem Verschrauben gemessen. Durch die Notwendigkeit einer Spezialanfertigung von Schrauben ist dieses Verfahren jedoch sehr teuer. Darüber hinaus sind die Piezokristallschichten sehr empfindlich, wodurch auch der Transport und die Lagerung der Schrauben ein Problem darstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur zuverlässigen, schnellen und kostengünstigen Überprüfung von Schraubverbindungen, insbesondere von sicherheitsrelevanten Schraubverbindungen zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Längenmessung von Schrauben gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen in einem auf den Schraubenkopf auf setzbaren Prüfkopf integrierten Ultraschallwandler.

Im Gegensatz zum bekannten Verfahren mit Ultraschallmessung der Schraubenlänge können hier Schrauben ohne Spezialbeschichtungen für die Schraubverbindungen verwendet werden. Einzige Anforderung an die Schrauben sind eine plane Fläche am Schraubenkopf und eine plane Fläche am Ende der Schraube, die auch versenkt angeordnet sein können. Der Ultraschallwandler, der vorzugsweise ein Piezokristallelement sein kann, muss nur einmal vorgesehen werden, nämlich im Prüfkopf. Mit diesem einen Wandler kann dann eine ganze Vielzahl von Schraubverbindungen überprüft werden. Vorzugsweise kann der Prüfkopf die Form einer den Schraubenkopf von oben und seitlich umfassenden Nuss aufweisen. Dadurch ist ein Aufsetzen des Ultraschallwandlers auf dem Schraubenkopf in einer definierten Position, die ein optimales Einleiten des Schalls in die Schraube erlaubt, gewährleistet. Für Schrauben mit einer zentralen Öffnung im Schraubenkopf zum Ansetzen eines entsprechenden Schraubwerkzeugs kann der Prüfkopf auch die Form eines in eine solche Öffnung einführbaren Einsatzes aufweisen.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Prüfkopf in ein Schraubwerkzeug einbaubar ist. Es ist dann möglich, während des Schraubvorgangs die Längenänderung der Schraube zu messen. Die Überprüfung der Schraubverbindung erfordert dann keinen separaten Arbeitsschritt. Für unterschiedliche Schraubengeometrien können unterschiedliche Ultraschallprüfköpfe zur Verfügung gestellt werden. Je größer der Prüfkopfdurchmesser und je höher die Mittenfrequenz des Ultraschallsignals sind, umso schmaler ist das Schallfeld und umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit von Störungen des Nutzsignals durch Reflexionen an der Außenseite des Schraubenschafts.

Der Prüfkopf kann mittels einer Steckverbindung am Schraubwerkzeug befestigbar sein. Mit der Steckverbindung kann gleichzeitig ein elektrischer Kontakt zwischen Prüfkopf und Schraubwerkzeug hergestellt werden. Auf diese Weise ist die Montage und auch die Demontage des Prüfkopfs außerordentlich einfach. Der Prüfkopf kann außerdem drehfest mit der Spindel des Schraubwerkzeugs koppelbar ausgeführt werden, sodass er gleichzeitig das eigentliche Schraubwerkzeug ist und während des Einschraubens Längenmessungen der Schraube vornehmen kann.

Bei Montage des Prüfkopfs an ein Schraubwerkzeug und Überprüfung der Länge der Schraube während des Schraubvorgangs dreht sich der Prüfkopf mit der Spindel mit. Es ist daher von Vorteil, wenn der Prüfkopf das Signal des Ultraschallwandlers berührungslos an eine Auswerteeinrichtung überträgt. Die Auswerteeinrichtung kann dabei im Schraubwerkzeug oder auch außerhalb davon integriert sein. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Prüfkopfs kann auch dort die Auswerteeinrichtung oder mindestens Teile davon mit integriert sein.

Auch die Energieübertragung für den Ultraschallwandler kann berührungslos erfolgen.

Vorzugsweise kann der Ultraschallwandler in an sich bekannter Weise eine Längenmessung der Schraube nach einem Impulsechoverfahren vornehmen. Dieses hat sich bereits in der Prüftechnik sehr bewährt.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der Ultraschallwandler gefedert und kardanisch gelagert im Prüfkopf angeordnet ist. Es ist dann gewährleistet, dass sich der Ultraschallwandler stets parallel zur Schraubenkopfoberfläche ausrichtet, auch wenn die Schraube schräg in eine Bohrung eingeführt sein sollte.

Ist der Ultraschallwandler außerdem in Kunststoff eingebettet, so ist eine stabile Führung und Halterung gegeben.

Zur Schalleinkopplung kann auf der Unterseite des Ultraschallwandlers eine Schicht aus einem gut schallleitenden Material aufgebracht sein. Insbesondere lässt sich die Schicht von einer Folie bilden. Es müssen dann auf die Schrauben keine zusätzlichen Koppelmedien aufgebracht werden. Die Folie lässt sich beispielsweise auf dem Piezokristall aufkleben. Der Prüfkopf wird für einen bestimmten Schraubenkopf bestimmter Größe gefertigt. Sollen kleinere Schrauben überprüft werden, so können in den Prüfkopf Einsätze einschiebbar sein, die ein formschlüssiges Umgreifen verschiedener Schraubenköpfe durch den Prüfkopf ermöglichen. Bei Ausgestaltung des Prüfkopfs als ein in eine Öffnung im Schraubenkopf einführbarer Einsatz können auf den Prüfkopf Hülsen aufschiebbar sein, die ein formschlüssiges Einführen des Prüfkopfs in unterschiedlich große Öffnungen verschiedener Schraubenköpfe ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich mit einem einzigen Prüfkopf unterschiedliche Schraubverbindungen überprüfen.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Prüfkopfs 10 zur Längenmessung einer Schraube 11. Im Prüfkopf 10, der die Form einer auf den Schraubenkopf 11.1 aufsetzbaren Nuss hat, ist ein Piezokristallelement 12 als elektroakustischer Wandler integriert. Der elektroakustische Wandler 12 ist in einem Kunststoffgehäuse 13 gelagert, das wiederum über ein hohlzylindrisches Teil 14 mit einer Spindel 15 eines ansonsten hier nicht näher dargestellten Schrauberwerkzeugs befestigbar ist. Durch das hohlzylindrische Teil 14 ist eine elektrische Leitung 15 vom Ultraschallwandler 12 zu einem Steckverbin dungsbereich 16 zwischen dem Prüfkopf 10 und der Spindel 15 geführt. Die Steckverbindung 16 ist so ausgeführt, dass mit ihrer Herstellung gleichzeitig ein elektrischer Kontakt zwischen einem im Inneren der Spindel 15 geführten Kabel 17 und der spiralförmigen Leitung 15 hergestellt wird. Das Kunststoffgehäuse 13 des Ultraschallwandlers 12 kann außerdem federnd und kardanisch am hohlzylindrischen Teil 14 gelagert sein, sodass stets eine ebene Auflage des Ultraschallwandlers 12 auf der oberen Oberfläche 17 des Schraubenkopfs 11.1 gewährleistet ist. Am unteren Ende der Schraube 11 ist wieder eine ebene Reflexionsfläche 18 angeordnet, sodass sich zwischen den Flächen 17 und 18 Longitudinalwellen ausbreiten, wenn Ultraschall vom Ultraschallwandler 12 in die Schraube 11 eingekoppelt wird. Über eine Laufzeitmessung dieser Longitudinalwelle kann auf die Schraubenlänge geschlossen werden. Außerdem können auch die Laufzeiten von Transversalwellen ausgewertet werden. Daraus lässt sich dann die Vorspannung der Schraubverbindung berechnen.

Claims

Vorrichtung zur Längenmessung von Schrauben (11), gekennzeichnet durch einen in einem auf den Schraubenkopf (11.1) aufsetzbaren Prüfkopf (10) integrierten Ultraschallwandler (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) die Form einer den Schraubenkopf (11.1) von oben und seitlich umfassenden Nuss aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) die Form eines in eine Öffnung des Schraubenkopfs (11.1) einführbaren Einsatzes aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) in ein Schraubwerkzeug (15) einbaubar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) mittels einer Steckverbindung (16) am Schraubwerkzeug (15) befestigbar ist, die gleichzeitig einen elektrischen Kontakt zwischen Prüfkopf (10) und Schraubwerkzeug (15) herstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) drehfest mit der Spindel (15) des Schraubwerkzeugs verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) das Signal des Ultraschallwandlers (12) berührungslos an eine Auswerteeinrichtung überträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragung für den Ultraschallwandler (12) berührungslos erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler ein Piezokristallelement ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (12) eine Längenmessung der Schraube (11) nach einem Impulsechoverfahren vornimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (12) gefedert und kardanisch gelagert im Prüfkopf (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (12) in Kunststoff (13) eingebettet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite des Ultraschallwandlers (12) zur Schalleinkopplung in die Schraube (11) eine Schicht aus einem gut schallleitenden Material aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht von einer Folie, vorzugsweise einer Silikonfolie, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in den Prüfkopf (10) Einsätze einschiebbar sind, die ein formschlüssiges Umgreifen verschiedener Schraubenköpfe (11.1) durch den Prüfkopf (10) ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausgestaltung des Prüfkopfs (10) als Einsatz auf diesen Einsatz Hülsen aufschiebbar sind, die ein formschlüssiges Einführen des Prüfkopfs (10) in unterschiedlich große Öffnungen verschiedener Schraubenköpfe (11.1) ermöglichen.