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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen von Schraubverbindungen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und
23.
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Druckluftschrauber
werden in der industriellen Fertigung, insbesondere in der Endmontage
einer Automobilfertigung, in großem Umfang eingesetzt. Dem
Druckluftschrauber wird dabei von einer Druckluftversorgung über eine
Zuleitung Druckluft zugeführt.
Bei den überwiegend
verwendeten Abschaltschraubern wird, wenn ein an dem Schrauber abtriebsseitig
gemessenes Drehmoment einen Sollwert erreicht, die Luftzufuhr unterbrochen,
im allgemeinen über
ein mechanisch betätigtes
Ventil. Derartige Abschaltschrauber zeichnen sich unter anderem
durch ihr geringes Gewicht, geringe Geräuschentwicklung, Robustheit,
Langlebigkeit und ihren niedrigen Anschaffungspreis aus.
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Die
DE 2752809 A1 zeigt
einen derartigen Druckluftschrauber. Da der Einschraubvorgang bei Erreichen
des Solldrehmoments beendet wird, ohne die Schraubverbindung weiter überprüfen zu können, können dabei
einige Probleme auftreten. So kann durch falsche Schmierung, Partikel
in der Druckluftkammer, mangelnde Wartung, Verschleiß oder Beschädigung die
Reibung des Schraubers erhöht
werden, so daß ein
Teil der vom Antriebsmotor erbrachten Leistung in Reibleistung umgesetzt
wird und damit lediglich zur Erwärmung
von Schrauber und Umgebung führt,
anstatt in Nutzleistung zur Erhöhung des
Anziehmoments der Schraube umgesetzt zu werden. Bei erhöhter Reibung
an der Abtriebsseite des Schraubers kann dies dazu führen, daß der Schrauber
aufgrund der Reibung abschaltet, bevor das Anziehmoment an der Schraube
erreicht worden ist. Eine erhöhte
Reibung an der Antriebsseite, das heißt am Motor, kann dazu führen, daß das Abschaltmoment
nicht erreicht wird. Generell bewirkt eine erhöhte Reibung im Schrauber einen
höheren
Energieverbrauch.
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Weiterhin
können
Innen- oder Außengewinde
durch Lacknebel, Metallabrieb oder ähnliches verschmutzt oder die
zu verschraubenden Teile nicht richtig positioniert sein, so daß die Schraube
zwar eingedreht und mit Solldrehmoment angezogen wird, die gewünschte Klemmkraft
der Schraube aber nicht erreicht wird, da ein größerer Teil des Drehmoments zur Überwindung
der Reibung anstatt zur Erzeugung der Klemmkraft verwendet wird.
Auch kann ein schwerwiegender Fehler am Innen- oder Außengewinde,
z.B. eine Schweißperle
im Gewinde einer Schweißmutter,
dazu führen,
daß bei
Einschraubvorgang beim Erreichen der Schweißperle bzw. des entsprechenden
Fehlers das Drehmoment den Sollwert erreicht und der Schrauber abschaltet,
bevor der Schraubenkopf zum Aufliegen kommt. Diese Fehlursachen
führen
jeweils zu einer unsicheren Schraubverbindung, ohne daß dies dem
Bediener des Schraubers, der lediglich ein Abschalten des Schraubers
feststellt, direkt ersichtlich ist. Zwar kann der Bediener einen
derartigen Fehler zufällig
erkennen, z. B. wenn ein Einschraubvorgang unüblich lange dauert oder besonders
kurz ist, eine derartige Überwachung
wird jedoch nie zu einer Entdeckung aller Fehler führen.
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Als
eine Möglichkeit
zu einer Überwachung derartiger
Fehler kann das Drehmoment und der Drehwinkel des Schraubelements über Sensoren
erfaßt
und mittels einer Auswerteelektronik gesteuert werden, was aber
zu höheren
Anschaffungskosten und Problemen in Gewicht, Größe, Robustheit und Anfälligkeit
des Schraubers führt.
Weiterhin ist der Einsatz elektronisch angetriebener und elektrisch überwachter
Schrauber möglich,
was jedoch ebenfalls zu hohen Investitionen (ca. ein Faktor von
10 bis 20 gegenüber
Druckluftschraubern) und ähnlichen Problemen
wie bei Druckluftschraubern mit Sensoren führt.
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Weitere
Probleme, die bei einem Druckluftschrauber auftreten können, sind
Druckschwankungen in der Druckluftversorgung. Der Schrauber wird anfangs
bei einem bestimmten Nenndruck auf ein Anziehdrehmoment eingestellt.
Steigt beim Betrieb der Versorgungsdruck an, hat dies keine Auswirkungen.
Fällt er
aber unter einen bestimmten Mindestdruck ab, so wird das Solldrehmoment
nicht erreicht, und anstatt abzuschalten, wird der Schrauber abgewürgt und
bleibt stehen. Tritt eine Leckage an der Versorgungsleitung auf,
so fällt
der Versorgungsdruck am Schrauber ab, so daß der Schrauber ebenfalls abgewürgt wird
und stehenbleibt.
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Die
DE 36 39 098 A1 zeigt
einen Druckluftschrauber mit einem einstellbaren Druckminderer zur Drehmomentbegrenzung.
Eine Steuervorrichtung weist eine Auslöseeinrichtung auf, die die
Druckluftzuleitung zum Schrauber sperrt, wenn der Druck in dieser
Leitung von einem dynamischen Druck bei laufendem Druckluftmotor
zu einem statischen Druck bei Bremsung oder Blockierung des Motors
infolge des Erreichens eines bestimmten Drehmoments ansteigt. Durch
die Messung des Drucks in der Druckluftzuleitung kann somit die
Beendigung des Eindrehvorgangs festgestellt werden. Es ist jedoch
nicht möglich,
festzustellen, ob das Drehmoment in einem ordnungsmäßigen Eindrehvorgang
erreicht wurde, oder aufgrund einer erhöhten Reibung im Schrauber oder
eines Gewindefehlers in der Schraubverbindung vorzeitig abgebrochen
wurde.
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Die
DE 37 18 155 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schraubverbindungen
mit einer hydraulikbetriebenen Schraubwinde. Hierbei werden der
hydraulikseitige Druck und die Temperatur ermittelt und mittels
einer Mikroprozessorschaltung ein entsprechender Drehmomentwert ausgegeben.
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Auch
bei dieser hydraulischen Verschraubung ist mit artgleichen Fehlerquellen
wie bei den Eingangs beschriebenen Druckluftverschraubungen zu rechnen,
nämlich
einer fehlerhafte Verschraubung bei Leckagen der Hydraulikleitung
und unsicheren Schraubverbindungen bei Reibung im Schrauber, sowie
bei Gewindefehlern.
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Der
Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Schraubverbindungen
zu schaffen, mit denen auf einfache und kostengünstige Weise die genannten
Fehler besser erkannt werden können, wobei
bereits bekannte Druckluftschrauber weitgehend weiterverwendet werden
können.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung
zum Durchführen
eines derartigen Verfahrens nach Anspruch 23 erreicht. Die Unteransprüche 2 bis
22 bzw. 24 bis 28 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Der
Erfindung liegt somit der Gedanke zugrunde, die bei einem Einschraubvorgang
verbrauchte Energie zu erfassen und durch einen Vergleich dieses
Energiewerts mit einem Referenzwert zu beurteilen, ob ein ordungsgemäßer Einschraubvorgang stattgefunden
hat. Da die tatsächlich
verbrauchte Energie jedoch nur schwer zu ermitteln wäre, wird
erfindungsgemäß ein Energiebezugswert
gebildet, der zwar nicht genau der von der Druckluftversorgung an den
Schrauber abgegebenen und von diesem aufgenommenen Energie entspricht,
aber diesen Wert hinreichend genau bestimmt, um das Vorliegen eines Prozeßfehlers
zu entdecken. Da zur Ermittlung des Energiebezugswert lediglich
der Werte des Drucks und des Druckluftdurchflusses in einer Druckluftzuleitung
zu dem Schrauber benötigt
werden, kann der Energiebezugswert durch ein einfaches Verfahren sowie
eine einfache Vorrichtung ermittelt werden, wobei bereits verwendete
Druckluftschrauber weitgehend weiterverwendet werden können.
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Der
Energiebezugswert kann dabei nach Anspruch 2 in einfacher Weise
als zeitliches Integral eines Produkts aus den Werten des Drucks
und Durchflusses gebildet werden. Das Integral über die Zeit kann dabei bei
Vorliegen diskreter Meßwerte
auch entsprechend als Summe gebildet werden, indem entsprechende
Produkte as den Produktwerten p × V . und Zeiteinheiten über die
Zeitdauer des Einschraubvorgangs aufsummiert werden.
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Die
für die
Berechnung des Energiebezugswerts benötigten Werte des Druckluftdurchflusses und
des Drucks können
dabei nach Anspruch 3 bzw 4 direkt in der Zuleitung gemessen werden,
sodaß genaue
Werte auf meßtechnisch
einfache Weise ermittelt werden können.
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Der
für einen
Einschraubvorgang ermittelte Energiebezugswert kann dabei nach Anspruch
6 direkt mit demjenigen eines vorherigen Einschraubvorgangs verglichen
werden, um durch diesen direkten Vergleich Änderungen des Energiebezugswerts
auf entsprechende Fehler zurückführen zu
können.
Bei einem derartigen Relativvergleich wirkt sich die Näherung,
die durch die Verwendung des Energiebezugswert anstelle der tatsächlich aufgenommenen Energie
gemacht wird, nicht so stark aus, wie bei einem Vergleich mit vorgegebenen
Werten. Aus der Größe der relativen Änderung
des Energiebezugswerts und einem zusätzlichen Vergleich mit vorgegebenen
Werten kann dabei nach den Ansprüchen
9 bis 12 darauf geschlossen werden, durch welche Art von Fehler
die Änderung
bewirkt wurde.
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Aus
den gemessenen Werten des Drucks und des Durchflusses in der Druckluftzuleitung
kann neben der erfindungsgemäßen Berechnung
eines Energiebezugswerts gemäß den Ansprüchen 16
bis 21 auch in vorteilhafter Weise direkt auf einige weitere Fehlerquellen
geschlossen werden.
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Die
Druckluftschraubvorrichtung nach den Ansprüchen 24 und 25 weist gegenüber den
bekannten Druckluftschraubvorrichtungen lediglich zusätzlich eine
Durchflußmeßeinrichtung
und Druckmeßeinrichtung
auf, die nach Anspruch 27 vor einem Spiralschlauch angeordnet werden
können,
so daß bereits
verwendete Druckluftschrauber mit relativ geringen Aufwand auf einfache
Weise nachgerüstet
werden können.
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Die
Erfindung wird im folgenden an einer Ausführungsform anhand der beiliegenden
Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen:
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1 den
Aufbau einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 ein
Diagramm mit verschiedenen Verläufen
des Energiebezugswerts über
mehrere Einschraubvorgänge.
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Die
in 1 gezeigte Druckluftschraubvorrichtung weist eine
Druckluftversorgung 6 auf, die über eine Versorgungsleitung 2 und
einen Spiralschlauch 3, die zusammen eine Druckluftzuleitung bilden,
mit einem Druckluftschrauber 4 verbunden ist. Dabei sind
zwischen der Versorgungsleitung 2 und dem Spiralschlauch 3 ein
Drucksensor 8 und ein Durchflußsensor 9 angeordnet,
deren Meßwerte
als analoge oder digitale elektrische Si gnale an eine Auswerteeinheit 5 weitergeleitet
werden. Der Durchfluß wird
dabei vorteilhafterweise aus einer Druckdifferenzmessung bestimmt.
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Der
Auswertung der gemessenen Signale des Drucks p und des Durchflusses V . liegen
folgende Überlegungen
zugrunde:
Bildet man das Produkt aus Druck p und Durchfluß
der
Druckluftzuleitung, so erhält
man nach der Gleichung
ein Maß für die Leistung, die von der
Druckluftversorgung über
die Zuleitung an den Druckluftschrauber weitergegeben wird. Dieser
so ermittelte Wert entspricht nicht genau der von der Druckluftversorgung an
den Schrauber abgegebenen und dort verwerteten Leistung, da bei
den gemachten Überlegungen Einflußgrößen wie
Temperatur von Zu- und Abluft, Druck der Abluft u.s.w. nicht berücksichtigt
werden. Der Wert p × V . wird
somit als Bezugswert für
die Leistung für
die folgenden Berechnungen genommen.
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Erfaßt man das
Produkt p × V . während eines Einschraubvorgangs
und integriert es von Beginn des Vorgangs bis zum Ende des Vorgangs,
so erhält man
ein Maß für die von
der Druckluftversorgung
6 für das Durchführen des
Einschraubvorgangs durch den Schrauber
4 aufgebrachten
Energie:
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Das
Integral über
die Zeit kann dabei bei Vorliegen diskreter Meßwerte des Drucks p und Durchflusses V . entsprechend
auch durch eine Summenbildung des Produkts aus p × V . und einer
relevanten Zeitdifferenz Δ t,
die den jeweiligen diskreten Meßwerten
entspricht, über
die Zeitdauer des Einschraubvorgangs gebildet werden. AW wird
dabei als ein Energiebezugswert für die von dem Druckluftschrauber
für einen
Einschraubvorgang aufgenommenen Energie genommen. Dieser Wert entspricht als
zeitliches Integral über
den Leistungsbezugswert ebenfalls nicht genau der von der Druckluftversorgung
an den Schrauber abgegebenen und dort aufgenommenen Energie, da
der Leistungsbezugswert nicht genau die vom Schrauber aufgenommene
Leistung wiedergibt. Die somit gemachte Vereinfachung kann jedoch
durchgeführt
werden, da nicht die geleistete Arbeit genau bestimmt werden soll,
sondern durch einen Vergleich des ermittelten Energiebezugswert mit
anderen Werten, nämlich
anderen Energiebezugswerten und vorgegebenen Referenzwerten, Änderungen
als Fehler in einem Einschraubvorgang festgestellt werden sollen.
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Eine
dem aus Schrauber und Spiralschlauch bestehenden Schraubersystem
zugeführte
gesamt Arbeit Wges enthält eine der Schraube zugeführte Nutzarbeit
WSchraub, eine Verlustarbeit durch Leckage an
Schlauch oder Schrauber Wleck, eine durch
Reibungsverluste im Schrauber und im Schlauch in Wärme umgesetzte
Reibungsverlustenergie Wreib, sowie Energieverluste
durch Abluft Wabluft: Wges = Wschraub +
Wleck + Wreib +
Wabluft
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Die
Auswerteeinheit 5 errechnet den Energiebezugswert aus den
Meßwerten
des Drucks p und des Druckluftdurchflusses V ., sowie einen Maximalwert
des Durchflusses V .max während eines Einschraubvorgangs,
einen statischen Druck pstat der Druckluftversorgung
als Meßwert
zwischen zwei Einschraubvorgängen
und einen Ruhedurchfluß V .0 als Meßwert
zwischen zwei Einschraubvorgängen.
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Mit
den so ermittelten Werten können
folgende fehlerhafte Zustände
festgestellt werden:
- 1. Unterschreitet der
statische Druck pstat in der Zuleitung einen
unteren Grenzwert pUG, so ist der Versorgungsdruck
zu niedrig, um den Abschaltschrauber das Abschaltmoment erreichen
zu lassen. Als Abhilfe wäre
der Versorgungsdruck zur erhöhen.
- 2. Überschreitet
der Ruhedurchfluß V .null einen Ruhemaximaldurchfluß V .nullG, so liegt eine Leckage am Schlauch
oder ein defektes Schrauberventil vor. Der betreffende Schlauch
oder das betreffende Schraubenventil muß demnach ersetzt werden.
- 3. Überschreitet
der Maximalwert V .max des Durchflusses einen
oberen Durchflußgrenzwert V .0G, und liegt gleichzeitig der Ruhedurchfluß V .null unterhalb des Ruhemaximaldurchflusses V .nullG so ist von einem Defekt bzw. einer
Leckage am Schrauber auszugehen, z. B. einem starken Verschleiß der Lamellen
des Motors. Der betreffende Schrauber wäre zu ersetzen oder instandzusetzen.
- 4. Steigt der Energiebezugswert AW über viele Verschraubungen
langsam an und überschreitet dabei
einen oberen Bezugsgrenzwert A, so kann auf eine erhöhte Reibung
im Schrauber geschlossen werden, die durch mangelnde Schmierung, durch Verschmutzung
oder ähnliches
bedingt ist. Der betreffende Schrauber wäre dementsprechend zu ersetzen,
zu reinigen oder zu schmieren.
- 5. Steigt der Energiebezugswert AW von
einem Schraubvorgang zum nächsten
sprungartig an und überschreitet
dabei den oberen Bezugsgrenzwert AOG, so
kann auf einen entsprechenden Anstieg in der Nutzarbeit Wschraub geschlossen werden, was auf ein fehlerhaftes
Innen- oder Außengewinde
zurückzuführen ist.
Als Abhilfe wäre die
Schraube auszuwechseln oder das Gewinde nachzuschneiden.
- 6. Fällt
AW von einem Einschraubvorgang zum nächsten sprungartig
ab und überschreitet
dabei eine unteren Bezugsgrenzwert AUG,
so kann auf einen entsprechenden Abfall der Nutzarbeit Wschraub geschlossen werden. Ein Grund dafür wäre ein schwerer
Gewindefehler, z. B. eine Verschmutzung einer Schweißmutter
durch eine Schweißperle,
so daß der
Schrauber das Solldrehmoment vorzeitig erreicht und somit vorzeitig abschaltet.
Dem entsprechend wäre
als Abhilfe die Schraube auszuwechseln oder das Gewinde nachzuschneiden.
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Die
Fehlerzustände
1. bis 3. stellen dabei zusätzliche
Kontrollmaßnahmen
dar, die grundsätzlich unabhängig von
der Bestimmung und dem Vergleich des Energiebezugswertes AW durchgeführt werden können.
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Bereits
die Ermittlung des statischen Drucks der Druckluftversorgung zwischen
zwei Einschraubvorgängen,
des Ruhedurchflusses zwischen zwei Einschraubvorgängen und
des Maximaldurchflusses während
eines Einschraubvorgangs und der Vergleich dieser drei Werte mit
Referenzwerten gewährleistet
eine sichere Erkennung einiger Fehlerquellen durch einfache Messung
des Drucks und des Durchflusses in der Druckluftzuleitung.
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Diese
drei Überwachungsmaßnahmen
können
jedoch auf vorteilhafte Weise mit dem Referenzvergleich des Energiebezugswerts
nach den Überwachungsmaßnahmen
4. bis 6. verbunden werden, da auch für diese Überwachungsmaßnahmen
lediglich die Meßwerte
des Druck p und des Druckluftdurchflusses V in der Druckluftzuleitung
benötigt
werden.
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Bei
den Überwachungsmaßnahmen
4. bis 6. kann die Art der Änderung,
das heißt
das Vorliegen eines langsamen oder sprungartigen Anstiegs oder Abfalls
des Energiebezugswerts AW vorteilhafterweise über eine
Differenzenbildung des Energiebezugswerts von zwei aufeinanderfolgenden
Einschraubvorgängen
gemäß 2a, 2b ermittelt
werden.
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Bezeichnet
man mit AW, n den Wert von AW des
n-ten Einschraubvorgangs, so erhält
man als Bezugswertsänderung
die Differenz ΔA
= AW,n – AW,n-1
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Die
Bezugswertsänderung
kann dabei mit einem Änderungsgrenzwert ΔAgrenz verglichen werden. 2 zeigt
ein Diagramm, in dem drei verschiedene Verläufe des Energiebezugswerts über mehrere
Einschraubvorgänge
n-5 bis n dargestellt sind. Dabei liegt in dem Fall, in dem die
Bezugswertänderug ΔA den Änderungsgrenzwert ΔAgrenz unterschreitet (ΔA < ΔAgrenz), ein langsamer Anstieg des Energiebezugswerts
vor (2 b)), und in dem Fall, in dem die Bezugswertsänderung ΔA den Änderungsgrenzwert Δ Agrenz überschreitet
(ΔA > ΔAgrenz),
ein sprungartiger Anstieg des Energiebezugswerts vor (2a)). Der Fehlerzustand 6. kann
dabei direkt festgestellt werden, wenn der Energiebezugswert AW den unteren Bezugsgrenzwert AUG unterschreitet
(2c)), oder es kann als zusätzliche
Bedingung überprüft werden, ob
die Bezugswertsänderung ΔA entsprechend
einen zweiten Änderungsgrenzwert
unterschreitet.
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Die
dermaßen
ermittelten Fehlerzustände
1. bis 6. können
anschließend
von einer mit Auswerteeinheit 6 verbundenen Anzeigeeinheit 7 z.
B. als optische oder akustische Anzeige dem Bediener zusammen mit
Problemlösungsvorschlägen mitgeteilt werden.
Mögliche
Anzeigen wären
dabei:
Bei Fehlerzustand 1.: "Versorgungsdruck zu niedrig"
Bei Fehlerzustand
2.: "Schrauberventil
oder Schlauch nicht in Ordnung"
Bei
Fehlerzustand 3.: "Schrauber
nicht in Ordnung"
Bei
Fehlerzustand 4.: "Schrauber
nicht in Ordnung"
Bei
Fehlerzustand 5.: "Gewinde
nicht in Ordnung"
Bei
Fehlerzustand 6.: "Gewinde
nicht in Ordnung"
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Weiterhin
kann bei Vorliegen eines enstprechenden Fehlersignals ein Fließband angehalten werden,
auf dem Gegenstände,
z.B. Kraftfahrzeuge oder Teile von diesen, insbesondere Motoren
und Getriebe, befördert
werden, an denen die Schraubverbindungen hergestellt werden sollen.
Eine derartige Steuerung kann dabei in vorteilhafter Weise von der
Auswerteeinheit 5 übernommen
werden. Auch kann eine Unterbrechungseinrichtung in der Druckluftzuleitung,
z. B. in Form eines elektrisch betätigten Ventils, bei Vorliegen
eines entsprechenden Fehlers von der Auswerteeinheit 5 betätigt werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung
können
somit sichere, zuverlässige
und gleichmäßige Schraubverbindungen
auf einfache und zuverlässige
Weise hergestellt werden.
ein Maß für die Leistung, die von der Druckluftversorgung über die Zuleitung an den Druckluftschrauber weitergegeben wird. Dieser so ermittelte Wert entspricht nicht genau der von der Druckluftversorgung an den Schrauber abgegebenen und dort verwerteten Leistung, da bei den gemachten Überlegungen Einflußgrößen wie Temperatur von Zu- und Abluft, Druck der Abluft u.s.w. nicht berücksichtigt werden. Der Wert p × V . wird somit als Bezugswert für die Leistung für die folgenden Berechnungen genommen.
