DE19705346C1 - Method of producing screwed connection between two sheets with predetermined pressure - Google Patents

Method of producing screwed connection between two sheets with predetermined pressure

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Abstract

Two sheet parts (7, 8) are forced together with a predetermined prestressing force by means of a screwed joint using a method in which a screwing device (9) incorporating a measuring system is placed on the head (2) of the screw (1). The length of a blind bore (5) of the screw is determined along the screw axis from the direction of the screw head and at a point when no change has taken place in the screw shank. The length is measured continuously during the screwing procedure and changes are compared with predetermined data to determine when the screwing procedure should stop. Also claim is a device for carrying out the method and a screw with blind bore.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung und auch zum Prüfen von Schraubverbindungen und kann bevorzugt bei Monta­ geprozessen in der industriellen Produktion, im Werkstattbetrieb und zur Überwachung in der Anlagentechnik beim Vorliegen hoher Sicherheitserfor­ dernisse eingesetzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin Spezialschrau­ ben zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method and an apparatus for manufacturing and also for checking screw connections and can be preferred at Monta Processed in industrial production, in the workshop and for Monitoring in plant engineering when there are high security requirements skills are used. The invention further relates to special screw ben to carry out the procedure.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß in der industriellen Produktion immer häufiger elektronisch gesteuerte Schraubsysteme eingesetzt werden. Diese weisen eine Antriebseinheit und eine Werkzeugspindel mit einem Schraubwerkzeug auf, das eine Schraube mit einem vorbestimmten Ein­ schraubmoment anzieht, um die miteinander zu verbindenden Teile mit einer vorbestimmten Kraft aneinander zu pressen. Diese Kraft wird als Vorspann­ kraft bezeichnet und entsteht durch die Längenänderung des Schrauben­ schaftes, die nachfolgend als Längung bezeichnet wird. Es ist in vielen An­ wendungsfällen notwendig, die Vorspannkraft möglichst genau auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Dazu ist es erforderlich, die Vorspannkraft zu bestimmen. Es ist Stand der Technik, die Vorspannkraft indirekt über die Messung des Einschraubmoments während des Einschraubens zu bestim­ men. Zur Herstellung einer Schraubverbindung werden hauptsächlich Drehmoment- bzw. Drehwinkelmeßsysteme eingesetzt, die in das Schraub­ system integriert sind. Wenn beim Eindrehen der Schraube ein voreingestell­ tes Drehmoment erreicht ist, wird ein vom Drehmomentmeßsystem ausge­ gebenes Signal zur Abschaltung der Antriebseinheit verwendet, oder die Schraube wird noch um einen vorbestimmten Drehwinkel weitergedreht, der durch das Drehwinkelmeßsystem bestimmt wird.From the prior art it is known that in industrial production electronically controlled tightening systems are increasingly being used. These have a drive unit and a tool spindle with a Screwing tool on that a screw with a predetermined one tightening torque to the parts to be connected with each other to press predetermined force against each other. This force is called the opening credits Force denotes and arises from the change in length of the screws shaft, which is hereinafter referred to as elongation. It is in many ways application cases necessary, the preload as precisely as possible to one set predetermined value. This requires the preload to determine. It is state of the art that the pretensioning force is indirect via the Determination of the screwing torque during screwing in men. Mainly for the production of a screw connection Torque or rotation angle measuring systems used in the screw system are integrated. If a preset when screwing in the screw t torque is reached, is output by the torque measurement system given signal used to switch off the drive unit, or the  Screw is rotated further by a predetermined angle of rotation, the is determined by the rotation angle measuring system.

Bei der indirekten Bestimmung der Vorspannkraft durch die Drehmoment­ messung treten folgende Probleme auf: Beim Anziehen einer Schraube kommt nur ein geringer Teil des aufgebrachten Drehmoments für die Län­ gung der Schraube, d. h. für die Erzeugung der Vorspannkraft, zur Wirkung. Der größere Teil des Drehmoments wird durch die Reibung am Schrauben­ gewinde und am Schraubenkopf aufgenommen. Ändern sich die Reibungs­ bedingungen, wirken sich diese Änderungen stark auf die Vorspannkraft aus. Daher können die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen die Einhal­ tung enger Toleranzen der Vorspannkraft nicht gewährleisten.In the indirect determination of the preload force by the torque measurement, the following problems occur: When tightening a screw only a small part of the torque applied to the Län the screw, d. H. for the generation of the preload, for the effect. The greater part of the torque is due to the friction on the screws thread and on the screw head. The friction changes conditions, these changes have a strong impact on the preload out. Therefore, the devices described above can guarantee tight tolerances of the preload.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist es erforderlich, die Vorspann­ kraft direkt zu messen. Dazu sind verschiedene Verfahren und Vorrichtun­ gen vorgeschlagen worden. So ist bekannt, unter dem Schraubenkopf einen Meßring in Form einer Unterlegscheibe anzuordnen. Dieser Meßring ist ein Sensor, der bei Krafteinwirkung ein elektrisches Signal abgibt. Wird die Schraube angezogen, drückt der Schraubenkopf auf den Meßring, wobei die Vorspannkraft direkt gemessen werden kann. Dieses Verfahren ist sehr ko­ stenintensiv, da der Meßring nach dem Anziehen der Schraubverbindung unter dem Schraubenkopf verbleibt. Daher ist dieses Verfahren nur auf be­ sondere Anwendungsfälle, wie z. B. auf die Raumfahrt oder auf die Kern­ energietechnik, beschränkt. Eine kontinuierliche Langzeitüberwachung der Anpreßkraft ist mit Meßringen nur bedingt möglich, da diese eine unkontrol­ lierbare Nullpunktdrift aufweisen.To overcome these difficulties it is necessary to use the opening credits measure directly. There are various procedures and devices for this gene have been proposed. So it is known to have one under the screw head Arrange the measuring ring in the form of a washer. This measuring ring is a Sensor that emits an electrical signal when force is applied. Will the Tightened screw, the screw head presses on the measuring ring, the Preload force can be measured directly. This procedure is very knocked out very intensive, since the measuring ring after tightening the screw connection remains under the screw head. Therefore, this procedure is only applicable to be special applications, such as B. on space travel or on the core energy technology, limited. Continuous long-term monitoring of the Contact pressure is only possible to a limited extent with measuring rings, as this is an uncontrolled one Showable zero drift.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannkraft ist in der DE 44 10 722 A1 beschrieben. Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Vor­ spannkraft beschrieben, wobei der Abstand zwischen einer wechselstrom­ durchflossenen Spule und dem Schraubenkopf einer Schraube bestimmt wird, der sich beim Anziehen ändert. Diese Abstandsänderung wird gemes­ sen. Sie ist näherungsweise proportional der Vorspannkraft. Längenände­ rungen, die aufgrund plastischer Verformungen entstehen, können nicht er­ faßt werden. Die zu messenden Längen sind so klein, daß dieses Verfahren unter rauhen Produktionsbedingungen kaum oder nur mit erheblichem tech­ nischen Aufwand einsetzbar ist.Another possibility for determining the preload is in DE 44 10 722 A1. It will be a device for determining the front clamping force is described, the distance between an alternating current flow through the coil and the screw head of a screw determined  that changes when you put it on. This change in distance is measured sen. It is approximately proportional to the preload. Longitude It is not possible for him to develop the plastic deformations be grasped. The lengths to be measured are so small that this method under rough production conditions hardly or only with considerable tech African effort can be used.

In der DE 40 17 726 A1 wird eine Befestigungsschraube mit einem zumindest teilweise mit einem Gewinde versehenen Schaft und einem Betätigungsende beschrieben, an dem ein Kopf, ein Stiftansatz oder dgl. vorgesehen ist, wo­ bei am Betätigungsende der Befestigungsschraube eine erste Endfläche und am freien Ende des Schafts eine zweite Endfläche ausgebildet sind, und an beiden Endflächen Meßflächen für eine Ultraschallmessung vorgesehen sind, die sich nur über einen Teil der Endflächen erstrecken und zu den Endflä­ chen im Sinne einer Erhöhung und/oder Vertiefung axial versetzt angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung wird mittels Ultraschall die Längenänderung der Schraube gemessen. Aus den Materialkennwerten und den geometrischen Abmessungen der Schraube wird mittels dem Fachmann bekannter Verfah­ ren die Vorspannkraft direkt ermittelt. Auf dem gleichen Prinzip basieren die Gegenstände der Offenlegungsschriften DE 195 07 391 A1 und DE 40 25 430 A1. Die Bestimmung der Längenänderung der Schraube mittels Ultraschall weist je­ doch auch Nachteile auf. Um die Längenänderung genau zu erfassen, muß der Ultraschall definiert in die Schraube eingeleitet werden. Die dabei zu lö­ senden technischen Probleme sind erheblich. So ist es erforderlich, die Schalleinleitungsfläche und die Reflexionsfläche besonders auszubilden. Weiterhin ist erforderlich, daß diese Flächen mit hoher Präzision gefertigt und eng toleriert sind. Normschrauben können diesen Ansprüchen nicht ge­ nügen. Schrauben werden mittels hocheffektiver Verfahren als Massenteile gefertigt. Für die Fertigung von Schrauben mit Ultraschalleinleitungsflächen stehen keine vergleichbaren Verfahren zur Verfügung. Daher sind die Ferti­ gungskosten für diese Spezialschrauben beträchtlich.DE 40 17 726 A1 describes a fastening screw with an at least partially threaded shaft and an actuating end on which a head, a pin boss or the like is provided, where at the actuating end of the fastening screw a first end face and at the free end of the shaft, a second end surface is formed, and measurement surfaces for ultrasonic measurement are provided on both end surfaces, which extend only over part of the end surfaces and are axially offset from the end surfaces in the sense of an increase and / or depression. In this device, the change in length of the screw is measured using ultrasound. The prestressing force is determined directly from the material characteristics and the geometric dimensions of the screw using methods known to those skilled in the art. The subjects of the published documents DE 195 07 391 A1 and DE 40 25 430 A1 are based on the same principle . However, the determination of the change in length of the screw by means of ultrasound also has disadvantages. In order to record the change in length precisely, the ultrasound must be introduced into the screw in a defined manner. The technical problems to be solved are considerable. It is therefore necessary to specially design the sound introduction surface and the reflection surface. It is also necessary that these surfaces are manufactured with high precision and are closely tolerated. Standard screws cannot meet these requirements. Screws are manufactured as mass parts using highly effective processes. No comparable processes are available for the production of screws with ultrasonic introduction surfaces. Therefore, the manufacturing costs for these special screws are considerable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorspannkraft genauer zu be­ stimmen bzw. zu überwachen, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu überwinden.The object of the invention is to be more precise the biasing force agree or monitor to the problems described above to overcome.

Die Aufgabe wird mit einem
The task comes with a

  • - Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 1, mit einer- Manufacturing method according to claim 1, with a
  • - Vorrichtung nach Patentanspruch 5 und mit einer- Device according to claim 5 and with a
  • - Schraube nach Patentanspruch 9 gelöst.- Loosened screw according to claim 9.

Gemäß dem Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 1 werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
According to the manufacturing process according to claim 1, the following process steps are carried out:

  • - Bestimmen der Länge des Schraubenschaftes zu einem Zeitpunkt, zu dem noch keine Längenänderung des Schraubenschaftes eingetreten ist,- Determine the length of the screw shaft at a point in time the screw shaft has not yet changed in length,
  • - Erfassen der aktuellen Längenänderung während eines Einschraubvorgangs und- Detection of the current change in length during a screwing-in process and
  • - Vergleichen der erfaßten Längenänderung mit vorbestimmten Daten, die in einer elektronischen Speichereinheit abgelegt sind, wobei- Compare the detected change in length with predetermined data that in an electronic storage unit are stored, wherein
  • - nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang funktionsgemäß verläuft, und wann der Einschraubvorgang abgeschlossen ist, wobei ein optisches Meßgerät einen Meßstrahl aussendet, der an der Bodenfläche der Meßbohrung reflektiert, von einer Empfangseinheit emp­ fangen und als Abstandssignal zu einer Auswerteeinheit geführt wird.- It is determined according to predetermined criteria whether the screwing-in process runs functionally, and when the screwing process is completed is, an optical measuring device emits a measuring beam, which at the Bottom surface of the measuring hole reflected, received by a receiver unit catch and is led as a distance signal to an evaluation unit.

Der Hauptvorteil des Verfahrens besteht darin, daß ein mit der Vorspann­ kraft eng korrelierendes Signal gewonnen wird, das nahezu frei von den Meßfehlern ist, die durch den Einfluß der Reibung im Gewinde bzw. am Schraubenkopf entstehen. Das Verfahren ist wahlweise zur Steuerung bzw. zur Regelung des Einschraubvorgangs einsetzbar. Es ist möglich, dieses Si­ gnal mit den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Meßsignalen der Meßgrößen Drehmoment, Drehwinkel und/oder Einschraubtiefe zu kombinie­ ren. Bei Bedarf ist es auch möglich, mehr als zwei Meßgrößen zu kombinie­ ren.The main advantage of the procedure is that one with the leader by means of a closely correlating signal which is almost free of the Measurement errors is caused by the influence of the friction in the thread or on Screw head arise. The process is either for control or can be used to control the screwing-in process. It is possible this Si gnal with the previously known from the prior art measurement signals  Measured variables to combine torque, angle of rotation and / or screw-in depth ren. If necessary, it is also possible to combine more than two measured variables ren.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 4.Advantageous developments of the method according to the invention are Ge subject of subclaims 2 to 4.

Gemäß der Ausführungsform nach Patentanspruch 2 wird das Schraub­ werkzeug mittels eines regelbaren Antriebs angetrieben, wobei die Tiefe tak­ tuell durch optische Tiefenmessung bestimmt wird. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise in der automatischen Montage eingesetzt. Gemäß Pa­ tentanspruch 3 wird die Schraube mittels eines handbetätigten Werkzeugs eingeschraubt. Diese Ausführungsform des Verfahrens erlaubt die Herstel­ lung von eng tolerierten Schraubverbindungen im Werkstattbereich, wo vor­ zugsweise bei Reparaturen Schraubverbindungen von Hand gelöst bzw. an­ gezogen werden. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Montage in der Luft- und Raumfahrttechnik oder in der Reaktortechnik, wo Schraubverbindungen ho­ her Präzision hergestellt und überwacht werden müssen.According to the embodiment according to claim 2, the screwing tool is driven by means of a controllable drive, the depth t is currently determined by optical depth measurement. This embodiment is preferably used in automatic assembly. According to Pa tent Claim 3, the screw is screwed in by means of a hand-operated tool. This embodiment of the method allows the manufacture of tightly toleranced screw connections in the workshop area, where screw connections are loosened or tightened before, preferably during repairs. Another area of application is assembly in the aerospace industry or in reactor technology, where screw connections have to be manufactured and monitored with high precision.

Die optische Tiefenmeßvorrichtung nach Patentanspruch 5 weist folgende Merkmale auf:
The optical depth measuring device according to claim 5 has the following features:

  • - Ein optisches Meßgerät zum Aussenden eines Meßstrahls entlang der Meßbohrung,- An optical measuring device for emitting a measuring beam along the Measuring bore,
  • - eine am Boden der Meßbohrung angeordnete Reflexionsfläche zum Reflek­ tieren des Meßstrahls,- A reflection surface arranged at the bottom of the measuring bore for reflecting animals of the measuring beam,
  • - eine Empfangseinheit zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls und- A receiving unit for receiving a reflected light beam and
  • - eine elektronische Auswerte- und Datenverarbeitungseinheit, die eine La­ geverschiebung der reflektierenden Fläche ermittelt und in elektrische, zur Weiterverarbeitung geeignete Signale umwandelt.- An electronic evaluation and data processing unit that a La displacement of the reflecting surface is determined and in electrical, for Further processing converts suitable signals.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Tiefenmeßvorrichtung betreffen die Patent­ ansprüche 6 bis 8.Advantageous further developments of the depth measuring device relate to the patent claims 6 to 8.

Gemäß Patentanspruch 6 sind die Lichtquelle und die Empfangseinheit im Kopfteil eines Automatik-Schraubers angeordnet. Wenn die Lichtquelle als Laserdiode ausgebildet ist, kann eine sehr geringe Baugröße des Schrauber­ kopfes erreicht werden.According to claim 6, the light source and the receiving unit are in Head part of an automatic screwdriver arranged. If the light source as Laser diode is formed, can be a very small size of the screwdriver head can be reached.

Die Anordnung der Tiefenmeßvorrichtung im Schrauberkopf ist in zwei Vari­ anten möglich:
The depth measuring device can be arranged in the screwdriver head in two ways:

  • - Es ist möglich, die Tiefenmeßvorrichtung fest mit dem Schrauberkopf zu verbinden, so daß sich die Tiefenmeßvorrichtung gemeinsam mit dem Schrauberkopf dreht. Dazu ist es erforderlich, die Energieversorgung und die Meßsignalübertagung für die Tiefenmeßvorrichtung drahtlos bzw. als Schleifring-Ausführung aufzubauen, um ein zu starkes Verdrillen der Leitun­ gen zu vermeiden. Diese Variante hat den Vorteil, daß zwischen dem Licht­ strahl und der Bodenfläche der Meßbohrung keine Relativbewegung auftritt, d. h., die Lichtstrahlen tasten immer die gleiche Stelle des Bohrungsgrundes ab. Durch die drahtlose Energieversorgung und Meßsignalübertagung bzw. durch die Schleifring-Ausführung erhöht sich der gerätetechnische Aufwand. Bei Schrauben mit einer kleinen Anzahl von Gewindegängen, d. h. wenn nur wenige Umdrehungen erforderlich sind, ist auch eine drahtgebundene Aus­ führung der Energieversorgung und Meßsignalübertagung möglich. In diesem Fall werden die Energie- und Signalleitungen so gestaltet, daß die Leitungen verdrillt werden können, ohne deren Funktionsfähigkeit zu beeinflussen.- It is possible to fix the depth measuring device with the screwdriver head connect so that the depth measuring device together with the Screwdriver head turns. This requires the energy supply and the Measurement signal transmission for the depth measuring device wireless or as Slip ring version to be built up to twist the line too much to avoid gene. This variant has the advantage that between the light beam and the bottom surface of the measuring bore no relative movement occurs, d. that is, the light rays always touch the same point on the bottom of the hole from. Through the wireless power supply and measurement signal transmission or Due to the slip ring design, the technical effort increases. For screws with a small number of threads, i.e. H. if only a few turns are required, a wired off is also Management of energy supply and measurement signal transmission possible. In this In this case, the power and signal lines are designed so that the lines can be twisted without affecting their functionality.
  • - Es ist ferner möglich, die Tiefenmeßvorrichtung starr zu montieren, wobei sich nur der Schrauberkopf dreht, so daß sich der Boden der Meßbohrung gegenüber dem Lichtstrahl dreht. Das hat zur Folge, daß Unebenheiten im Boden Meßfehler bei der Bestimmung der Tiefe der Meßbohrung erzeugen. Diese Meßfehler können korrigiert werden, wenn das Profil des Bodens ab­ getastet, gespeichert und zur Meßfehlerkorrektur verwendet wird. Die Abta­ stung erfolgt so, indem die Schraube wenigstens einmal gedreht wird, wo­ bei während einer Umdrehung über 360 Grad ein typisches Profil als Muster erfaßt und gespeichert wird. Das Muster entsteht entweder dadurch, daß die Reflexionsfläche nicht immer senkrecht zum Lichtstrahl steht oder durch Unebenheiten der Reflexionsfläche. Beim Eindrehen der Schraube wird das gespeicherte Muster laufend zur Korrektur des aktuellen Meßwerts verwen­ det.- It is also possible to rigidly mount the depth measuring device, wherein only the screwdriver head turns, so that the bottom of the measuring hole turns towards the light beam. As a result, bumps in the Soil Create measurement error when determining the depth of the measuring hole. These measurement errors can be corrected if the profile of the floor starts  keyed, saved and used for measuring error correction. The Abta This is done by turning the screw at least once, where with a typical profile as a pattern during a rotation over 360 degrees is recorded and stored. The pattern is created either by the reflective surface is not always perpendicular to or through the light beam Bumps in the reflective surface. When screwing in the screw it will Use saved patterns continuously to correct the current measured value det.

Gemäß Patentanspruch 7 sind die Lichtquelle und die Empfangseinheit im Kopfteil eines Hand-Schraubers angeordnet. Diese Ausführungsform wird bevorzugt im Rahmen von Reparaturarbeiten eingesetzt, d. h. in einer Werk­ statt. Auf Grund der prinzipbedingten hohen Genauigkeit des Herstellungs- bzw. Prüfverfahrens sind folgende Anwendungsfälle möglich:
According to claim 7, the light source and the receiving unit are arranged in the head part of a hand screwdriver. This embodiment is preferably used in the context of repair work, ie instead of in a factory. Due to the principle-related high accuracy of the manufacturing or testing process, the following applications are possible:

  • - Herstellung einer Schraubverbindung mit eng tolerierter Anpreßkraft. Dazu wird das Schraubwerkzeug auf die Spezialschraube aufgesetzt und von Hand betätigt. Die Anpreßkraft wird durch eine Anzeigeeinheit angezeigt oder ausgegeben. Die Anzeige kann z. B. optisch oder akustisch erfolgen.- Establishing a screw connection with a tightly tolerated contact pressure. To the screwing tool is placed on the special screw and by Hand operated. The contact pressure is displayed by a display unit or spent. The display can e.g. B. optically or acoustically.
  • - Überprüfung der Anpreßkraft einer Schraubverbindung. Dazu ist es erfor­ derlich, daß die Tiefe der Meßbohrung der Schraube im unbelasteten Zu­ stand bekannt ist, d. h. es muß die Tiefe vor dem Eindrehen bestimmt und gespeichert bzw. dokumentiert worden sein. Es ist auch möglich, Schrauben herzustellen, die eine konstante Länge der Meßbohrung aufweisen und für diesen Fall einzusetzen. Dann kann die Bestimmung von t0 entfallen. Es ist lediglich erforderlich, die aktuelle Tiefe zu messen und mit der ursprüngli­ chen Tiefe zu vergleichen. Aus der Tiefendifferenz kann der Fachmann über bekannte mathematische Beziehungen die Anpreßkraft ermitteln.- Check the contact pressure of a screw connection. For this purpose, it is neces sary that the depth of the measuring bore of the screw in the unloaded state is known, ie the depth must be determined and saved or documented before screwing in. It is also possible to produce screws that have a constant length of the measuring bore and to use them for this case. Then the determination of t 0 can be omitted. It is only necessary to measure the current depth and compare it with the original depth. The person skilled in the art can determine the contact pressure from the depth difference using known mathematical relationships.

Gemäß Patentanspruch 8 ist der Teil der Tiefenmeßvorrichtung, der die Strahlung aussendet bzw. empfängt, so ausgebildet, um ständig auf dem Schraubenkopf zu verbleiben. Diese Ausführungsform kann bevorzugt bei solchen Schraubverbindungen eingesetzt werden, bei denen eine ständige Überwachung wünschenswert ist, bisher aus technischen Gründen jedoch nicht möglich war. Ein typischer Einsatzfall sind z. B. Kernkraftwerke.According to claim 8 is the part of the depth measuring device that the Radiation emits or receives, designed to constantly on the Stay screw head. This embodiment can preferably be used such screw connections are used in which a constant Monitoring is desirable, but so far for technical reasons was not possible. A typical application is e.g. B. Nuclear power plants.

Der Patentanspruch 9 betrifft eine Spezialschraube zur Anwendung der Ver­ fahren nach den Patentansprüchen 1 bis 8. Der Vorteil der Spezialschraube liegt in der einfachen Herstellbarkeit derselben, da das Einbringen einer Boh­ rung eine sehr hochentwickelte und ökonomisch günstige Technologie ist. Die Meßbohrung kann eine Sacklochbohrung oder eine Durchgangsbohrung sein, die an ihrem unteren Ende verschlossen ist, wobei die Bodenfläche eine ebene Reflexionsfläche aufweist, die geeignet ist, einen Meßstrahl als Lichtstrahl zu reflektieren, und die größer als 5% der Bodenfläche ist.The claim 9 relates to a special screw for the application of the Ver drive according to claims 1 to 8. The advantage of the special screw lies in the ease of manufacture of the same, since the introduction of a Boh is a very highly developed and economically favorable technology. The measuring hole can be a blind hole or a through hole be closed at its lower end, the bottom surface has a flat reflection surface which is suitable for measuring a beam Reflect light beam, and which is larger than 5% of the floor area.

Bei einer Weiterbildung nach Patentanspruch 10 wird die Schraube durch­ bohrt und an ihrem unteren Ende mit einem Verschlußelement verschlossen. Das Verschlußelement kann die Form eines Plättchens aufweisen. Es ist je­ doch auch möglich, die Bohrung z. B. mit einem Stift bzw. mit einer Schraube zu verschließen.In a further development according to claim 10, the screw is through drilled and closed at its lower end with a closure element. The closure element can have the shape of a plate. It is ever but also possible to drill the z. B. with a pen or with a Close screw.

Es ist weiterhin möglich, als Verschluß Klebstoff, Lack usw. zu verwenden, wenn das verwendete Material im festen Zustand einen stabilen Verschluß­ pfropfen ausbildet, der eine Oberflächengestalt oder -struktur aufweist, die an die Erfordernisse der verwendeten Tiefenmeßvorrichtung angepaßt ist. Es ist gleichfalls möglich, die Durchgangsbohrung durch Löten oder Schweißen zu verschließen. Der Fachmann muß das Verschlußelement so auswählen, daß es den Betriebserfordernissen der Schraube genügt.It is also possible to use adhesive, varnish, etc. as a closure, if the material used in the solid state has a stable closure graft that has a surface shape or structure that is adapted to the requirements of the depth measuring device used. It it is also possible to close the through hole by soldering or welding close. The expert must select the closure element so that it meets the operational requirements of the screw.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnung.Further advantages of the invention result from the following description description of the embodiments in conjunction with the accompanying schematic drawing.

Es ist zu betonen, daß diese Ausführungsbeispiele keine Beschränkung der Erfindung darstellen. Mit Kenntnis der in der vorliegenden Erfindungsbe­ schreibung offenbarten technischen Lehre ist es dem Fachmann möglich, weitere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung zu entwickeln, ohne jedoch den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.It should be emphasized that these exemplary embodiments do not limit the Represent invention. With knowledge of the present invention technical teaching, it is possible for the person skilled in the art to To develop further possible uses of the invention, but without the Leave the scope of protection of the claims.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Spezialschraube. Fig. 1 shows a first embodiment of the special screw.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Spezialschraube, wobei Fig. 2 in Fig. 2 shows a second embodiment of the special screw, wherein Fig. 2 in

Fig. 2a einen Montagearbeitsschritt und in Fig. 2a shows a mounting step, and in

Fig. 2b die montierte Spezialschraube zeigt Fig. 2b shows the mounted special screw

Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung der Vorrich­ tung. Fig. 3 shows a schematic diagram of the device Vorrich.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Spezial­ schraube 1 mit einem Kopf 2, einem Gewindeschaft 3, einer Sacklochboh­ rung 4, die an ihrem Ende eine ebene Fläche 5 aufweist. Die Fläche 5 kann auch kleiner sein als die Querschnittsfläche der Bohrung. Dem Fachmann stehen zur Herstellung dieser Fläche verschiedene Technologien zur Verfü­ gung, z. B. Bohren, Fräsen, Elektroerodieren usw. Fig. 1 shows a first embodiment of the special screw 1 with a head 2 , a threaded shaft 3 , a Sacklochboh tion 4 , which has a flat surface 5 at its end. The area 5 can also be smaller than the cross-sectional area of the bore. Various technologies are available to the person skilled in the art for producing this surface, eg. B. drilling, milling, electrical discharge machining, etc.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Spezial­ schraube mit einer Durchgangsbohrung 6, die mit einem Verschlußplättchen 7 verschlossen ist, wobei Fig. 2a einen Montagearbeitsschritt und Fig. 2b die montierte Spezialschraube zeigt. Das Verschlußplättchen 7 ist in einer Ausnehmung 8 befestigt und weist eine reflektierende Oberfläche 9 auf. Das Verschlußplättchen-Material wird so gewählt, daß es beim Kontakt mit dem Schraubenmaterial zu keinen unerwünschten Effekten, z. B. Korrosion kommt. Der Fachmann wird ein Verschlußplättchen und eine Befestigungs­ technologie wählen, die den Betriebsbedingungen der Schraube entspricht. Fig. 2 shows a second embodiment of the special screw with a through hole 6 , which is closed with a closure plate 7 , Fig. 2a shows an assembly work step and Fig. 2b shows the assembled special screw. The closure plate 7 is fastened in a recess 8 and has a reflective surface 9 . The sealing plate material is chosen so that it does not have any undesirable effects, e.g. B. Corrosion comes. The person skilled in the art will choose a closure plate and a fastening technology which corresponds to the operating conditions of the screw.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform und die Anwendung der Vorrichtung. Zwei Bleche 14 und 15 werden mittels einer Schrau­ be 1 zusammengehalten. Der Schraubenkopf 2 wird mittels eines Schraub­ werkzeugs 16 gedreht, um die Bleche 14 und 15 mit einer vorbestimmten Vorspannkraft gegeneinander zu pressen. Das Schraubwerkzeug 16 wird entweder automatisch oder von Hand gedreht. Im Schraubwerkzeug 16 ist ein sich mitdrehendes Miniatur-Interferometer 17 lagegenau angeordnet. Das Miniatur-Interferometer 17 sendet einen Meßstrahl 18 aus, der an der Bodenfläche 5 der Sackbohrung 4 oder an der Reflexionsfläche 9 des Ver­ schlußplättchens 7 reflektiert wird. Der reflektierte Lichtstrahl 19 wird von dem Miniatur-Interferometer 17 empfangen und als Abstandssignal zu einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) geführt. Der Fachmann weiß, daß der Ab­ stand zwischen dem Miniatur-Interferometer 17 und der Oberfläche des Schraubenkopfes bekannt sein muß. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, diesen Abstand fest einzustellen, d. h. auf Null zu kalibrieren. Dazu wird ei­ ne Schraube ohne Loch in das Schraubwerkzeug gesteckt, wobei der Ab­ stand zwischen der Oberfläche der Schraube und dem Miniatur- Interferometer 17 gleich Null gesetzt wird. Anschließend wird eine Schraube mit einer Meßbohrung eingesetzt und die Tiefe dieser Meßbohrung ermittelt. Beim Anziehen der Schraube kommt es zur Verlängerung der Meßbohrung, wobei Längenänderungen wahlweise unmittelbar angezeigt oder ausgegeben werden können. Fig. 3 shows an embodiment and use of the device. Two sheets 14 and 15 are held together by a screw 1 . The screw head 2 is rotated by means of a screwing tool 16 in order to press the sheets 14 and 15 against one another with a predetermined pretensioning force. The screwing tool 16 is rotated either automatically or by hand. A rotating miniature interferometer 17 is arranged precisely in the screwing tool 16 . The miniature interferometer 17 emits a measuring beam 18 , which is reflected on the bottom surface 5 of the blind bore 4 or on the reflection surface 9 of the circuit plate 7 . The reflected light beam 19 is received by the miniature interferometer 17 and conducted as a distance signal to an evaluation unit (not shown). The person skilled in the art knows that the position between the miniature interferometer 17 and the surface of the screw head must be known. It has proven to be expedient to set this distance firmly, ie to calibrate it to zero. For this purpose, a screw is inserted into the screwing tool without a hole, the distance between the surface of the screw and the miniature interferometer 17 being set to zero. A screw with a measuring hole is then inserted and the depth of this measuring hole is determined. When the screw is tightened, the measuring bore is lengthened, and changes in length can optionally be displayed or output immediately.

Aus der Dehnung des Schaftes, dem Durchmesser des Schaftes und einer Materialkonstanten ergibt sich über folgende mathematische Beziehung der Zusammenhang zwischen der Dehnung und der Vorspannkraft der Schrau­ be:
From the expansion of the shank, the diameter of the shank and a material constant, the relationship between the expansion and the pretensioning force of the screw results from the following mathematical relationship:

ΔL/L = FV/(AS × E)
ΔL / L = F V / (A S × E)

wobei
in which

  • - L die Länge der Bohrung, - L the length of the hole,  
  • - ΔL die Längenänderung der Bohrung beim Einschrauben,- ΔL the change in length of the hole when screwing in,
  • - AS der tragende Querschnitt der Schraube,- A S is the load-bearing cross-section of the screw,
  • - FV die Vorspannkraft und- F V the preload and
  • - E der E-Faktor des Schraubenwerkstoffs ist.- E is the E factor of the screw material.

Nunmehr wird die Herstellung einer Schraubverbindung beschrieben: Es sind zwei Bleche von je 20 mm zu verbinden. Es ist eine Schraube M10 × 1,5 vorgesehen. Das Schraubenmaterial weist einen E-Faktor von 210.000 N/mm2 auf. Die Schraube weist eine Meßbohrung mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge L von 40 mm auf. Die Vorspann­ kraft soll 49 kN betragen.The production of a screw connection is now described: two sheets of 20 mm each are to be connected. A M10 × 1.5 screw is provided. The screw material has an E factor of 210,000 N / mm 2 . The screw has a measuring bore with a diameter of 1 mm and a length L of 40 mm. The preload force should be 49 kN.

Zuerst wird der tatsächliche tragende Querschnitt AS berechnet, indem der Querschnitt der Meßbohrung vom Schraubenquerschnitt AN abgezogen wird.
First, the actual load-bearing cross-section A S is calculated by subtracting the cross-section of the measuring bore from the screw cross-section A N.

AS = AN - π/4 × d2,
A S = A N - π / 4 × d 2 ,

wobei d der Durchmesser des Meßbohrung ist.
where d is the diameter of the measuring bore.

AS = 58 mm2 - π/4 × 12 mm2,
AS = 57,21 mm2.
ΔL/L = 4,08 10-3
ΔL = 0,163 mmA S = 58 mm 2 - π / 4 × 1 2 mm 2 ,
A S = 57.21 mm 2 .
ΔL / L = 4.08 10 -3
ΔL = 0.163 mm

Die Tiefenmeßeinrichtung erfaßt vor dem Einschrauben einen Tiefenwert, der der Bohrungstiefe 40 mm entspricht. Anschließend wird die Schraube so weit angezogen, bis eine Längenänderung ΔL der Meßbohrung von 0,163 mm erreicht ist.The depth measuring device detects a depth value before screwing in, which corresponds to the drilling depth of 40 mm. Then the screw tightened until a change in length ΔL of the measuring bore of 0.163 mm is reached.

Beim automatischen Eindrehen der Schraube wird der Einschraubvorgang gesteuert. Dazu sind in einer Steuer- und Speichereinheit Daten abgelegt, die einen optimierten Einschraubvorgang sicherstellen. So wird z. B. die Drehgeschwindigkeit so geregelt, daß sie zu Beginn des Einschraubvorgan­ ges höher ist als am Ende. Damit wird gewährleistet, daß der Schrauber zum richtigen Zeitpunkt abgeschaltet wird, um die vorgesehene Dehnung genau zu erreichen. In der Steuer- und Speichereinheit sind die Daten für unterschiedlichste Schraubverbindungen gespeichert.When the screw is screwed in automatically, the screwing in process controlled. For this purpose, data is stored in a control and storage unit, that ensure an optimized screwing process. So z. B. the  Rotation speed regulated so that at the beginning of the screwing is higher than at the end. This ensures that the screwdriver is switched off at the right time to the intended stretch to achieve exactly. The data for are in the control and storage unit different screw connections saved.

Wird die Schraube von Hand eingedreht, kann z. B. über eine optische Ana­ loganzeige dem Monteur die Vorspannkraft direkt angezeigt werden.If the screw is screwed in by hand, z. B. via an optical Ana log display the pretensioning force can be displayed directly to the fitter.

Als Tiefenmeßvorrichtung kommen vorzugsweise Miniatur-Interferometer zum Einsatz. Mit diesen Geräten können z. B. 500 mm mit einer Auflösung von 10 Nanometer vermessen werden. Die Sensorköpfe weisen die Größe eines Bleistiftes auf und können daher gut in eine Schraubspindel eines Au­ tomatikschraubers integriert werden.Miniature interferometers are preferably used as the depth measuring device for use. With these devices z. B. 500 mm with a resolution of 10 nanometers can be measured. The sensor heads have the size a pencil and can therefore easily be screwed into a screw spindle of an Au tomato screwdriver.

Soll eine Schraubverbindung über längere Zeit überwacht werden, wird das Miniatur-Interferometer so mit dem Schraubenkopf verbunden, daß ein lös­ barer, stabiler und lagegenauer Aufbau erreicht wird. Die Art des Aufbaus muß der Fachmann an Hand der äußeren Randbedingungen auswählen.If a screw connection is to be monitored over a longer period of time, this will be the case Miniature interferometer so connected to the screw head that a solvable stable, stable and positionally accurate construction is achieved. The type of construction The specialist must select on the basis of the external boundary conditions.

An Stelle eines Miniatur-Interferometers können auch andere optische Meß­ geräte treten.Instead of a miniature interferometer, other optical measuring can devices.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung, bei der mittels einer Schraube, die von einer Einschraubvorrichtung eingedreht wird, zwei Bau­ teile mit einer vorbestimmten Vorspannkraft aneinandergepreßt werden, wodurch der Schraubenschaft eine vorbestimmte Längenänderung erfährt, die über die Längenänderung einer längs der Schraubenachse verlaufenden Meßbohrung bestimmt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte auf­ weist:
  • 1. Bestimmen der Länge des Schraubenschaftes zu einem Zeitpunkt, zu dem noch keine Längenänderung des Schraubenschaftes (3) eingetreten ist,
  • 2. Erfassen der aktuellen Längenänderung während eines Einschraubvorgangs und
  • 3. Vergleichen der erfaßten Längenänderung mit vorbestimmten Daten, die in einer elektronischen Speichereinheit abgelegt sind, wobei
  • 4. nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird, ob der Einschraubvorgang funktionsgemäß verläuft, und wann der Einschraubvorgang abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Meßgerät (17) einen Meß­ strahl (18) aussendet, der an der Bodenfläche (5, 9) der Meßbohrung (4, 6) reflektiert, von einer Empfangseinheit empfangen und als Abstandssignal zu einer Auswerteeinheit geführt wird.
1. A method for producing a screw connection, in which by means of a screw which is screwed in by a screwing device, two construction parts are pressed together with a predetermined pretensioning force, as a result of which the screw shank experiences a predetermined change in length which determines the change in length of a measuring bore extending along the screw axis with the following steps:
  • 1.Determining the length of the screw shaft at a point in time when the length of the screw shaft ( 3 ) has not yet changed,
  • 2. Detection of the current change in length during a screwing-in process and
  • 3. Comparing the detected change in length with predetermined data, which are stored in an electronic storage unit, wherein
  • 4. it is determined according to predetermined criteria whether the screwing-in process is functional, and when the screwing-in process is complete, characterized in that an optical measuring device ( 17 ) emits a measuring beam ( 18 ) on the bottom surface ( 5 , 9 ) of the measuring bore ( 4 , 6 ) reflected, received by a receiving unit and passed as a distance signal to an evaluation unit.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ schraubvorrichtung von einem regelbarem Antrieb angetrieben wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the one screwing device is driven by an adjustable drive. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ schraubvorrichtung von Hand gedreht wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the one screwing device is turned by hand.   4. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der optischen Tiefenmessung die Schraubverbindung zusätzlich über die Messung des Drehwinkels oder/und über das Drehmoment überwacht wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that in addition to the optical depth measurement, the screw connection also via the measurement of the angle of rotation and / or monitored via the torque becomes. 5. Vorrichtung zum Herstellen und Überwachen einer Schraubverbindung, mit der zwei Bauteile mit einer vorbestimmten Vorspannkraft aneinanderge­ preßt werden, wodurch der Schraubenschaft der Schraube eine vorbe­ stimmte Längenänderung erfährt, wobei eine in der Schraube axial verlau­ fende, als Sackloch ausgebildete Meßbohrung (4, 6) vorgesehen ist, und die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
  • 1. ein optisches Meßgerät (17) zum Aussenden eines Meßstrahls (18) entlang der Meßbohrung (4, 6),
  • 2. eine am Boden der Meßbohrung (4, 6) angeordnete Reflexionsfläche (5, 9) zum Reflektieren des Meßstrahls (18),
  • 3. eine Empfangseinheit zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls (19) und
  • 4. eine elektronische Auswerte- und Datenverarbeitungseinheit, die eine La­ geverschiebung der reflektierenden Fläche (5, 9) ermittelt und in elektrische, zur Weiterverarbeitung geeignete Signale umwandelt.
5.Device for producing and monitoring a screw connection, with which two components are pressed against one another with a predetermined pretensioning force, as a result of which the screw shaft of the screw undergoes a predetermined change in length, with an axially extending screw hole formed as a blind hole ( 4 , 6 ) is provided, and the device has the following features:
  • 1. an optical measuring device ( 17 ) for emitting a measuring beam ( 18 ) along the measuring bore ( 4 , 6 ),
  • 2. a reflection surface ( 5 , 9 ) arranged on the bottom of the measuring bore ( 4 , 6 ) for reflecting the measuring beam ( 18 ),
  • 3. a receiving unit for receiving a reflected light beam ( 19 ) and
  • 4. an electronic evaluation and data processing unit that determines a position shift of the reflecting surface ( 5 , 9 ) and converts it into electrical signals suitable for further processing.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil dieser Tiefenmeßvorrichtung, der den Meßstrahl (18) aussendet, im Schraubwerkzeug (16) eines Automatik-Schraubers angeordnet ist.6. Device according to claim 5, characterized in that the part of this depth measuring device which emits the measuring beam ( 18 ) is arranged in the screwing tool ( 16 ) of an automatic screwdriver. 7. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil dieser Tiefenmeßvorrichtung, der den Meßstrahl (18) aussendet, im Schraubwerkzeug eines Hand-Schraubers angeordnet ist. 7. The device according to claim 5, characterized in that the part of this depth measuring device which emits the measuring beam ( 18 ) is arranged in the screwing tool of a hand screwdriver. 8. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil dieser Tiefenmeßvorrichtung, der den Meßstrahl (18) aussendet, stän­ dig auf dem Schraubenkopf (2) verbleibt.8. The device according to claim 5, characterized in that the part of this depth measuring device which emits the measuring beam ( 18 ) remains constantly dig on the screw head ( 2 ). 9. Schraube zur Verwendung gemäß einem Verfahren und einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schraube eine Meß­ bohrung (4, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß deren Bodenfläche eine ebene Reflexionsfläche aufweist, die geeignet ist, einen Meßstrahl (18) als Lichtstrahl (19) zu reflektieren, und die größer als 5% der Bodenfläche ist.9. Screw for use according to a method and a device according to one of the preceding claims, wherein the screw has a measuring bore ( 4 , 6 ), characterized in that the bottom surface thereof has a flat reflection surface which is suitable for a measuring beam ( 18 ) to reflect as a light beam ( 19 ), and which is greater than 5% of the floor area. 10. Schraube mit Durchgangsbohrung nach Patentanspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Durchgangsbohrung an ihrem unteren Ende mit einem Verschlußelement (7) verschlossen ist.10. screw with through hole according to claim 9, characterized in that the through hole is closed at its lower end with a closure element ( 7 ).
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