DE19813900A1 - Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Abstract
Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen Kraftschraubers mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse, einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe, einer Eingabeelektronik zum Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge, einer Auswerteelektronik zum Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten, einer Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit, ausgehend vom Fügepunkt und einer Steuer- und Abschalteinrichtung zum Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels.
Description
Die Erfindung betrifft einen hydraulisch betriebenen
Kraftschrauber und ein Verfahren zu seiner Steuerung mit einem
durch eine Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer
Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse
und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen,
volumetrischen Pumpe.
Ein derartiger Kraftschrauber ist beispielsweise in der DE 34 16 879 C2
beschrieben. Bei diesem Kraftschrauber besteht zwischen dem
Kolbenweg der Kolben-Zylinder-Einheit und damit dem Schwenkwinkel
der Ratschenbüchse sowie dem Volumenstrom der volumetrischen Pumpe
ein vorgegebenes Verhältnis, das sich aus der Formel
ergibt. Hierbei ist H der Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit, VD
das Volumen des in den Zylinder eingeleiteten Öls und AKD die
Kolbenfläche des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit.
Bei einer Antriebseinheit aus einer motorisch angetriebenen,
volumetrischen Pumpe, insbesondere einer Kolbenpumpe ergibt sich
der Volumenstrom der Pumpe aus der Umdrehungsgeschwindigkeit des
Antriebsmotors der Pumpe und dem je Umdrehung gelieferten
Pumpenvolumen entspricht ein bestimmter Hubweg H der
Kolben-Zylinder-Einheit.
Bei den bisher bekannten Kraftschraubern der eingangs erwähnten
Art wurde eine Steuerung des Anzugsmoments, das sich direkt aus
dem auf die Kolben-Zylinder-Einheit wirkenden Druck und dem
Hebelarm des schwenkbaren Hebels ergibt, in der Weise
durchgeführt, daß der Druck der Antriebseinheit auf einen dem
Soll-Anzugsmoment entsprechenden Soll-Druck eingestellt wurde, so
daß sich ein einstellbares Druckventil bei Erreichen des
Soll-Drucks und damit des Anzugmoments öffnete und die Hubbewegung
der Kolben-Zylinder-Einheit zum Stillstand kam. Mit dieser
bekannten Steuerung waren jedoch die ebenfalls bekannten Nachteile
des Anziehens über das Drehmoment eines Kraftschraubers verbunden,
das bekanntermaßen stark von äußeren Umständen, wie
Gewindereibung, Reibung gegenüber einer Auflagefläche und
Verformung der mittels der Schraubenverbindung zusammenzufügenden
Bauteile und dergleichen abhängig ist und daher kein genaues Maß
für die tatsächlich erreichte Schraubenvorspannung ist.
Aufgrund des Hooke'schen Gesetzes ist die tatsächlich erreichte
Schraubenvorspannung direkt proportional zum Schraubendrehwinkel
bei gegebener Gewindesteigung, da einem bestimmten
Schraubendrehwinkel eine bestimmte Schraubendehnung und damit eine
bestimmte Schraubenvorspannung entspricht.
Um diesen Drehwinkel zu bestimmen, ist es bei drehend
angetriebenen Kraftschraubern, beispielsweise aus der DE 43 31 846 A1,
bekannt, eine Schraubverbindung zunächst bis zur Auflage der
Bestandteile der Schraubverbindung aufeinander anzuziehen. Erst
wenn die verschiedenen Bestandteile dieser Schraubverbindung satt
aufeinander liegen, d. h. wenn der Fügepunkt erreicht ist, wird
bei dem bekannten Verfahren die Erkenntnis benutzt, daß bis zum
Erreichen des Fügepunkts nur ein geringer Anstieg des vom
Kraftschrauber aufgebrachten Drehmoments und damit des auf den
Kraftschrauber wirkenden Drucks eintritt, dieses Drehmoment und
damit der Druck vom Fügepunkt ab jedoch steil ansteigt und somit
der Knickpunkt im Drehmoment- bzw. Druckverlauf als Ausgangspunkt
für die Bestimmung des Ist-Schraubenspannwinkels genommen werden
kann. Bei dem in der DE 43 31 846 A1 beschriebenen Verfahren zum
Anziehen einer Schraubverbindung wird der Fügepunkt erfaßt, indem
der Gradient des Anzugsmoments gebildet wird, der am Fügepunkt
einen signifikanten Sprung besitzt. Eine Angabe, wie der
Ist-Schraubenspannwinkel im Vergleich zu einem vorgegebenen
Soll-Schraubenspannwinkel ermittelt wird, findet sich nicht in der
DE 43 38 846 A1.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen hydraulisch
betriebenen Kraftschrauber und ein Verfahren zum Steuern eines
hydraulisch betriebenen Kraftschraubers der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, durch die die Bedienung vereinfacht und
Bedienungsfehler möglichst ausgeschaltet werden, ohne daß
besondere Anforderungen an die Fachkenntnisse der Bedienungsperson
gestellt werden. Des weiteren sollen Schäden an den anzuziehenden
Schrauben und am Kraftschrauber vermieden, die Genauigkeit, mit
der das Anziehen der Schrauben bewirkt wird, erhöht und eine
sichere Übertragung der Meß- und Steuersignale gewährleistet
werden.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird bei einem hydraulisch
betriebenen Kraftschrauber mit einem durch eine
Kolben-Zylinder-Einheit schwenkbaren Hebel mit einer
Ratschenanordnung zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse
und einer Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen,
volumetrischen Pumpe vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß eine
Eingabeelektronik zum Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der
Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des
Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der
Gewindesteigung und der Klemmlänge, eine Auswerteelektronik zum
Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen
Werten, eine Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel
aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit ausgehend vom Fügepunkt
und eine Steuer- und Abschalteinrichtung zum Abschalten der
Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit bei Erreichen des
soll-Schraubenspannwinkels vorgesehen sind.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß zwischen dem
Volumenstrom der Pumpe und dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit
eine geometrische, unveränderliche Beziehung besteht, so daß einer
Umdrehung der motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe ein
ganz bestimmter Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit entspricht. Da
diesem Hubweg wiederum ein bestimmter Drehwinkel der
Ratschenbüchse entspricht, ergibt sich aus den Umdrehungen der
Pumpe durch einfaches Umrechnen direkt der
Ist-Schraubenspannwinkel. Dementsprechend läßt sich der
Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit
durch die Abtasteinrichtung ermitteln.
Vorzugsweise kann die Abtasteinrichtung für die Ermittlung des
Ist-Schraubenwinkels einen Ist-Druckaufnehmer aufweisen und beim
Spannen der Schraube die Knickpunkte des Ist-Drucks bei Erreichen
des Fügepunkts, bei Einsetzen der Schraubendrehung in den
Zwischenschritten und bei Anschlag des Kolbens der
Kolben-Zylinder-Einheit am Hubende als Intervallgrenzen für den
Volumenstrom der Antriebseinheit heranziehen, in diesen
Intervallgrenzen den Ist-Schraubenwinkel aus dem Volumenstrom
ermitteln und bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels die
Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abschalten.
Diese Ausgestaltung der Abtasteinrichtung macht sich die Tatsache
zunutze, daß beim schrittweisen Drehen der Ratschenbüchse am
Pumpenausgang zunächst ein steiler Druckanstieg einsetzt, der mit
einem Knick in den Druckverlauf übergeht, der sich beim Anziehen
der Schraubenverbindung bis zum Fügepunkt einstellt. Das Anziehen
bis zum Fügepunkt kann in mehreren Schritten erfolgen, wobei am
Ende eines jeden Schrittes wiederum ein Knickpunkt im Druckverlauf
auftritt, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit am Ende des Hubweges
gegen einen Anschlag fährt. Ein weiterer Knickpunkt tritt vor Ende
des Hubweges auf, wenn der Fügepunkt erreicht wird, da von diesem
Punkt ab der Druckanstieg proportional zur Schraubenvorspannkraft
erfolgt.
Solange die vorgegebene Soll-Schraubenvorspannung, d. h. der
daraus ermittelte Soll-Schraubenspannwinkel noch nicht erreicht
ist, legt die Kolben-Zylinder-Einheit während jedes Schrittes den
vollen Hubweg bis zum Anschlag zurück, so daß das Intervall
zwischen dem Knickpunkt des Druckverlaufs zu Beginn und am Ende
des Hubweges ein Maß für den jeweiligen Schraubenspannwinkel ist.
Da diesem Intervall eine bestimmte Fördermenge bzw. ein bestimmter
Volumenstrom der Pumpe zugeordnet ist, der sich wiederum aus deren
Drehzahl ergibt, besteht eine eindeutige Beziehung zwischen dem
Schraubenspannwinkel und dem Volumenstrom der Antriebseinheit.
Wird beim Anziehen der Schraubenverbindung während des letzten
Schrittes der Soll-Schraubenspannwinkel erreicht, was sich in der
Abtasteinrichtung durch Aufaddieren der Hubwege in den einzelnen
Schritten seit dem Fügepunkt feststellen läßt, wird die Bewegung
der Kolben-Zylinder-Einheit abgeschaltet, beispielsweise durch
Abschalten der Antriebseinheit oder durch Öffnen eines
Druckventils in der Leitungsverbindung zwischen der
Antriebseinheit und der Kolben-Zylinder-Einheit.
Wenn zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der Pumpe ein
einstellbares Druckventil angeordnet ist, das auf einen der
Soll-Vorspannkraft entsprechenden Soll-Druck einstellbar ist, und
ermittelt die Antasteinrichtung den Ist-Schraubenspannwinkel bei
Erreichen des Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der
Antriebseinheit, ist es möglich, bei Nichterreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels eine Erhöhung des Drucks am Druckventil
durch die Abtasteinrichtung einstellen zu lassen und ein
Weiterdrehen der Schraube durch die Kolben-Zylinder-Einheit bis
Erreichen des soll-Schraubenspannwinkels zu bewirken. Dabei läßt
sich der Ist-Schraubenspannwinkel vor Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels auf einfache Weise mit dem Intervall
des Druckverlaufs in Verbindung bringen, dessen Knickpunkt sich
durch das Öffnen des Druckventils bei Erreichen des eingestellten
Soll-Drucks ergibt. Dieser Soll-Druck darf selbstverständlich
nicht so hoch eingestellt sein, daß bei Erreichen dieses
Soll-Drucks die Soll-Vorspannkraft überschritten wird.
Aufgrund der eingangs erwähnten Ungenauigkeiten der Steuerung über
eine Druckeinstellung ist es daher vorteilhaft, diesen Soll-Druck
etwas niedriger als der Soll-Vorspannkraft entsprechend
einzustellen, um durch einen anschließenden Schritt den
vorgegebenen Soll-Schraubenspannwinkel und damit die
Soll-Vorspannkraft tatsächlich zu erreichen, indem die Schraube
durch die Kolben-Zylinder-Einheit um einen entsprechenden Winkel
weitergedreht und die Bewegung des Kraftschraubers dann
abgeschaltet wird.
Da die Eingabeelektronik, die Auswerteelektronik und die
Abtasteeinrichtung vorzugsweise aus einem einheitlichen
elektronischen Baustein bestehen können, ist es vorteilhaft, als
Ist-Druckaufnehmer einen elektronischen Druckmesser in der
Leitungsverbindung zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit und der
Antriebseinheit vorzusehen, dessen Meßdaten als elektrische
Meßgrößen direkt durch den elektronischen Baustein verwertbar
sind. Ein derartiger elektronischer Druckmesser ist erforderlich,
wenn der Antriebsmotor für die volumetrische Pumpe kein
Elektromotor, sondern beispielsweise ein Druckluftmotor ist.
Handelt es sich bei dem Antriebsmotor für die volumetrische Pumpe
um einen Elektromotor, kann der Ist-Druckaufnehmer als
Stromaufnahmemeßgerät ausgebildet sein, da die Stromaufnahme eines
Elektromotors, der eine volumetrische Pumpe antreibt, direkt
proportional zum Pumpendruck ist.
Handelt es sich bei dem Antriebsmotor um einen.
wechselstrombetriebenen Antriebsmotor, dessen Phasenlage sich mit
dem aufzubringenden Drehmoment und damit proportional zum von der
volumetrischen Pumpe erzeugten Druck ändert, kann der
Ist-Druckaufnehmer auch als Phasenwinkelmeßgerät ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann die Abtasteinrichtung für den Ist-Druck eine
Differentiiereinrichtung aufweisen, da sich die aufzunehmenden
Knickpunkte des Druckverlaufs als sprunghafte Veränderung der
Steigung aus der Differentiierung des Ist-Drucks ergeben und eine
genaue Ermittlung der Knickpunkte ermöglichen.
Für die Ermittlung des Ist-Schraubenspannwinkels läßt sich der
maßgebliche Volumenstrom der Antriebseinheit aus der Anzahl der
Umdrehungen der volumetrischen Pumpe in den Intervallgrenzen in
der Abtasteinrichtung berechnen, vorzugsweise indem die
Umdrehungsgeschwindigkeit der volumetrischen Pumpe und die
Zeitdauer der Intervalle des Druckverlaufs zwischen den
Knickpunkten zur Berechnung des Volumenstroms herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern eines hydraulisch
betriebenen Kraftschraubers der eingangs erwähnten Art weist die
Schritte auf: Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der
Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des
Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der
Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik,
Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen
Werten in einer Auswerteelektronik, Feststellen des Erreichens des
Fügepunkts in einer Abtasteinrichtung, Ermitteln des
Ist-Schraubenspannwinkels aus dem Hubweg der
Kolben-Zylinder-Einheit ausgehend vom Fügepunkt in der
Abtasteinrichtung und Abschalten der Bewegung der
Kolben-Zylinder-Einheit bei Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels mittels einer Steuer- und
Abschalteinrichtung.
Die Abtasteinrichtung kann dabei den Ist-Schraubenspannwinkel ohne
weiteres aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermitteln, wobei
die Abtasteinrichtung vorzugsweise für die Ermittlung des
Ist-Schraubenwinkels einen Ist-Druckaufnehmer aufweist und beim
Spannen der Schraube die Knickpunkte des Ist-Drucks bei Erreichen
des Fügepunkts, bei Einsetzen der Schraubendrehung in den
Zwischenschritten und bei Anschlag des Kolbens der
Kolben-Zylinder-Einheit am Hubende als Intervallgrenzen für den
Volumenstrom der Antriebseinheit heranzieht, in diesen
Intervallgrenzen den Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom
ermittelt und bei Erreichen des Soll-Schraubenwinkels die Bewegung
der Kolben-Zylinder-Einheit abschaltet. Die Annäherung an den
Soll-Schraubenspannwinkel läßt sich vorteilhaft in der Weise
kontrollieren, daß zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit ein
einstellbares Druckventil angeordnet wird, das auf einen etwas
niedrigeren Soll-Druck als dem der Soll-Vorspannkraft
entsprechenden eingestellt ist. Wenn dann die Abtasteinrichtung
den Ist-Schraubenspannwinkel bei Erreichen des eingestellten
Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der Antriebseinheit ermittelt,
wobei das Erreichen des Soll-Drucks durch Differentiieren des
Druckverlaufs im Knickpunkt genau ermittelbar ist, kann die
Abtasteinrichtung einen erforderlichen Weiterdrehwinkel berechnen,
die Druckeinstellung am Druckventil entsprechend erhöhen und ein
Weiterdrehen der Schrauben durch die Kolben-Zylinder-Einheit bis
Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels bewirken und dann die
Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit abschalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Kraftschraubers mit
Antriebseinheit und elektronischer Steuereinheit
und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Druckverlaufs
beim Schraubenspannen.
Ein hydraulisch betriebener Kraftschrauber 1 umfaßt eine
Kolben-Zylinder-Einheit 2, einen durch die Kolben-Zylinder-Einheit
2 beaufschlagbaren, schwenkbaren Hebel 3 mit einer
Ratschenanordnung 5 zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse
4. Zwischen Anschlägen in der Kolben-Zylinder-Einheit 2 ergibt
sich ein Schwenkwinkel α des Hebels 3. Dies entspricht dem vollen
Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit. Dementsprechend besteht
zwischen dem Hubweg H und dem Schwenkwinkel α eine feststehende,
geometrische Beziehung.
Das Schwenken des Schwenkhebels 3 zum Spannen einer nicht
dargestellten Schraube erfolgt durch Beaufschlagung der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit Drucköl von einer Antriebseinheit 6,
während der Rückhub des Hebels 3 durch eine nicht dargestellte
Rückholfeder bewirkt wird. Der Rückhub erfolgt als Leerhub, da die
Ratschenanordnung 5 beim Rückhub die Drehverbindung zwischen dem
Hebel 3 und der Ratschenbüchse 4 freigibt.
Die Antriebseinheit 6 weist zwei parallel geschaltete Pumpen 7, 8
auf, die als Kolbenpumpen mit unterschiedlichem Fördervolumen
ausgebildet sind. Der Antrieb der Pumpen 7, 8 erfolgt durch einen
gemeinsamen Antriebsmotor 9, der im dargestellten
Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgebildet ist. Mit der
Druckseite der Pumpen 7, 8 ist ein kombiniertes Umschalt- und
Drucksteuerventil 11 verbunden, dessen Wirkungsweise noch
erläutert wird. Des weiteren ist in der Druckleitung zum
Kraftschrauber 1 ein Druckaufnehmer 12 angeordnet. Anstelle eines
in der Druckleitung angeordneten Druckaufnehmers 12 kann die
Messung des Drucks in der Druckleitung auch durch ein mit dem
Antriebsmotor 9 verbundenes Stromaufnahmemeßgerät 13 oder durch
ein mit dem Antriebsmotor 9 verbundenes Phasenwinkelmeßgerät 14
erfolgen.
Mit dem Antriebsmotor 9 kann des weiteren ein Tachogenerator 15
verbunden sein.
Eine die Antriebseinheit 6 steuernde, elektronische Steuereinheit
16 ist mit einer Eingabeelektronik 17, vorzugsweise einer
Eingabetastatur, verbunden und weist Eingänge für den
Druckaufnehmer 12 und/oder das Stromaufnahmemeßgerät 13 und/oder
das Phasenwinkelmeßgerät 14 und/oder den Tachogenerator 15 auf.
Ein Ausgang der elektronischen Steuereinheit 16 ist mit dem
Umschalt- und Drucksteuerventil 11 verbunden. Die elektronische
Steuereinheit 16 umfaßt eine Auswerteelektronik 18 zum Ermitteln
eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den in die Eingabeelektronik
17 eingegebenen Schraubenwerte, nämlich einer Soll-Vorspannkraft,
der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlange. Des
weiteren umfaßt die elektronische Steuereinheit 16 eine
Abtasteinrichtung 19 für den Ist-Schraubenspannwinkel sowie eine
Steuer- und Abschalteinrichtung 20 zum Abschalten der Bewegung der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 bei Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels. Eine Differentiereinrichtung 21 in der
elektronischen Steuereinheit 16 dient dazu, aus dem in Fig. 2
dargestellten Druckverlauf beim Anziehen einer Schraubenverbindung
die Knickpunkte A1 bis A8, B1 bis B3 und C1 bis C6 als sprunghafte
Veränderung des Druckanstiegs darzustellen und zur Auswertung in
der Abtasteinrichtung 19 sowie der Steuer- und Abschalteinrichtung
20 zur Verfügung zu stellen.
Das Spannen einer Schraubenverbindung mittels der in Fig. 1
dargestellten Schraubvorrichtung erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 2
in folgender Weise:
Zunächst werden in die Eingabeelektronik 17 die
Soll-Vorspannkraft, die Schraubengröße, die Gewindesteigung und
die Klemmlänge eingegeben und von dort an die Auswerteelektronik
18 in der elektronischen Steuereinheit 16 geleitet. Die
Auswerteelektronik 18 ermittelt aus diesen Verschraubungsdaten
einen Soll-Schraubenvorspannwinkel, da der Soll-Vorspannkraft eine
bestimmte Schraubendehnung entspricht, die wiederum über die
Gewindesteigung in einem direkt proportionalen Verhältnis zum
Soll-Schraubenspannwinkel steht.
Die Soll-Vorspannkraft ist durch den Elastizitätsmodul des
Schraubenmaterials, die zulässige Zugspannung, d. h. die
Materialgüte, den Schaftquerschnitt und die Schraubenlänge
vorgegeben und kann beispielsweise auf der Schraube selbst oder in
einer Tabelle angegeben sein. Die Auswerteelektronik kann jedoch
auch die Soll-Vorspannkraft ermitteln, wenn das Schraubenmaterial
und die Schraubengüte zusätzlich zu der Schraubengröße, der
Gewindesteigung und der Klemmlänge eingegeben werden.
Dieser Soll-Schraubenspannwinkel wird erst ab dem Fügepunkt B3,
d. h. ab dem Punkt, an dem die verschiedenen Bestandteile der
Schraubenverbindung satt aufliegen, gemessen. Dieser Fügepunkt ist
in Fig. 2 mit B3 bezeichnet.
Wenn der Soll-Schraubenspannwinkel ermittelt ist, der ggf.
zusammen mit den eingegebenen Schraubendaten auf einem nicht
dargestellten Bildschirm angezeigt sein kann, wird der Motor 9 zum
Antreiben der Pumpen 7, 8 in Betrieb gesetzt oder wird bei ständig
laufendem Antriebsmotor 9 ein Druckentlastungsventil im Umschalt- und
Drucksteuerventil 11 geschlossen, so daß sich in der
Druckleitung zum Kraftschrauber 1 der Pumpendruck aufbaut. Dieser
Druck steigt zunächst nur bis zum Punkt A1 in Fig. 2 an und
entspricht den Widerständen in den Leitungen, dem Kraftschrauber 1
und in der Schraubenverbindung während des Anziehens bis zum
Fügepunkt B3. In Fig. 2 ist dargestellt, daß bis zum Erreichen des
Fügepunktes B3 zwei Leerhübe A1-B1 und A2-B2 erforderlich sind.
Diese Leerhübe entsprechen dem vollem Hubweg der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 bis zum Anschlag am Ende des Hubwegs, an
dem der Druck in der Druckleitung steil bis auf den in dem
Abschalt- und Drucksteuerventil eingestellten Druck ansteigt. Bei
diesem Druck kann es sich, wie nachstehend noch beschrieben,
entweder um einen gleichbleibenden Druck pmax oder um einen ersten
Druck p1 und anschließend den Druck pmax handeln. Zwischen jedem
Hub kehrt die Kolben-Zylinder-Einheit, durch die elektronische
Steuereinheit 16 gesteuert, in ihre Ausgangsstellung zurück.
Wenn während des dritten Schritts beim Spannen der
Schraubverbindung der Fügepunkt B3 erreicht ist, wird die Schraube
entsprechend den Schraubendaten gespannt, wobei entsprechend der
zunehmenden Schraubenvorspannung ein gleichmäßiges Ansteigen des
erforderlichen Schraubmoments und damit des Drucks in der
Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 eintritt. Ist in einem
Schritt das Ende Hubweges H erreicht, steigt vom Punkt C1 der
Druck wieder stark auf p1 oder auf pmax an.
Der Schraubvorgang wiederholt sich in mehreren Schritten in der
gleichen Weise, wobei die Intervalle I1 bis I6 dem
Ist-Schraubenspannwinkel entsprechen.
Der Druckverlauf läßt sich, wie bereits erwähnt, entweder mittels
eines in der Druckleitung angeordneten, elektronischen
Druckaufnehmers 12 oder durch ein mit dem Antriebsmotor 9
verbundenes Stromaufnahmemeßgerät 13 oder durch ein mit dem
Antriebsmotor 9 verbundenes Phasenwinkelmeßgerät 14 ermitteln.
Durch Differentieren des Druckverlaufs mittels der
Differentiereinrichtung 21 in der elektronischen Steuereinheit 16
lassen sich die Knickpunkte A1 bis A8, B1 bis B3 und C1 bis C6
sehr genau bestimmen, so daß sich der Ist-Schraubenspannwinkel zu
jedem Zeitpunkt mit dem Soll-Schraubenspannwinkel vergleichen
läßt.
Der Ist-Schraubenspannwinkel ergibt sich aus den Intervallen I1
bis I6 in der Weise, daß die als Kolbenpumpen ausgebildeten Pumpen
7, 8 für jede Umdrehung des Antriebsmotors 9 ein ganz bestimmtes
Hydraulikölvolumen liefern, dem ein bestimmter Hubweg H der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 je nach wirksamer Kolbenfläche
entspricht.
Läuft beispielsweise der Antriebsmotor 9 mit konstanter Drehzahl,
genügt es, die Zeit für die Intervalle I1 bis I6 zwischen den
Knickpunkten B3-C1, A4-C2, A5-C3, A6-C4, A7-C5, A8-C6
aufzuaddieren, da bei konstanter Drehzahl des Antriebsmotors 9 die
Pumpen 7, 8 einen konstanten Volumenzustrom liefern, der genau
einem bestimmten, aufzusummierenden Hubweg H der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 und damit dem Schraubenspannwinkel
entspricht. Hierzu ist eine Zeitschaltung erforderlich, die nur
die Intervalle I1 bis I6 aufsummiert.
Ist mit dem Antriebsmotor 9 ein Tachogenerator 13 verbunden, der
die Umdrehungen des Antriebsmotors zählt, ist weder eine
Zeitschaltung erforderlich, noch muß der Antriebsmotor mit
konstanter Drehzahl laufen, da, wie bereits ausgeführt, jeder
Umdrehung des Antriebsmotors 9 ein ganz bestimmtes Fördervolumen
der Pumpen 7, 8 entspricht, das einen entsprechenden Hubweg der
Kolben-Zylinder-Einheit 2 zufolge hat.
Das Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 bei
Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels läßt sich auf
unterschiedliche Weise steuern. Ist beispielsweise das Umschalt- und
Drucksteuerventil 11 auf einen Höchstdruck pmax eingestellt,
der stets höher liegt als der Druck, der sich beim Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels in der Druckleitung einstellt, ist es
erforderlich, von der Steuer- und Abschalteinrichtung 20 in der
elektronischen Steuereinheit 16 ein Signal an den Antriebsmotor 9
oder an das Umschalt- und Drucksteuerventil 11 zu senden, das den
Antriebsmotor 9 bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels
abstellt oder durch Öffnen eines Druckentlastungsventils im
Umschalt- und Drucksteuerventil 11 eine schnelle Druckentlastung
in der Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 bewirkt und
damit zum Stillstand der Hubbewegung führt. Dieser Abschaltpunkt
kann beispielsweise beim Punkt C5 bei dem Druck p1 erreicht sein,
so daß die Intervalle I1 bis I5 dem Ist-Schraubenspannwinkel
entsprechen.
Eine andere Möglichkeit, den Ist-Schraubenspannwinkel in
Übereinstimmung mit den Soll-Schraubenspannwinkel zu bringen,
besteht darin, in dem Umschalt- und Drucksteuerventil 11 einen
Druck p1 einzustellen, der niedriger ist als der Druck, der sich
bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels einstellt. In diesem
Fall endet die Hubbewegung der Kolben-Zylinder-Einheit 2 zunächst
im Knickpunkt C5, da in diesem Punkt der eingestellte Druck p1
erreicht wird und sich das Umschalt- und Drucksteuerventil 11 zum
Hydraulikbehälter 10 öffnet.
Während sich die Kolben-Zylinder-Einheit 2 in die Ausgangsstellung
zurück bewegt, wird das auf den Druck p1 eingestellte
Drucksteuerventil 11, durch die elektronische Steuereinheit 16
gesteuert, geschlossen, so daß ein weiterer Druckanstieg während
des nachfolgenden Arbeitshubes der Kolben-Zylinder-Einheit möglich
ist. Es erfolgt somit ein Weiterdrehen der Schraubenverbindung
durch den Kraftschrauber 1 bis das Intervall I6 durchlaufen ist
und nunmehr der Ist-Schraubenspannwinkel mit dem
Soll-Schraubenspannwinkel übereinstimmt, wonach, wie bereits
beschrieben, entweder der Antriebsmotor 9 abgeschaltet oder ein
Druckentlastungsventil in dem Umschalt- und Drucksteuerventil 11
geöffnet wird, so daß das durch die Pumpen 7, 8 geförderte Drucköl
in den Ölbehälter 10 zurückfließt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei
Pumpen 7, 8 mit unterschiedlichem Fördervolumen parallel
geschaltet. Beide Pumpen 7, 8 fördern während der Leerhübe A1-B1,
A2-B2 bis zum Erreichen des Fügepunktes B3 gemeinsam in die
Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2. Bei Erreichen des
Fügepunktes B3 öffnet sich ein Druckentlastungsventil in dem
Umschalt- und Drucksteuerventil 11, wodurch der Volumenstrom der
Pumpe 8 wieder in den Ölbehälter 10 zurückfließt und nur noch die
Pumpe 7 in die Druckleitung zur Kolben-Zylinder-Einheit 2 fördert.
Auf diese Weise wird der Fügepunkt B3 sehr schnell erreicht, ohne
daß die gesamte Antriebseinheit 6 hinsichtlich ihrer Leistung auf
den beim Anziehen der Schraubenverbindung erforderlichen hohen
Druck ausgerichtet zu werden braucht.
Durch das Öffnen des Druckentlastungsventils geht die
Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 9 schlagartig zurück und
steigt beim weiteren Anziehen der Schraube wieder an, so daß sich
dieser Schaltpunkt durch das Stromaufnahmemeßgerät 13 oder durch
das Phasenwinkelmeßgerät in der Abtasteinrichtung 19 beim
Aufnehmen des Ist-Schraubenspannwinkels berücksichtigen läßt.
Selbstverständlich kann das Druckentlastungsventil für die Pumpe 8
auch so eingestellt sein, daß noch ein Teil der Intervalle I1 bis
I5 durch beide Pumpen 7, 8 erfaßt wird, wenn ein besonders
schneller Schraubvorgang erwünscht ist.
Mit der Erfindung ist der besondere Vorteil verbunden, daß sich
ein hochgenaues Anziehen einer Schraubenverbindung auf eine
vorgebbare Soll-Vorspannkraft über einen daraus errechenbaren
Soll-Schraubenspannwinkel erreichen läßt, ohne daß der
Ist-Schraubenspannwinkel direkt mittels einer besonderen
Winkelmeßvorrichtung gemessen werden muß, da sich der
Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der
Hydraulikantriebseinheit 6 für den Kraftschrauber 1 ermitteln läßt
und dieser Volumenstrom aus den Abmessungen der Pumpen 7, 8 und
ihrer Drehzahl geometrisch vorgegeben ist.
Claims (17)
1. Hydraulisch betriebener Kraftschrauber (1) mit
- - einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit (2) schwenkbaren Hebel (3) mit einer Ratschenanordnung (5) zum schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse (4),
- - einer Antriebseinheit (6) mit einer motorisch angetriebenen, volumetrischen Pumpe (7, 8),
- - einer Eingabeelektronik (17) zum Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge,
- - einer Auswerteelektronik (18) zum Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten,
- - einer Abtasteinrichtung (19) für den Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit (1), ausgehend vom Fügepunkt (B3) und
- - einer steuer- und Abschalteinrichtung (20) zum Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit (2) bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels.
2. Kraftschrauber nach Anspruch 1, bei dem die Abtasteinrichtung
(19) dem Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der
Antriebseinheit (6) ermittelt.
3. Kraftschrauber nach Anspruch 2, bei dem die Abtasteinrichtung
(19) für die Ermittlung des Ist-Schraubenwinkels einen
Ist-Druckaufnehmer (12, 13, 14) aufweist und beim Spannen der
Schraube die Knickpunkte (A1-A3; B1-B8; C1-C6) des Ist-Drucks
bei Erreichen des Fügepunktes (B3) bei Einsetzen der
Schraubendrehung in den Zwischenschritten und bei Anschlag der
Kolben-Zylinder-Einheit (1) am Hubende als Intervallgrenzen
(I1 bis I6) für den Volumenstrom der Antriebseinheit (6)
heranzieht, in diesen Intervallgrenzen (I1 bis I6) den
Ist-Schraubenwinkel aus dem Volumenstrom ermittelt und bei
Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels die Bewegung der
Kolben-Zylinder-Einheit (1) abschaltet.
4. Kraftschrauber nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem zwischen der
Kolben-Zylinder-Einheit (1) und der Pumpe (7, 8) ein
einstellbares Druckventil (11) angeordnet ist, das auf einen
der Soll-Vorspannkraft entsprechenden Soll-Druck einstellbar
ist, die Abtasteinrichtung (19) den Ist-Schraubenspannwinkel
bei Erreichen des Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der
Antriebseinheit (6) ermittelt, bei Nichterreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels eine Erhöhung der Druckeinstellung
am Druckventil (11) und ein Weiterdrehen der Schraube durch
die Kolben-Zylinder-Einheit (1) bis Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels bewirkt.
5. Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der
Ist-Druckaufnehmer als elektronischer Druckmesser (12) in der
Verbindung zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit (1) und der
Antriebseinheit (6) ausgebildet ist.
6. Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der
Ist-Druckaufnehmer als Stromaufnahmemeßgerät (19) einer
elektromotorisch angetriebenen Antriebseinheit (6) ausgebildet
ist.
7. Kraftschrauber nach Anspruch 3 oder 4, bei dem der
Ist-Druckaufnehmer als Phasenwinkelmeßgerät (14) einer mit
Wechselstrom betriebenen elektromotorischen Antriebseinheit
(6) ausgebildet ist.
8. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die
Abtasteinrichtung (19) eine Differentiiereinrichtung (21) für
den Ist-Druck aufweist und sich die Knickpunkte (A1-A3; B1-B8;
C1-C6)als sprunghafte Veränderung der Steigung des
Ist-Druckverlaufs aus der Differentiierung des Ist-Drucks
ergeben.
9. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem der
für die Ermittlung des Ist-Schraubenspannwinkels maßgebende
Volumenstrom der Antriebseinheit (6) aus der Anzahl der
Umdrehungen der volumetrischen Pumpe (7, 8) in den
Intervallgrenzen (I1 bis I6) in der Abtasteinrichtung (19)
berechnet wird.
10. Kraftschrauber nach Anspruch 9, bei dem aus der
Umdrehungsgeschwindigkeit der volumetrischen Pumpe (7, 8) und
der Zeitdauer der Intervalle (I1 bis I6) der Volumenstrom in
der Abtasteinrichtung (19) berechnet wird.
11. Verfahren zum Steuern eines hydraulisch betriebenen
Kraftschraubers mit einem durch eine Kolben-Zylinder-Einheit
schwenkbaren Hebel mit einer Ratschenanordnung zum
schrittweisen Drehen einer Ratschenbüchse und einer
Antriebseinheit mit einer motorisch angetriebenen,
volumetrischen Pumpe mit den Schritten:
- - Eingeben einer Soll-Vorspannkraft, der Schraubengröße, der Materialgüte, der Gewindesteigung und der Klemmlänge oder des Schraubenmaterials, der Materialgüte, der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Klemmlänge in eine Eingabeelektronik,
- - Ermitteln eines Soll-Schraubenspannwinkels aus den eingegebenen Werten in einer Auswerteelektronik,
- - Festellen des Erreichens des Fügepunkts in einer Abtasteinrichtung,
- - Ermitteln des Ist-Schraubenspannwinkels aus dem Hubweg der Kolben-Zylinder-Einheit, ausgehend vom Fügepunkt in der Abtasteinrichtung und
- - Abschalten der Bewegung der Kolben-Zylinder-Einheit (2) bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels mittels einer Steuer- und Abschalteinrichtung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abtasteinrichtung den
Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom der
Antriebseinheit ermittelt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Abtasteinrichtung für
die Ermittlung des Ist-Schraubenwinkels einen
Ist-Druckaufnehmer aufweist und beim Spannen der Schraube die
Knickpunkte des Ist-Drucks bei Erreichen des Fügepunktes, bei
Einsetzen der Schraubendrehung in den Zwischenschritten und
bei Anschlag des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit am
Hubende als Intervallgrenzen für den Volumenstrom der
Antriebseinheit heranzieht, in diesen Intervallgrenzen den
Ist-Schraubenspannwinkel aus dem Volumenstrom ermittelt und
bei Erreichen des Soll-Schraubenspannwinkels die Bewegung der
Kolben-Zylinder-Einheit (1) abschaltet.
14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem zwischen der
Kolben-Zylinder-Einheit und der Pumpe ein einstellbares
Druckventil angeordnet ist, das auf einen, der
Soll-Vorspannkraft entsprechenden Soll-Druck einstellbar ist,
die Abtasteinrichtung für die Ermittlung des
Ist-Schraubenspannwinkels den Ist-Schraubenspannwinkel bei
Erreichen des Soll-Drucks aus dem Volumenstrom der
Antriebseinheit ermittelt, bei Nichterreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels eine Erhöhung der Druckeinstellung
am Druckventil und ein Weiterdrehen der Schraube durch die
Kolben-Zylinder-Einheit bis Erreichen des
Soll-Schraubenspannwinkels bewirkt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die
Abtasteinrichtung eine Differentiiereinrichtung für den
Ist-Druck aufweist und sich die Knickpunkte als sprunghafte
Veränderung der Steigung des Ist-Druckverlaufs aus der
Differentiierung des Ist-Drucks ergeben.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem aus der
Anzahl der Umdrehungen der volumetrischen Pumpe in den
Intervallgrenzen in der Abtasteinrichtung berechnet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der für die Ermittlung des
Ist-Schraubenspannwinkels maßgebende Volumenstrom der
Antriebseinheit aus der Umdrehungsgeschwindigkeit der
volumetrischen Pumpe und der Zeitdauer der Intervalle in der
Abtasteinrichtung berechnet wird.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998113900 DE19813900A1 (de) | 1998-03-28 | 1998-03-28 | Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zu seiner Herstellung |
| PCT/EP1999/002026 WO1999050029A1 (de) | 1998-03-28 | 1999-03-25 | Hydraulisch betriebener kraftschrauber und verfahren zu seiner steuerung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998113900 DE19813900A1 (de) | 1998-03-28 | 1998-03-28 | Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zu seiner Herstellung |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE1998113900 Withdrawn DE19813900A1 (de) | 1998-03-28 | 1998-03-28 | Hydraulisch betriebener Kraftschrauber und Verfahren zu seiner Herstellung |
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