DE19904773C1 - Intelligente Nuß - Google Patents
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Abstract
Schraubersystem mit einem Schrauber, zumindest einer Schraubernuß und einem Übertragungsmittel, wobei die Schraubernuß eine Kodiereinrichtung zum Kodieren von Daten und der Schrauber eine Datenübertragungseinrichtung zum Lesen und bevorzugt auch zum Schreiben der Daten umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind. Besonders bevorzugt wird ein Transpondersystem eingesetzt, wobei die Daten berührungsfrei mittels elektromagnetischen Hochfrequenzwellen zwischen der Kodiereinrichtung und dem Übertragungsmittel übertragbar sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein Schraubersystem, wie es im Anspruch 1 beschrieben
ist.
Elektro-Handschrauber sind neben Drehmomentschlüsseln als handbetätigbare
Verschraubungswerkzeuge weit verbreitet. Solche Handschrauber werden
typischerweise mit einer Vielzahl von sogenannten Schraubernüssen eingesetzt,
die passend zu verschiedenen Schrauben und insbesonderen verschiedenen
Schraubenköpfen ausgelegt sind. Unterschiedliche Schraubengrößen erfordern
zumeist unterschiedliche Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurven, d. h. insbesonde
re unterschiedliche Festzieh-Drehmoments. Herkömmlicherweise müssen solche
unterschiedliche Daten bei jedem Schraubernußwechsel an die Schraubersteue
rung weitergegeben werden. Hierzu kommen im Stand der Technik insbesondere
sogenannte Schraubernußwechselkästen zum Einsatz, die als Ablagen für die
benötigten Schraubernüsse dienen und ein Signal an die Schraubersteuerung
weitergeben, wenn eine bestimmte Schraubernuß entnommen wird. Bauartbe
dingt können solche Schraubernußwechselkästen vom Benutzer nicht zu dem zu
bearbeitenden Werkstück mitgenommen werden und ermöglichen zudem keine
gleichzeitige Entnahme mehrerer Schraubernüsse. Dies führt zu einem nachteilig
erhöhten Arbeitsaufwand für den Bearbeiter, da für einen Wechsel der Schrau
bernüsse zusätzliche Wege zu dem Schraubernußwechselkasten anfallen. Ferner
sind solche Schraubernußwechselkästen anfällig gegenüber Verwechslungen der
Schraubernüsse bei deren Ablage in dem Schraubernußwechselkasten.
In DK 1-98, Seiten 19 bis 21, "Schraublizenz für Mercedes-Sitze" ist ein Perso
nen-Identifizierungssystem beschrieben, bei welchem sich Werker bei einem
Schraubsystem mittels einer scheckkartengroßen Kennkarte bei Schichtbeginn
identifizieren und bei Schichtende abmelden müssen. Dies ermöglicht eine
personifizierte Qualitätssicherung, da zu allen Zeiten festgestellt werden kann,
welcher Werker vorbestimmte Schraubverbindungen durchgeführt hat. Ferner ist
ein elektronisches Steckschlüsselbrett zur Aufnahme von Schrauberbits offen
bart, welches einer übergeordneten Schraubersteuerung einzuhaltende Schraub
parameter (Drehmoment und Winkel) übermittelt, wenn der Werker dem elektro
nischen Steckschlüsselbrett (Bit-Selektor) das entsprechende Bit entnimmt.
DE 39 22 049 A1 offenbart ein tragbares, kraftangetriebenes Werkzeug zum
Anziehen von Schrauben oder Muttern. Das Werkzeug ist mit einer Dekodier-
bzw. Signalleseeinheit bereitgestellt, welche über eine Konsole und Sensoren
dreistellige, binäre Identifizierungscodes an einer Schrauberhülse auslesen kann.
Hierzu wird von den Sensoren das Fehlen oder Vorhandensein von drei, umfäng
lich um die Schrauberhülse angebrachten magnetischen Ringen geprüft. Hier
durch ist es möglich, mit einem derartigen Schrauberwerkzeug 23 = 8 ver
schieden kodierte Hülsen zu diskriminieren. Alternativ wird vorgeschlagen, die
Kodierung über Hell- bzw. Dunkelfelder auf der Schraubernuß bereitzustellen,
welche über eine optische Reflexionsmessung mittels Diode und Fototransistor
vom Schrauber erkannt werden können.
In Maschinenmarkt, Würzburg 101 (1995) 36, Seiten 54 bis 58, F. Thoren, R.
Rauthe: "Überwachungsstrategien für die fehlerlose Schraubmontage" sind
Verfahren zur Messung der Vorspannkraft einer Schraubverbindung beschrieben.
Insbesondere ist eine direkte Messung der Vorspannkraft offenbart, bei welcher
der Meßwertgeber direkt an der zu verschraubenden Schraube angebracht ist.
Hierzu wird ein piezoelektrischer Sensor auf dem Schraubenkopf aufgedampft,
welcher bei entsprechender Anregung ein Ultraschallsignal aussendet, aus
welchem die erzeugte Vorspannkraft bestimmt werden kann. Eine Codierung von
Schraubernüssen erfolgt nicht.
US 5,386,749 offenbart einen mechanischen Handschrauber, welcher mit
verstellbaren Schraubernüssen zusammenarbeiten kann. Die Schraubernüsse
weisen an ihrer oberen Stirnfläche einen drehbaren Einstellknopf auf, welcher
über eine Welle mit einem unteren Einstellabschnitt verbunden ist. Durch Drehen
des Einstellknopfs kann der untere Einstellabschnitt derart positioniert werden,
daß Muttern unterschiedlicher Größe mit der variablen Schraubernuß verschraubt
werden können. Eine eingestellte Position des Einstellknopfs kann durch Ein
rasten eines Vorsprungs in zugeordnete Rücksprünge der Schraubernuß arretiert
werden. Eine Kodierung von Schraubernüssen erfolgt nicht.
DE 297 15 822 U1 beschreibt einen Schraubendrehereinsatz für einen Hand
schrauber, bei welchem zwischen dem sechskantförmigen Betriebsabschnitt und
dem Schraubkopf eine Identifikations-Auflage in einem Halsabschnitt in Form
einer enganliegenden Identifikations-Banderole aufgebracht ist. Die
Identifikations-Banderole ist derart an dem Schraubendrehereinsatz angebracht,
daß sie auch dann sichtbar ist, wenn der Schraubendrehereinsatz betriebsmäßig
mit dem Schraubendreher verbunden ist. Dies ermöglicht es dem Werker, die
Identifikations-Banderole im Betrieb erkennen zu können und so optisch über
prüfen zu können, ob ein Schraubendrehereinsatz gewünschter Größe sich in
dem Schraubendreher eingesteckt befindet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Schraubersystem, insbesondere für
Elektro-Handschrauber, anzugeben, welches eine benutzerfreundliche, zeit
sparende und fehlersichere Verwendung einer Vielzahl von Schraubernüssen mit
einem Schrauber ermöglicht und insbesondere für einen Einsatz bei einer Insel
montage ausgelegt ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch
1 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Schraubersystem einen Schrauber, mit zumindest
einer Schraubernuß und einem Übertragungsmittel, welches für eine berührungsfreie
elektromagnetische Datenübertragung ausgelegt ist, wobei die Schraubernuß
eine Kodiereinrichtung mit elektronischen Kodiermitteln zum Kodieren von Daten
und der Schrauber eine Datenübertragungseinrichtung zum Lesen der Daten aus
der Kodiereinrichtung und vorzugsweise zusätzlich zum Schreiben der Daten in
die Kodiereinrichtung umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind,
und wobei die elektronischen Kodiermittel zumindest einen integrierten elektro
nischen Schaltkreis umfassen.
Wenn folglich eine Schraubernuß betriebsmäßig an den Schrauber angebracht
wird, kann eine eindeutige Identifizierung der Schraubernuß aufgrund der in der
Kodiereinrichtung kodierten Daten mittels der Datenübertragungseinrichtung
erfolgen. Aufgrund dieser Daten kann eine vorbestimmte oder zu bestimmende
Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurve bzw. ein Festzieh-Drehmoment an eine
entsprechende Schraubersteuerung weitergegeben werden. Auf Schraubernuß
wechselkästen kann somit in vielen Fällen vollständig verzichtet werden. Die
Gefahr, daß ein vorbestimmter Schraubvorgang mit einer der Schraubernuß bzw.
Schraube nicht entsprechenden Drehmoment/Drehwinkelsteuerkurve durch
geführt wird, wird so erfindungsgemäß auf ein Minimum reduziert bzw. voll
ständig ausgeschlossen. Vorzugsweise umfaßt das erfindungsgemäße Schrau
bersystem eine Datenübertragungseinrichtung und eine Kodiereinrichtung derart,
daß einerseits Daten von der Datenübertragungseinrichtung des Schraubers über
das Übertragungsmittel in die Kodiereinrichtung zur dortigen Kodierung übertrag
bar sind und andererseits bereits in der Kodiereinrichtung kodierte Daten über
das Übertragungsmittel von der Datenübertragungseinrichtung auslesbar bzw.
empfangbar sind. Dies ermöglicht es in einfacherer Weise, in der Kodierein
richtung kodierte Daten, beispielsweise ein neues Festzieh-Drehmoment, für eine
Schraubernuß zu ändern oder neu einzugeben. Auch ist es hiermit möglich,
Daten des letzten Schraubvorganges in der Kodiereinrichtung der Schraubernuß
abzulegen.
Die Kodiereinrichtung umfaßt elektrische bzw. elektronische Kodiermittel und das
Übertragungsmittel ist für eine berührungsfreie elektromagnetische Datenüber
tragung ausgelegt, die kontaktfrei (ohne elektrisch leitfähige Verbindung) erfolgt.
Dies ermöglicht eine besonders geringe Fehlerübertragungswahrscheinlichkeit
und damit eine hohe Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Schrauber
systems.
Das elektrische bzw. elektronische Kodiermittel umfaßt zumindest einen inte
grierten elektronischen Schaltkreis (Chip). Die Datenübertragung kann somit in
der Form eines Transpondersystems erfolgen, das berührungsfreies Lesen
und/oder Schreiben der Daten ermöglicht. Insbesondere kann hierbei das elektro
nische Kodiermittel neben dem integrierten Schaltkreis, der den Datenspeicher
für die Daten beispielsweise als EEPROM bildet, eine Sende- und/oder Empfangs
antenne, ein Speicherkondensator, und ein Hochfrequenz-Sende- und/oder
Empfangsteil umfassen. Die Datenübertragungseinrichtung ist dann als eine
Hochfrequenzschreib- und/oder Lesestation ausgelegt, die per elektromagneti
scher Hochfrequenzübertragung den Inhalt des Datenspeichers lesen bzw. diesen
ändern oder neu beschreiben kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Daten schrauberspezifische
Daten, die insbesondere die Schraubernußgröße beinhalten.
Weiter bevorzugt kann die elektronische Kodiereinrichtung ein akustisches
Oberflächenbauelement umfassen, das zur Kodierung der Daten ausgelegt ist.
Beispielsweise kann das akustische Oberflächenbauelement ein piezoelektrischer
Einkristallchip sein, dessen Oberfläche durch planarlithographische Prozeßschritte
mit metallischen Leitungen prozessiert wurde. Ein von der Datenübertragungsein
richtung eingestrahlter Hochfrequenzauslesepuls wird hierbei von einer planarlito
graphischen Eingangsantenne auf dem Einkristallchip über einen ebenfalls planar
litographisch definierten Interdigitalwandler in eine akustische Oberflächenwelle
gewandelt, die nachfolgend auf der Oberfläche des Einkristallchips entlang einer
vorbestimmten Ausbreitungsrichtung propagiert. In die akustische Laufstrecke
eingebrachte Reflektoren, deren Anordnung den kodierten Daten entspricht,
reflektieren nachfolgend einen Teil der akustischen Oberflächenwelle zurück zu
dem Interdigitalwandler, der die reflektierte akustische Leistung wieder in ein
Hochfrequenzsignal wandelt. Dieses Hochfrequenzsignal kann von der Daten
übertragungseinrichtung im Schrauber detektiert und ausgewertet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenübertragungseinrichtung
in der Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausgebildet, der vorzugs
weise an einer Seite des Schraubers, die einer betriebsmäßig angebrachten
Schraubernuß zugewandt ist, angeordnet ist. Besonders bevorzugt wird hierbei
eine zentrierte Anordnung der Datenübertragungseinrichtung auf einer Drehachse
des Schraubers. Dies ermöglicht es, mit minimalen konstruktiven Änderungen
einen herkömmlichen Schrauber als den Schrauber für das erfindungsgemäße
Schraubersystem bereitzustellen. Auch kann auf diese Weise ein herkömmlicher
Schrauber mit der erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung nach
gerüstet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Kodiereinrichtung in Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels ausge
bildet, der vorzugsweise an einer Seite der Schraubernuß, die betriebsmäßig dem
Schrauber zugewandt ist, befestigt ist. Dies ermöglicht es, unter minimalem
konstruktiven Aufwand bzw. mit minimalen Änderungen eine Kodiereinrichtung
für eine Schraubernuß für das erfindungsgemäße Schraubersystem bereitzustel
len. Auch kann eine herkömmliche Schraubernuß auf diese Weise mit kleinem
Änderungsaufwand mit der Kodiereinrichtung nachgerüstet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kodiereinrichtung
in einer Ausnehmung in einer Seite der Schraubernuß angeordnet, die betriebs
mäßig dem Schrauber zugewandt ist. Durch eine solche vorteilhafte Anordnung
der Kodiereinrichtung in der Schraubernuß kann ein beschädigender mecha
nischer Einfluß der Kodiereinrichtung während des Betriebs weitestgehend
minimiert werden. Soll eine elektromagnetische Übertragung der Daten von bzw.
zu der Kodiereinrichtung erfolgen, ist es erforderlich, bei der Dimensionierung der
Vertiefung einen elektromagnetischen Abschirmeffekt durch die typischerweise
metallische Schraubernuß zu berücksichtigen. Dies kann insbesondere eine
höhere Frequenz der verwendeten elektromagnetischen Wellen zur Übertragung
erfordern.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Schrauber des Schraubersystems ein Elektro-Handschrauber, der als handgeführ
tes Verschraubungswerkzeug eingesetzt wird. Die Erfindung kann jedoch eben
falls für Einbau-Schrauber zur Verwendung kommen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1(a) eine schematische Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Handschraubers;
Fig. 1(b) eine schematische Querschnittsansicht durch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schraubernuß; und
Fig. 1(c) eine schematische Aufsicht auf die in Fig. 1(b) dargestellte Aus
führungsform der erfindungsgemäßen Schraubernuß von entlang
deren Drehachse vom Schrauber aus gesehen.
Fig. 1(a) zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Handschraubers
10. Es handelt sich hierbei um einen Elektro-Handschrauber, der von einem
bürstenlosen Gleichstrommotor angetrieben wird. Der Handschrauber 10 umfaßt
einen Motorlagegeber 12, eine Motorversorgung 14, einen Startschalter 16,
einen Drehwinkelsensor 18 und einen Drehmomentsensor 20. Der Schraublei
stungsausgang des Handschraubers 10 wird durch einen Antriebsvierkant 22
bereitgestellt, dessen Drehachse senkrecht zu der Längsachse des Schraubers
10 angeordnet ist (Winkelschrauber). Um einen Schraubvorgang durchzuführen,
wird eine in Fig. 1(b) dargestellte Schraubernuß 24 in Verbindung mit dem
Handschrauber 10 verwendet. Das hintere Ende der Schraubernuß 24 ist hierbei
mit einer Vierkantausnehmung 26 bereitgestellt, die betriebsmäßig in Eingriff mit
dem Antriebsvierkant 22 des Handschraubers 10 steht, so daß eine Drehan
triebsleistung des Handschraubers 10 auf die Schraubernuß 24 übertragen
werden kann.
Der drehbare Antriebsvierkant 22 des Handschraubers 10 springt entlang der
Schrauberdrehachse von einer Schrauberstirnfläche 28 vor. An die Schrauber
stirnfläche 28 ist eine Datenübertragungseinrichtung 31 zum Lesen und Schrei
ben von Daten befestigt. Die Datenübertragungseinrichtung 31 ist hierbei in der
Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels gebildet, in den aktive Daten
übertragungseinrichtungskomponenten entweder eingegossen oder eingebaut
werden können. Der ringförmige Kunststoffaußenmantel ist auf der Schrauber
drehachse zentriert und berührungsfrei gegenüber dem Antriebsvierkant 22
angeordnet. Die Betriebsweise der Datenübertragungseinrichtung 31 wird später
detailliert beschrieben werden.
An einer dem Schrauber 10 betriebsmäßig zugewandten Stirnseite 32 ist eine
Kodiereinrichtung 34 zum Kodieren von Daten an der Stirnfläche 32 der Schrau
bernuß 24 befestigt. Die Kodiereinrichtung 34 ist in der Form eines ringförmigen
Kunststoffaußenmantels ausgebildet, wie in der schematischen Aufsicht in Fig.
1(c) dargestellt ist. Der ringförmige Außenmantel der Kodiereinrichtung 34 hat
den gleichen Außendurchmesser wie der entsprechende Kunststoffaußenmantel
der Datenübertragungseinrichtung 30. Der Innendurchmesser des Kunststoff
außenmantels der Kodiereinrichtung 34 ist so gewählt, daß die Vierkantausneh
mung 26 der Schraubernuß 24 nicht von dem Kunststoffaußenmantel der
Kodiereinrichtung 34 verdeckt wird. Die Kodiereinrichtung 34 wird dabei derart
auf der Schraubernuß 24 angeordnet, daß die Zentrumsachse der Kodierein
richtung 34 entlang der betriebsmäßigen Drehachse der Schraubernuß 24
verläuft. Die aktiven Komponenten der Kodiereinrichtung 34 können in kompak
ter Form in einem beliebigen Abschnitt in dem Kunststoffaußenmantel unterge
bracht sein. Alternativ können sich die aktiven Komponenten der Kodierein
richtung 34 auch in dem gesamten ringförmigen Kunststoffaußenmantel er
strecken.
Datenübertragungseinrichtung 30 und Kodiereinrichtung 34 bilden zusammen ein
Transpondersystem, das mit elektromagnetischen Wellen als Übertragungsmittel
zur berührungslosen Datenübertragung, die auch eine benötigte Leistungsüber
tragung beinhaltet, ausgelegt ist. Die Funktionsweise einer bevorzugten Aus
führungsform dieses Transpondersystems soll im folgenden kurz dargestellt
werden:
Die Kodiereinrichtung 34 in der Schraubernuß 24 umfaßt eine Sende- und
Empfangsantenne, einen Speicherkondensator, ein Hochfrequenz-Sende- und -
Empfangsteil, einen Datenspeicher in der Form eines EEPROM und eine Steuerlo
gik. Diese aktiven Kodiereinrichtungskomponenten sind in einem Glasröhrchen
hermetisch von der Umwelt abgeschlossen und in dem ringförmigen Kunststoff
außenmantel eingegossen. Die Datenübertragungseinrichtung 30 des Schraubers
10 umfaßt ebenfalls eine Sende- und Empfangsantenne, eine Kontrolllogik, ein
Hochfrequenzteil sowie eine Schnittstelle. Taucht nun eine Kodiereinrichtung 34
in den Wirkbereich der Sende- und Empfangsantenne der Datenübertragungsein
richtung 30, so sendet diese zunächst einen Energieimpuls, der den im Trans
ponder enthaltenen Speicherkondensator (Energiespeicher) aufläd. Ist genügend
Energie in dem Speicherkondensator gespeichert, so schaltet die Kontrolllogik
einen Hochfrequenzsender ein und überträgt den Inhalt des Datenspeichers (des
EEPROMs) an die Datenübertragungseinrichtung 30. Umgekehrt kann die Daten
übertragungseinrichtung 30 neue Daten in den Datenspeicher der Kodierein
richtung einschreiben. Besonders vorteilhaft an dieser Transponderausführung
ist, daß die Kodiereinrichtung selbst keine eigene Energiequelle benötigt, da die
zum Datenaustausch benötigte Energie über das Hochfrequenzfeld von der
Datenübertragungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Die Kodiereinrichtung
hat somit eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer. Ein weiterer Vorteil liegt
darin, daß zwischen der Datenübertragungseinrichtung 30 und der Kodierein
richtung 34 keine Sichtverbindung notwendig ist und insbesondere durch Fremd
körper, die an der Datenübertragungseinrichtung 30 und/oder der Kodierein
richtung 34 anhaften, nicht in ihrer Zuverlässigkeit beeinflußt wird. Die zu
schreibenden und/oder auszulesenden Daten des Datenspeichers der Kodierein
richtung 34 werden nachfolgend von der Schnittstelle der Datenübertragungsein
richtung 30 an eine nicht dargestellte Datenprozessierungseinheit weitergeleitet,
die sowohl im Schrauber als auch in einer externen Steuerungselektronik unter
gebracht sein kann.
10
Handschrauber
12
Motolagegeber
14
Motorversorgung
16
Startschalter
18
Drehwinkelsensor
20
Drehmomentsensor
22
Antriebsvierkant
24
Schraubernuß
26
Vierkantausnehmung
28
Schrauberstirnfläche
30
Datenübertragungseinrichtung
32
Stirnseite
34
Kodiereinrichtung
Claims (6)
1. Schraubersystem mit einem Schrauber (10), zumindest einer Schrauber
nuß (24) und einem Übertragungsmittel, welches für eine berührungsfreie
elektromagnetische Datenübertragung ausgelegt ist, wobei die Schrauber
nuß (24) eine Kodiereinrichtung (34) mit elektronischen Kodiermitteln zum
Kodieren von Daten und der Schrauber (10) eine Datenübertragungsein
richtung (30) zum Lesen der Daten aus der Kodiereinrichtung (34) und
vorzugsweise zusätzlich zum Schreiben der Daten in die Kodiereinrichtung
(34) umfaßt, die durch das Übertragungsmittel übertragbar sind, und
wobei die elektronischen Kodiermittel zumindest einen integrierten elektro
nischen Schaltkreis umfassen.
2. Schraubersystem nach Anspruch 1, wobei die Daten schraubernußspezi
fische Daten sind.
3. Schraubersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Datenübertragung
einrichtung (30) in Form eines ringförmigen Kunststoffaußenmantels
ausgebildet ist, der vorzugsweise an einer Seite (28) des Schraubers (10),
die einer betriebsmäßig angebrachten Schraubernuß zugewandt ist, an
geordnet ist.
4. Schraubersystem nach einem oder mehreren der vorangegangenen An
sprüche, wobei die Kodiereinrichtung (34) in Form eines ringförmigen
Kunststoffaußenmantels ausgebildet ist, der vorzugsweise an einer Seite
(32) der Schraubernuß (34), die betriebsmäßig dem Schrauber (10) zu
gewandt ist, befestigt ist.
5. Schraubersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Kodiereinrichtung (34) in einer Ausnehmung in einer Seite der
Schraubernuß (24) angeordnet ist, die betriebsmäßig dem Schrauber (10)
zugewandt ist.
6. Schraubersystem nach einem oder mehreren der vorangegangenen An
sprüche, wobei der Schrauber (10) ein Elektro-Handschrauber ist.
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