DE19944702A1

DE19944702A1 - Schraubvorrichtung

Info

Publication number: DE19944702A1
Application number: DE1999144702
Authority: DE
Inventors: Michael Klos; Reiner Ade; Robert Klingel
Original assignee: Weber Schraubautomaten GmbH
Current assignee: Weber Schraubautomaten GmbH
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-22
Also published as: WO2001021358A1; AU7904300A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments mittels eines sich rotatorisch bewegenden Schraubwerkzeugs auf eine Schraube, wobei im Schraubwerkzeug mindestens ein Sensor zum Erfassen der beim Schraubvorgang entstehenden akustischen Emissionen und zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen oder optischen Signals vorgesehen ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Schrauberwerkzeug für eine Schraubvorrichtung der oben genannten Art, wobei das Schrauberwerkzeug mindestens eine Sensorankopplungsfläche zum Ankoppeln eines Sensors aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments und/oder einer Kraft mittels eines sich rotatorisch und/oder translatorisch bewegenden Schraubwerkzeugs auf ein Verbin dungselement, beispielsweise auf eine Schraube. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Schraubvorrichtung zur definierten Herstellung einer Schraubverbindung, über die zwei oder mehrere Bauteile mit einer vorbe stimmten Klemmkraft aneinandergepreßt werden.

In der industriellen Produktion werden häufig elektronisch gesteuerte Schraubsysteme verwendet, die über eine Antriebseinheit und eine Werk zeugspindel mit einem Schraubwerkzeug eine Schraube bis zu einem vor bestimmten Drehmoment einschrauben, um die miteinander zu verbin denden Teile mit einer bestimmten Klemmkraft aneinanderzupressen. Diese Kraft wird auch als Vorspannkraft bezeichnet und entsteht durch die elastische Längenänderung bzw. Längendehnung des Schrauben schaftes. In vielen Anwendungsfällen ist es nötig, die Vorspannkraft der Schraubverbindung möglichst genau auf einen vorbestimmten Wert ein zustellen. Dazu ist es erforderlich, während des Schraubvorgangs die Vor spannkraft der Schraubverbindung zu ermitteln.

Es ist bekannt, die Vorspannkraft indirekt über die Messung des Drehmoments während des Einschraubvorgangs zu bestimmen, wobei aus dem in die Schraubverbindung eingeleiteten Drehmoment auf die Vor spannkraft der Schraubverbindung geschlossen wird. Bei dieser indirek ten Bestimmung der Vorspannkraft tritt jedoch das Problem auf, daß beim Anziehen einer Schraube das aufgebrachte Drehmoment nur zu einem Teil die Längenänderung der Schraube und damit die Erzeugung der Vor spannkraft bewirkt, während der andere Teil des Drehmoments durch die Reibung von Schraubengewinde und Schraubenkopf aufgenommen wird. Da diese Reibwerte jedoch starken Schwankungen unterworfen sind, ist das Drehmoment nur bedingt zur Erzeugung einer reproduzierbaren Vor spannkraft geeignet.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Bestimmung der Vorspannkraft ist in der Offenlegungsschrift DE 40 17 726 A1 offenbart, bei der mittels Ultra schall die Längenänderung und damit die Vorspannkraft einer Schraube gemessen wird. Dazu wird über ein Piezo-Element, das zuvor auf die Schraube aufgebracht wurde, ein Ultraschall-Impuls in die Schraube ein geleitet, welcher durch eine externe Quelle erzeugt wird. Die Ultraschall wellen werden vom Ende der Schraube reflektiert, und mittels des Piezo- Elements kann die Laufzeit der Ultraschallwellen in der Schraube be stimmt werden. Aufgrund der Laufzeit ist es möglich, die Länge der Schraube zu ermitteln, die im wesentlichen proportional zur Klemmkraft ist. Die Bestimmung der Längenänderung der Schraube mittels Ultra schall ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die Schalleinleitungsflä chen und die Reflexionsflächen mit hoher Präzision ausgebildet und zu dem mit einem Ultraschall-Sensor versehen werden müssen. Die Ferti gungskosten für solche Spezialschrauben sind daher verhältnismäßig hoch.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestim mung der Klemmkraft einer Schraubverbindung zu schaffen, welche die oben dargestellten Probleme überwindet und es somit ermöglicht, die Klemmkraft einer Schraubverbindung kostengünstig und möglichst exakt zu ermitteln.

Die genannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Schraubvorrichtung mit den im Anspruch 1 spezifizierten Merkmalen prinzipiell dadurch gelöst, daß im Schraubwerkzeug selbst ein Schallsensor vorgesehen ist. Die Lösung der Aufgabe erfolgt genauer durch eine Schraubvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments und/oder einer Kraft mittels eines sich rotatorisch und/oder translato risch bewegenden Schraubwerkzeugs auf ein Verbindungselement, wobei im Schraubwerkzeug mindestens ein Sensor zum Erfassen der beim Schraubvorgang entstehenden akustischen Emissionen und zum Erzeu gen eines diesen Emissionen entsprechenden elektrischen oder optischen Signals vorgesehen ist.

Bei der Herstellung einer Schraubverbindung entstehen beim Einschraub vorgang in der Schraube und/oder in deren Umgebung akustische Emis sionen, die einen direkten Rückschluß auf die in der Schraubverbindung herrschende Vorspannkraft und damit auch auf die zwischen den mitein ander verschraubten Bauteilen herrschende Klemmkraft zuläßt. Dieser Effekt wird bei der erfindungsgemäßen Schraubvorrichtung ausgenutzt, indem die akustischen Emissionen während des Einschraubvorgangs mittels eines Schallsensors erfaßt werden, der im Schraubwerkzeug vorge sehen ist und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.

Ein wesentlicher Vorteil der Schraubvorrichtung gemäß der Erfindung besteht folglich darin, daß der Schallsensor im Schraubwerkzeug unterge bracht ist. Dadurch müssen die verwendeten Schrauben in keiner Weise modifiziert werden, sondern es können handelsübliche Schrauben zum Einsatz gelangen, was gegenüber bekannten Vorrichtungen einen erhebli chen Kostenvorteil mit sich bringt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Schraubvorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schraub vorrichtung ist im Schraubwerkzeug ein Verstärker vorgesehen, der das vom Schallsensor erzeugte elektrische oder optische Signal unmittelbar nach seiner Erzeugung verstärkt. Das vom Sensor erzeugte elektrische oder optische Signal ist verhältnismäßig klein und deshalb für Störein flüsse während der Weiterleitung anfällig. Um das Signal mit einem mög lichst guten Signal/Rausch-Verhältnis transportieren zu können, kann es gemäß dieser vorteilhaften Ausführungsform durch den im Schraubwerk zeug vorgesehenen Verstärker vor der Übertragung über größere Leitungs strecken verstärkt werden.

Um das Schraubwerkzeug an unterschiedliche Anwendungsfälle und Schraubenarten anzupassen, ist das Schraubwerkzeug mit mindestens einem vorzugsweise austauschbaren Schraubereinsatz (Schrauberbit) zur Einleitung eines Drehmoments und/oder einer Kraft auf das Verbindungs element ausgestattet. Dieser Schraubereinsatz ist vorteilhafterweise als Schalleiter ausgebildet, wobei der Sensor im Schraubwerkzeug unmittel bar benachbart zum Schraubereinsatz angeordnet ist. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Schraubereinsatz mit dem Sensor über eine die Schallübertragung begünstigende Ankopplungsfläche in Kontakt steht. Durch diese Maßnahmen wird eine möglichst verlustfreie Übertragung der beim Einschraubvorgang entstehenden akustischen Emissionen über den Schraubereinsatz bis zum Sensor gewährleistet.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schraubvorrichtung gemäß der Erfindung ist der Sensor unter Federvorspannung gehalten, so daß der Sensor beim Schraubvorgang mit einer bestimmten Kraft auf den Schraubereinsatz gedrückt wird, um eine Schallübertragung zwischen Schraubereinsatz und Sensor zu gewährleisten. Dazu kann der Schrau bereinsatz von einer Überwurfmutter gehalten, axial verschiebbar gelagert sein, so daß er beim Anziehen der Überwurfmutter axial in Richtung des Sensors unter Verformung des Federelements verschoben wird. Dabei wird der vom Federelement mit einer Kraft beaufschlagte Sensor kontak tiert und durch dieses gegen den Schraubereinsatz gedrückt. Auf diese Weise wird die zur problemlosen Schallübertragung erforderliche Auf druckkraft zwischen Schraubereinsatz und Sensor erzielt.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor auch am unteren Ende des Schraubereinsatzes angeordnet sein, so daß er direkten Kontakt zur Schraube hat, wobei in diesem Fall im Schrau bereinsatz eine elektrische oder optische Leitung für das vom Sensor er zeugte Signal vorgesehen sein muß.

Die akustischen Emissionen, die von der Schraube oder dem die Schraube umgebenden Material abgegeben werden, können in Abhängigkeit von Einsatzfall und Art der Schraube sowie von der Beschaffenheit der Umge bung der Schraubverbindung variieren. Das akustische Signal kann daher in bestimmten Anwendungsfällen nicht ohne weiteres für die Steuerung einer Schraubspindel verwendet werden, da die signifikanten Informatio nen nicht direkt aus den mit Hilfe von marktüblichen Schallaufnehmern ermittelten Signalen entnehmbar sind, sondern von einer Vielfalt von Störgeräuschen überlagert sein können. Die erfindungsgemäße Schraub vorrichtung wird daher bevorzugt mit einer Auswerteeinheit zur Verar beitung des erzeugten elektrischen oder optischen Signals ausgestattet.

Eine Möglichkeit, den Nutzanteil des akustischen Signals von Störgeräu schen zu trennen besteht darin, die Auswerteeinheit mit Mitteln auszu statten, mittels derer eine Frequenzanalyse des akustischen Signals durchführbar ist. Eine solche Frequenzanalyse kann insbesondere kombi niert werden mit einer Hochpaßfilterung mit anschließender Effektivwert bildung und Integration des akustischen Signals.

Um lange Übertragungswege des akustischen Signals zu vermeiden, ist die Auswerteeinheit zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig innerhalb des Schraubwerkzeugs untergebracht. Dadurch ist auch eine Nach rüstbarkeit von Schraubwerkzeugen bestehender Schraubanlagen mög lich, sofern das Schraubwerkzeug ein aus der akustischen Emission ab geleitetes Signal für die Klemmkraft liefert, ebenso wie bereits handelsüb liche Werkzeuge, die ein solches Signal aus einer Drehmomentmessung ableiten.

Daneben hat die Schraubvorrichtung auch eine Vorrichtung zur Si gnalübertragung zu einer Auswerte- und/oder Steuereinheit außerhalb des Schraubwerkzeugs. Diese Signalübertragung vom Schraubwerkzeug an die Auswerteeinheit kann beispielsweise über Schleifringe, Schleifbür sten, optische Signalleitungen, Kugellager, Kabel und/oder berührungslos induktiv, d. h. telemetrisch erfolgen.

Als Sensor im Schraubwerkzeug zur Aufnahme der akustischen Emissio nen wird vorzugsweise ein piezoelektrischer Meßaufnehmer verwendet. Diese Meßaufnehmer zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit und eine leichte Handhabung aus.

Die oben genannte Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der vorlie genden Erfindung gelöst durch einen Schraubereinsatz für eine Schraub vorrichtung zum Übertragen einer Kraft und/oder eines Drehmoments mittels eines sich translatorisch und/oder rotatorisch bewegenden Schraubwerkzeugs auf ein Verbindungselement, wobei der Schrauberein satz mindestens eine Sensorankopplungsfläche zum Ankoppeln eines Sensors aufweist, die plan ausgebildet ist und zumindest eine vorgegebene Oberflächengüte besitzt.

Ein derart beschaffener Schraubereinsatz hat die vorteilhafte Wirkung, daß er eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich zum einen die Übertragung des Drehmoments auf das Verbindungselement und zum anderen die Übertragung der akustischen Emission zum Sensor.

Bevorzugt ist die Sensorankopplungsfläche des Schraubereinsatzes fein bearbeitet. Um die Schallübertragung an den Sensor zu begünstigen, steht die Sensorankopplungsfläche vorzugsweise senkrecht auf der Längsachse des Schraubereinsatzes. Ferner kann der Schraubereinsatz zum Zweck der besonders guten Schalleitung einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann im Schraubereinsatz auch ein besonderes Schalleitungsteil bei spielsweise ein Schalleitungszylinder vorgesehen sein.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Schraubvor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Schraubvorrichtung in einer be vorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Details in einem vormontierten Zustand der Schraubvorrichtung von Fig. 1; und

Fig. 3 eine Schnittansicht desselben Details in einem betriebsbe reiten Zustand der Schraubvorrichtung von Fig. 1.

Fig. 4 eine Schnittansicht eines Details einer Schraubvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im be triebsbereiten Zustand.

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Details einer Schraubvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im be triebsbereiten Zustand.

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Details einer Schraubvorrichtung in noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im betriebsbereiten Zustand.

Wie der in Fig. 1 dargestellten Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schraubvorrichtung zu entnehmen ist, umfaßt die Schraubvorrichtung ein Schraubwerkzeug 1 mit einer motorgetriebene Drehantriebswelle 2, durch die eine als Schraubereinsatz ausgebildete Werkzeugspitze 7 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 3 versetzt wird. Das so erzeugte Drehmoment wird von der Drehantriebswelle 2 über die Werkzeugspitze 7 in einen Schraubenkopf 22 einer Schraube 21 eingeleitet, durch die zwei Bauteile 23, 24 miteinander verbunden und aneinander gepreßt werden.

Die Werkzeugspitze ist - wie bereits erwähnt - vorzugsweise als aus tauschbarer Schraubereinsatz 7 ausgebildet, der in einer Aufnahme 6 am Ende der Drehantriebswelle 2 gelagert ist und durch eine Überwurfmutter 8 in der Aufnahme 6 gehalten wird. Der Schraubereinsatz 7 weist an sei nem der Schraube 21 zugewandten Ende eine dem Kraftangriffsmerkmal des Schraubenkopfes 22 entsprechend gestaltete Form auf. Das andere Ende des Schraubereinsatzes 7 ist mit einem der Aufnahme 6 in der Drehantriebswelle 2 entsprechenden Kraftangriffsmerkmal ausgestattet, um das Drehmoment von der Drehantriebswelle 2 aufzunehmen.

Die Drehantriebswelle 2 beinhaltet einen vorzugsweise zylindrischen Hohl raum 4, der sich an den Schraubereinsatz 7 anschließt und an seiner Umfangswand von einem hülsenförmigen Gehäuse 5 umgeben ist. Inner halb dieses Hohlraums 4 sind ein Schallsensor 9 sowie elektronische Bauteile zur Signalfilterung und Verstärkung untergebracht. Dabei wird der Sensor 9 durch ein federndes Element 10 am Gehäuse 5 des Hohl raums 4 mit einer Kraft beaufschlagt. Das federndes Element 10 ist vor zugsweise eine Tellerfeder, die oberhalb des Sensors 9 angeordnet ist und an einem am Gehäuse 5 befestigten Stützring 25 abstützt. Die Tellerfeder 10 drückt den Sensor 9 durch ihre Vorspannkraft gegen den Schrau bereinsatz 7.

Der Schraubereinsatz 7 weist an dem der Schraube 21 abgewandten Ende eine ebene, vorzugsweise geschliffene Ankopplungsfläche 11 auf, über die der Schallsensor 9 an den Schraubereinsatz 7 angekoppelt ist. Durch die an die Drehantriebswelle 2 geschraubte Überwurfmutter 8 wird der Schraubereinsatz 7 mit der Drehantriebswelle 2 verbunden und gleichzei tig in axialer Richtung gegen den mittels des Federelements 10 federnd gelagerten Sensor 9 gedrückt.

Die beim Anziehen der Schraubverbindung auftretenden akustischen Emissionen werden über den Schraubenkopf 22 zunächst an die Schraubwerkzeugspitze bzw. den Schraubereinsatz 7 weitergeleitet. Da aufgrund des Drehmoments und des vom Schraubwerkzeug 1 aufge brachten Anpreßdrucks zwischen Schraubereinsatz 7 und Schraubenkopf 22 eine hohe Flächenpressung besteht, sind die Flächen derart miteinan der gekoppelt, daß die akustischen Emissionen vom Schraubenkopf 22 gut auf den Schraubereinsatz 7 übertragen werden.

Um die Weiterleitung der Schallemissionen an den Schallaufnehmer 7 möglichst ohne Verluste zu gewährleisten, müssen zwischen der Schraubwerkzeugspitze bzw. dem Schraubereinsatz 7 und dem Sensor 9 definierte Verhältnisse geschaffen werden. Dies wird vorzugsweise da durch erreicht, daß der Schraubereinsatz 7 mit Hilfe der Überwurfmutter 8 mit der Drehantriebswelle 2 verbunden und dabei in axialer Richtung gegen das Gehäuse 5 und gegen den Sensor 9 gedrückt wird. Der als Schallaufnehmer ausgebildete Sensor 9 steht über das Gehäuse 5 mit sei nem kopplungsseitigen Ende bevor der Schraubereinsatz 7 an die Drehantriebswelle 2 angeschraubt ist in axialer Richtung ein Stück weit hervor, so daß der Schraubereinsatz 7 beim Anschrauben an die Drehan triebswelle 2 den Sensor 9 gegen die Spannkraft des federnden Elements 10 axial in Richtung des Hohlraums 4 drückt. Der Schallaufnehmer 9 steht dabei über das Gehäuse 5 soweit hervor, daß der Federweg des fe dernden Elements 10, der sich beim Anpressen des Schraubereinsatzes 7 an das Gehäuse ergibt, in Verbindung mit der Steifigkeit des federnden Elements 10 einer vorbestimmten Mindestkraft entspricht. Auf diese Wei se wird der Sensor 9 mit gleichbleibender Kraft an die Sensorankopp lungsfläche 11 auf den Schraubereinsatz 7 gedrückt und dadurch mit die sem akustisch gekoppelt. Die Befestigung des Schraubereinsatzes 7 an der Drehantriebswelle 2 und der damit verbundene Kontakt zum Sensor 9 wird nachstehend anhand von Fig. 1 und 2 noch detaillierter beschrieben.

Der Sensor 9 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer Wandler und setzt die vom Schraubereinsatz 7 übertragenen akustischen Emissionen in elektri sche oder optische Signale um. Diese elektrischen oder optischen Signale werden über eine möglichst kurze Übertragungsleitung 14 direkt einem Verstärker 12 zugeführt und dort in Spannungen umgewandelt, die ein transportables und weiterverarbeitbares elektrisches Signal ergeben. Der Verstärker 12 ist in unmittelbarer Nähe des Sensors 9 angeordnet, um die Störeinflüsse auf das erfaßte Signal möglichst gering zu halten. Vom Ver stärker 12 wird das Signal einer Verarbeitungseinheit 13 zugeführt, die die Erzeugung eines zur Klemmkraft proportionalen Signals übernimmt.

Das erfaßte hochfrequente akustische Signal wird im Rahmen dieser Ver arbeitung vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Verstärkers 12 aufbe reitet. Ziel der Verarbeitung ist die Ermittlung eines Signals, das möglichst gut mit der Vorspannkraft der erzeugten Schraubverbindung korreliert.

Die notwendigen Filterungen, Verstärkungen etc. werden anhand vorbe stimmter Kriterien durch geeignete elektronische Bausteine vorgenom men, die in der Verarbeitungseinheit 13 in unmittelbarer Nähe des Sen sors 9 angeordnet sein können. Dadurch werden die Anforderungen an Sensor 9 und Verstärker 12 reduziert, das Signal/Rausch-Verhältnis der Signalübertragung verbessert und in der Regel auch die zu übertragende Datenmenge deutlich verringert.

Nach der Vorverarbeitung wird das Signal an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet, die für die Steuerung des Schraubvorgangs verantwortlich ist.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Signalübertragung von der Verarbeitungseinheit 13 zur Auswerteeinheit über eine durch eine radiale Bohrung 16 in der Drehantriebswelle 2 ge führte Leitung 15, die mit einer Datenübertragungseinrichtung gekoppelt ist. Die Datenübertragungseinrichtung umfaßt beispielsweise einen am äußeren Umfang der Drehantriebswelle 2 angeordneten Schleifring 17, an dem Schleifkontakte 18 für Datenübertragungsleitungen angreifen. Die Datenübertragung kann jedoch auch berührungslos, beispielsweise in duktiv erfolgen.

In der Auswerteeinheit wird aus dem gesamten akustischen Signal die Information herausgefiltert und möglichst komprimiert, die mit der Vor spannkraft der Schraubverbindung korreliert. Durch einen Vergleich der erfaßten Meßwerte mit vorgegebenen Referenzwerten kann die Schraub vorrichtung mit großer Genauigkeit gesteuert werden. Der Schraubvor gang wird aufgrund des Vergleichsergebnisses beendet, wenn die vorgege benen Werte erreicht sind.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Details in einem vormontierten Zu stand der Schraubvorrichtung von Fig. 1 dargestellt, die den unteren Teil der Drehantriebswelle 2 mit dem vormontiertem Schraubereinsatz 7 zeigt. Dabei ist der Schraubereinsatz 7 durch die Überwurfmutter 8 bereits an der Drehantriebswelle 2 angebracht, die Überwurfmutter 8 aber noch nicht festgezogen. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß zwischen der Überwurf mutter 8 und der Stirnseite der Drehantriebswelle 2 sowie zwischen dem Schraubereinsatz 7 und dem Sensor 9 jeweils ein Spalt 19, 20 besteht, so daß in diesem vormontierten Zustand zwischen dem kopplungsseitigen Ende des Sensors 9 und der Sensorankopplungsfläche 11 des Schrau bereinsatzes 7 ein Abstand besteht.

Am Gehäuse 5 sind oberhalb und unterhalb des Sensors 9 jeweils Vor sprünge vorgesehen, die vorzugsweise als umlaufende Stützringe 25, 26 ausgebildet sind und wie Sprengringe in das Gehäuse 5 zumindest teil weise eingreifen. Das federnde Element 10 ist vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet und wird von dem oberen Stützring 25 nach oben abgestützt. Derart gelagert drückt die Tellerfeder 10 den Sensor 9 durch ihre Vor spannkraft in Richtung des Schraubereinsatzes 7, bis der Sensor 9 mit seinem unteren Ende am unteren Stützring 26 anstößt. Folglich ist die axiale Verschiebbarkeit des Sensors 9 innerhalb des Hohlraums 4 im vormontierten Zustand einerseits durch den oberen Stützring 25 zusam men mit der Tellerfeder 10 und andererseits durch den unteren Stützring 26 begrenzt.

In Fig. 3 ist eine Schnittansicht desselben Details in einem betriebsberei ten Zustand der Schraubvorrichtung von Fig. 1 dargestellt. Darin ist zu erkennen, daß mit dem Aufschrauben der Überwurfmutter 8 auf die Drehantriebswelle 2 der Spalt 19 zwischen der Überwurfmutter 8 und der Stirnseite der Drehantriebswelle 2 sowie der Spalt 20 zwischen dem Schraubereinsatz 7 und dem Sensor 9 jeweils kleiner wird. Während des Anschraubens des Schraubereinsatzes 7 an die Drehantriebswelle 2 ver kleinert sich der Abstand zwischen dem Schraubereinsatz 7 und dem Sensor 9 also zunehmend, bis der Sensor 9 auf der Sensorankopplungs fläche 11 des Schraubereinsatzes 7 aufsitzt.

Der Schraubereinsatz 7 wird beim Aufschrauben der Überwurfmutter so weit in seine Aufnahme 6 in der Drehantriebswelle 2 geschoben, bis er am Gehäuse 5 bzw. an den radialen Flächen der Aufnahme 6 anstößt. Da der Sensor 9 in seinem unbelasteten Zustand (Fig. 2) mit seinem kopplungs seitigen Ende über das Gehäuse 5 hervorsteht, drückt der Schrauberein satz 7 beim vollständigen Aufschrauben der Überwurfmutter 8 auf die Drehantriebswelle 2 den Sensor 9 gegen die Spannkraft des federnden Elements 10 axial in Richtung des Hohlraums 4 in der Drehantriebswelle 2, so daß der Federweg des federnden Elements 10, der sich beim An schrauben des Schraubereinsatzes 7 an das Gehäuse 5 ergibt, in Verbin dung mit der Steifigkeit des federnden Elements 10 einer vorbestimmten Mindest-Andrückkraft entspricht. Auf diese Weise wird der Sensor 9 mit gleichbleibender Kraft an die Sensorankopplungsfläche 11 des Schrau bereinsatzes 7 gedrückt und dadurch mit diesem akustisch gekoppelt.

In Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Details einer Schraubvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt, wobei es sich bei dem Detail wie in 3 um den unteren Teil der Schraubvorrichtung in einem betriebsbereiten Zustand handelt. Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungs form unterscheidet sich von dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel durch einen besonders gestalteten Schraubereinsatz 7. Die ser Schraubereinsatz 7 beinhaltet einen Schalleiter 28, der als separates Teil vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und im Schraubereinsatz 7 axialsymmetrisch untergebracht ist.

Der Schalleiter 28 ist im Schraubereinsatz 7 axial beweglich integriert und durch ein Federelement 27, das vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet ist, gegen den Schraubereinsatz 7 in axialer Richtung abgestützt. Der Schalleiter 28 erstreckt sich mit seinem unteren Ende über das untere Ende des Schraubereinsatzes hinaus und sitzt mit diesem Ende auf dem Kopf 22 der Schraube 21 auf. Auf seiner der Schraube 21 abgewandten Seite erstreckt sich der Schalleiter 28 bis zum oberen Ende des Schrau bereinsatzes 7, wo er über seine Sensorankopplungsfläche 11 mit dem Sensor 9 in Kontakt steht. Durch das Federelement 27 wird der Schallei ter 28 nach oben aus dem Schraubereinsatz 7 heraus und gegen den Sen sor 9 gedrückt. Auf diese Weise werden der Schalleiter 28 und der Sensor 9 jeweils durch die Tellerfedern 10 und 27 federnd aneinander gedrückt, wobei sie in axialer Richtung gegen eine entsprechende Federkraft beweg lich gelagert sind. Die Feder 10 bewirkt dabei insbesondere, daß der Schalleiter 28 nach unten aus dem Schraubereinsatz 7 heraus und gegen den Schraubenkopf 22 gedrückt wird. Derart akustisch miteinander ge koppelt können der Schalleiter 28 und der Sensor 9 die akustischen Emissionen vom Schraubenkopf 22 nahezu verlustfrei aufnehmen.

In Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Details einer Schraubvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt, wobei es sich bei dem Detail wiederum um den unteren Teil der Schraubvorrichtung im be triebsbereiten Zustand handelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kopf 29 des Schraubereinsatzes 7 an seiner Umfangsfläche mit einem Au ßengewinde versehen. Die Aufnahme 6 der Drehantriebswelle 2 ist eben falls mit einem entsprechenden Innengewinde ausgestattet, so daß der Schraubereinsatz 7 mit seinem Kopf 29 in die Aufnahme 6 der Drehan triebswelle 2 eingeschraubt werden kann. Im eingeschraubten Zustand steht der Kopf 29 des Schraubereinsatzes 7 über seine Sensorankopp lungsfläche 11 mit dem Sensor 9 in Kontakt. Durch einen solchen ein schraubbaren Schraubereinsatz 7 wird eine besonders zuverlässige Ver bindung zwischen dem Schraubereinsatz 7 und der Drehantriebswelle 2 erreicht. Darüber hinaus ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schraubvorrichtung die Notwendigkeit einer Über wurfmutter 8 (siehe z. B. Fig. 4) beseitigt, wodurch die Drehantriebswelle 2 an ihrem einsatzseitigen Ende eine schlankere Form mit geringerem Durchmesser erhält.

Fig. 6 zeigt ebenfalls die Schnittansicht des unteren Teils einer Schraub vorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im betriebs bereiten Zustand. Dieses Ausführungsbeispiel ist wiederum durch einen besonders gestalteten Schraubereinsatz 7 gekennzeichnet, der an seinem oberen Ende einen Kragen 32 und einen sich daran anschließenden, mit einem Außengewinde versehenen Fortsatz 30 aufweist. Der Schrauberein satz 7 kann mit seinem Fortsatz 30 in ein Einsetzteil 31 eingeschraubt werden. Im eingeschraubten Zustand erstreckt sich der Fortsatz 30 des Schraubereinsatzes 7 so weit durch das Einsetzteil 31 hindurch, daß er über seine Sensorankopplungsfläche 11 mit dem Sensor 9 in Kontakt steht.

Das Einsetzteil 31 dient somit der Kupplung des einschraubbaren Schraubereinsatzes 7 mit der Drehantriebswelle 2 und ist deshalb mit ei nem der Aufnahme 6 in der Drehantriebswelle 2 entsprechenden Kraftan griffsmerkmal, beispielsweise einem Sechskant ausgestattet, um das Drehmoment von der Drehantriebswelle 2 aufzunehmen und auf den Schraubereinsatz 7 zu übertragen. Durch die Kombination des Einsetz teils 31 und des in das Einsetzteil 31 einschraubbaren Schraubereinsat zes 7 wird ein leichter Austausch einschraubbarer Schraubereinsätze 7 in Schraubvorrichtungen mit Hilfe einer Überwurfmutter 8 ermöglicht, ohne daß die Aufnahme 6 der Drehantriebswelle 2 mit einem Gewinde versehen sein muß.

Liste der Bezugszeichen

1

Schraubwerkzeug

2

Drehantriebswelle

3

Drehachse

4

Hohlraum in der Drehantriebswelle

5

Gehäuse um den Hohlraum

6

Aufnahme des Schraubereinsatzes

7

Werkzeugspitze/Schraubereinsatz

8

Überwurfmutter

9

Sensor

10

federndes Element

11

Sensorankopplungsfläche

12

Verstärker

13

Verarbeitungseinheit

14

Signalübertragungsleitung vom Sensor zum Signalverstärker

15

Signalübertragungsleitung vom Signalverstärker zum Schleifring

16

radiale Bohrung durch die Drehantriebswelle

17

Schleifring für Schleifkontakte

18

Schleifkontakte für Datenübertragungsleitungen

19

Spalt zwischen der Überwurfmutter und der Drehantriebswelle

20

Spalt zwischen dem Sensor und dem Schraubereinsatz

21

Schraube

22

Schraubenkopf

23

zu verbindendes Bauteil

24

zu verbindendes Bauteil

25

oberer Stützring

26

unterer Stützring

27

Tellerfeder im Schraubereinsatz

28

zylindrischer Schalleiter

29

einschraubbarer Kopf des Schraubereinsatzes

30

Fortsatz am oberen Ende des Schraubereinsatzes

31

Einsetzteil zur Aufnahme des einschraubbaren Schraubereinsatzes

32

Kragen

Claims

1. Schraubvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments und/oder einer Kraft mittels eines sich rotatorisch und/oder translatorisch bewegenden Schraubwerkzeugs (1) auf ein Verbindungselement (21) dadurch gekennzeichnet, daß im Schraubwerkzeug (1) mindestens ein Sensor (9) zum Erfas sen der beim Schraubvorgang entstehenden akustischen Emissio nen und zum Erzeugen eines diesen Emissionen entsprechenden elektrischen oder optischen Signals vorgesehen ist.

2. Schraubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schraubwerkzeug (1) ein Verstärker (12, 13) vorgesehen ist, der das erzeugte elektrische oder optische Signal verstärkt.

3. Schraubvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schraubwerkzeug (1) mindestens ein vorzugsweise aus tauschbares Schrauberwerkzeug (7) zur Einleitung eines Drehmo ments und/oder einer Kraft auf das Verbindungselement (21) vorge sehen ist.

4. Schraubvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrauberwerkzeug (7) als Schalleiter ausgebildet ist, und der Sensor (9) im Schraubwerkzeug (1) unmittelbar benachbart zum Schrauberwerkzeug (7) angeordnet ist.

5. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrauberwerkzeug (7) mit dem Sensor (9) über eine die Schallübertragung begünstigende Ankopplungsfläche (11) in Kon takt bringbar ist.

6. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) durch ein federndes Element (10) derart mit Fe derkraft beaufschlagt ist, daß der Sensor (9) beim Schraubvorgang durch das federnde Element (10) mit einer bestimmten Kraft auf das Schrauberwerkzeug (7) gedrückt wird, um eine zumindest weitge hend reproduzierbare Schallübertragung zwischen Schrauberwerk zeug (7) und Sensor (9) zu gewährleisten.

7. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) am unteren Ende des Schrauberwerkzeugs (7) angeordnet ist.

8. Schraubvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubvorrichtung eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung des erzeugten elektrischen oder optischen Signals aufweist.

9. Schraubvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit Mittel aufweist, mittels derer eine Fre quenzanalyse des akustischen Signals durchführbar ist, welche zu sätzlich insbesondere einen Hochpaß und/oder einen Integrator umfaßt.

10. Schraubvorrichtung nach einem Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit zumindest teilweise, vorzugsweise vollstän dig innerhalb des Schraubwerkzeugs (1) untergebracht ist.

11. Schraubvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennnzeichnet, daß die Schraubvorrichtung eine Vorrichtung (17, 18) zur Si gnalübertragung zu einer Auswerte- und/oder Steuereinheit außer halb des Schraubwerkzeugs aufweist.

12. Schraubvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragung vom Schraubwerkzeug (1) an die Aus werte- und/oder Steuereinheit über Schleifkontakte (17, 18), opti sche Signalleiter, Kugellager, Kabel, induktiv und/oder über andere Wege erfolgt.

13. Schraubvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) im Schraubwerkzeug (1) zur Aufnahme der aku stischen Emissionen ein piezoelektrischer Meßaufnehmer ist.

14. Schrauberwerkzeug für eine Schraubvorrichtung zum Übertragen einer Kraft und/oder eines Drehmoments mittels eines sich trans latorisch und/oder rotatorisch bewegenden Schraubwerkzeugs (1) auf ein Verbindungselement (21), dadurch gekennzeichnet, daß das Schrauberwerkzeug (7) mindestens eine Sensorankopp lungsfläche (11) zum Ankoppeln eines Sensors (9) aufweist, die plan ausgebildet ist und zumindest eine vorgegebene Oberflächengüte besitzt.

15. Schrauberwerkzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorankopplungsfläche (11) feinbearbeitet ist.

16. Schrauberwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorankopplungsfläche (11) senkrecht zur Längsachse des Schrauberwerkzeugs (7) ausgerichtet ist.

17. Schrauberwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrauberwerkzeug (7) einstückig ausgebildet ist.

18. Schrauberwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrauberwerkzeug (7) ein Schalleitungsteil, vorzugsweise einen Schalleitungszylinder umfaßt.