DE20121624U1 - Kraftschrauber - Google Patents

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VELTEN FRANZ JAKOB &Ugr; Rechtsanwälte **DIPßtING.tfecMENREifi3ßÄS* Patentanwalt

Kaistraße 20 40221 Düsseldorf Tel. 02 11 - 3 90 92-24 Fax 02 11 - 3 90 92-10

11.11.2002 Meine Akte Nr. 8350b r-si

Frank und Jörg Hohmann
"Kraftschrauber"

Die Erfindung betrifft einen Kraftschrauber mit einer Antriebseinheit, eine Abtasteinrichtung für das Ist-Drehmoment sowie für den Ist-Schraubenspannwinkel und einer elektronischen Steuerung des Abschaltens der Antriebseinheit. Ein derartiger Kraftschrauber ist in der DE 196 47 813 Al derselben Anmelder beschrieben.

Der darin beschriebenen Erfindung liegt das übergeordnete Problem zugrunde, die Bedienung des Kraftschraubers der eingangs erwähnten Art zu vereinfachen und Bedienungsfehler möglichst auszuschalten, 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, die Auswirkung der Rotationsenergie der Antriebseinheit beim Abschalten auf das Anziehen der Schraube vermindert oder beseitigt und eine sichere Überwachung der Meß- und Steuersignale gewährleistet werden.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird beim bekannten Kraftschrauber zur Vereinfachung der Bedienung und zum Vermeiden von Bedienungsfehlern vorgeschlagen, daß die Eingabeelektronik zum Eingeben der Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Materialgüte eingerichtet ist und daß die Auswerteelektronik aus der eingegebenen Schraubengröße, der Gewindesteigung und der Materialgüte ein Soll-Drehmoment ermittelt, wobei das Ist-Drehmoment durch eine Abtasteinrichtung festgestellt und eine Abschalteinrichtung das Abschalten der Antriebseinheit bei

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-2-Übereinstimmung
des Ist-Drehmoments mit dem Soll-Drehmoment bewirkt.

Die Bedienungsperson braucht somit nicht mehr anhand von Tabellen das Soll-Drehmoment für eine bestimmte Schraubengröße und Gewindesteigung mit einer bestimmten Materialgüte ermitteln und in die Eingabeelektronik eingeben, sondern es genügt, die Schraubengröße, die Gewindesteigung und die Materialgüte direkt in die Eingabeelektronik einzugeben, woraufhin das sich daraus ergebende Soll-Drehmoment durch die Auswerteelektronik festgelegt wird und zum Steuern des Kraftschraubers dient. Fehleinstellungen, die zu Schäden an den anzuziehenden Schrauben und am Kraftschrauber fuhren können, werden vermieden, da keine besonderen Fachkenntnisse der Bedienungsperson erforderlich sind.

In der 196 47 813 Al sind noch weitere Möglichkeiten des Betreibens eines Kraftschraubers beschrieben, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem bekannten Kraftschrauber das Problem zugrunde, die Bedienung noch weiter so zu vereinfachen, daß durch die Bedienungsperson keinerlei Eingaben vorzunehmen sind.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird ein Kraftschrauber mit einer Antriebseinheit, einer Abtasteinrichtung für das Ist-Drehmoment, einer Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel vorgeschlagen, die erfindungsgemäß eine Auswerteelektronik zum laufenden Ermitteln des Quotienten aus Ist-Drehmoment und Ist-Schraubenspannwinkel und eine Ab schalteinrichtung zum Abschalten der Antriebseinheit bei einem dem Erreichen der Streckgrenze der Schraube entsprechenden Wert des Quotienten, der kleiner als der dem Proportionalitätsbereich der Schraube entsprechenden Wert des Quotienten ist, aufweist.

Dieser Kraftschrauber läßt sich tragbar ausführen, und es lassen sich große Schraubenverbindungen

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> M 20 anziehen und lösen, wobei das Anziehen kontinuierlich so lange erfolgt, bis die Streckgrenze erreicht ist. Danach schaltet sich der Kraftschrauber selbsttätig ab. Des weiteren ist es, mit der Erfindung zum ersten Mal möglich, Schrauben mittels eines kompakten, transportablen Werkzeugs kontinuierlich drehend streckgrenzgesteuert anziehen. Hierbei ist es nicht mehr wie bei anderen Systemen nötig, durch ein diskontinuierlich drehendes Verfahren jeweils von Haft- in Gleitreibung überzugehen. Aufgrund der kontinuierlichen Drehung herrscht beim erfindungsgemäßen Verfahren nur die Gleitreibung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Schrauben optimaler anziehen, da sie bis an ihre Streckgrenze angezogen werden. Des weiteren fallen bei diesem Verfahren Streuungen aufgrund von schwankenden Reibungskoeffizienten weg. Hierdurch läßt sich im optimalen Fall eine Schraubengröße kleiner einsetzen, d. h. M 30 kann durch M 27 ersetzt werden.

Die Auswerteelektronik in Verbindung mit der Abschalteinrichtung wertet die Veränderung des Quotienten aus Drehmoment und Drehwinkel in der Weise aus, daß der Abschaltpunkt A erreicht ist, wenn der Quotient nicht mehr linear mit dem Schraubenspannwinkel ansteigt, sondern kleiner wird. Nach Erreichen der Streckgrenze des anzuziehenden Schraubenmaterials steigt das Drehmoment nämlich nicht mehr proportional zum Schraubendrehwinkel an, sondern die Kurve flacht erheblich ab.

Vorzugsweise kann der Kraftschrauber eine elektrische Antriebseinheit, eine als Ankerstrommeßvorrichtung ausgebildete Abtasteinrichtung für das Ist-Drehmoment und einen mit der Ankerwelle der Antriebseinheit verbundenen Drehwinkelmeßgeber als Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel aufweisen.

Diese Ausgestaltung macht sich die Tatsache zu nutzen, daß der Ankerstrom proportional zum von der Antriebseinheit aufgebrachten Drehmoment ansteigt, so daß nur dieser Ankerstrom gemessen werden muß und keine zusätzliche Drehmoment-Meßvorrichtung erforderlich ist.

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Ebenso macht sich der Drehwinkehneßgeber als Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel die Tatsache zunutze, daß zwischen dem Schraubenspannwinkel und dem Drehwinkel der Ankerwelle der Antriebseinheit ein direkter geometrischer Zusammenhang, der nur vom Übersetzungsverhältnis abhängt, besteht, so daß auch hierfür keine besonderen Meßeinrichtungen erforderlich sind.

Als Drehwinkelmeßgeber kann ein Tachogenerator vorgesehen sein.

Besonders einfach läßt sich der Kraftschrauber gestalten, wenn die elektrische Antriebseinheit als Schrittmotor ausgebildet ist, die gleichzeitig die Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenwinkel ergibt und die Abtasteinrichtung für das Ist-Drehmoment den Ankerstrom mißt.

In diesem Fall sind am Kraftschrauber keinerlei zusätzliche Meßeinrichtungen erforderlich, da sich sowohl das Ist-Drehmoment als auch der Ist-Schraubenspannwinkel aus der Drehung der Antriebseinheit ergeben.

Der Kraftschrauber kann auch mit einer zwischen der Antriebseinheit und der Ausgangswelle angeordneten Meßwelle zum direkten Messen des Ist-Drehmoments und des Ist-Schraubenspannwinkels versehen sein, die mit der Abtasteinrichtung für das Ist-Drehmoment und der Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel zusammenwirkt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftschraubers und der elektronischen

Steuerelemente und

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Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Drehmoments M und des dem

Drehmoment entsprechenden Ankerstroms der Antriebseinheit in Abhängigkeit vom Schraubenspannwinkel.

Ein allgemein mit der Bezugsziffer 1 bezeichneter Kraftschrauber weist eine elektrische Antriebseinheit 2 auf. An die Antriebseinheit 2 ist ein Planetengetriebe 3 angesetzt, das wie dargestellt, einen Winkeltrieb aufweisen kann, das sich jedoch auch koaxial zur Hauptdrehachse der Antriebseinheit erstrecken kann. Das Planetengetriebe 3 dient zum Herabsetzen der Drehzahl der Antriebseinheit 2 und zum Erhöhen des erzielbaren Drehmoments.

An einem Hals des Planetengetriebes 3 im Bereich einer als Vierkant 5 ausgebildeten Ausgangswelle des Planetengetriebes 3 ist ein Stützfuß 4 drehfest angeordnet, der sich beim Anziehen einer Schraube gegen eine feste Abstützung bewegt und auf diese Weise das Reaktionsmoment aufnimmt. Der Vierkant 5 dient zum Aufstecken einer Schlüsselnuß.

Zu der Antriebseinheit 2 gehört eine Eingabeelektronik 6, die eine Tastatur 7 und ggf. ein Display 8 zur Anzeige der Eingaben, aufweist.

Mit der Antriebseinheit wirken eine Abtasteinrichtung 10 für das Ist-Drehmoment und eine Abtasteinrichtung 11 für den Ist-Schraubenspannwinkel zusammen. Die Abtasteinrichtung 10 für das Ist-Drehmoment mißt den Ankerstrom der Antriebseinheit 2, während die Abtasteinrichtung für den Ist-Schraubenspannwinkel ein Drehwinkelmeßgeber ist, der beispielsweise als Tachogenerator ausgebildet sein kann. Wenn die Antriebseinheit 2 als Schrittmotor ausgebildet ist, dient dieser Schrittmotor gleichzeitig als Drehwinkelmeßgeber, da die Steuerimpulse fur den Schrittmotor dessen Weiterdrehwinkel eindeutig vorgeben und diese Steuerimpulse daher nur gezählt werden müssen, um den Drehwinkel zu kennen.

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Die Meßwerte der Abtasteinrichtungen 10, 11 werden an eine Steuer- und Abschalteinrichtung 12 geleitet, die auf die Antriebseinheit 2 wirkt.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann zwischen der Antriebseinheit 2 und der Ausgangswelle 5 eine Meßwelle angeordnet sein, die mit der Abtasteinrichtung 10 für das Ist-Drehmoment und der Abtastvorrichtung 11 für den Ist-Schraubenwinkel zusammenwirkt. Diese Welle dient zum direkten Messen von Drehmoment und Drehwinkel. Die Meßergebnisse werden in diesem Fall auf die Steuer- und Abschalteinrichtung 12 geleitet. Sobald der Abschaltpunkt A erreicht ist, unterbricht die Steuer- und Abschalteinrichtung 12 die Stromversorgung zum Kraftschrauber, so daß dieser sich an diesem Punkt abstellt.

In einer Auswerteelektronik 9 wird der Quotient aus dem Ist-Drehmoment, d. h. dem Ist-Ankerstrom, und dem Ist-Schraubenwinkel, d. h. dem Drehwinkel der Antriebseinheit 2, während des Anziehens der Schraube kontinuierlich gebildet, d. h. die Steigung der in Fig. 2 dargestellten Kurve wird ständig berechnet. Anfangs ist die Steigung der Kurve gering, da die Mutter auf der Schraube nur beigedreht wird, bis die mittels der Schraubverbindung zu verspannenden Bauelemente satt aneinander anliegen. Beim Weiterdrehen steigt die Steigung stark an und bleibt im Proportionalitätsbereich der Schraube im wesentlichen konstant. Bei Erreichen der Streckgrenze im Punkt A flacht die Kurve ab, d. h. die Steigung nimmt stark ab. Hieraus läßt sich der Abschaltpunkt A für die Schraubverbindung ermitteln. Zu diesem Zeitpunkt gelangt ein Abschaltsignal von der Auswerteelektronik 9 zur Steuer- und Abschalteinrichtung 12, die das Abschalten der Antriebseinheit 2 bewirkt.

Vorzugsweise sind die Abtasteinrichtungen 10, 11 und die Steuer- und Abschalteinrichtung 12 und ggf. die Auswerteelektronik 9 in die Antriebseinheit 2 integriert, während die Eingabeelektronik 6 und ggf. die Auswerteelektronik 9 von dem Kraftschrauber 1 unabhängig als Steuergerät ausgebildet

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sein und mit dem Kraftschrauber 1 über ein Kabel verbunden sein kann, oder besonders bevorzugt kabelfrei mit Fernübertragung der Daten auf die in den Kraftschrauber 1 integrierte Elektronik wirkt. Wenn hierzu eine Infrarotfemübertragung verwendet wird, lassen sich die in die Eingabeelektronilc 6 eingegebenen Daten oder die in der Auswerteelektronik 9 umgewandelten Steuerdaten kabelfrei zum Kraftschrauber 1 übertragen. Wenn die Eingabeelektronik 6 und die Auswerteelektronik 9 zu einem tragbaren Rechner zusammengefaßt sind und dieser mit einer sog. IrDA-Schnittstelle 13 als Fernübertragung ausgestattet ist, können die Infrarotsignale von dieser Schnittstelle auf eine entsprechende Schnittstelle 14 am Kraftschrauber 1, die mit der Steuer- und Abschalteinrichtung 12 in Verbindung steht, übertragen werden. Diese IrDA-Schnittstelle 13 und die entsprechende Schnittstelle 14 sind als standardisierte bidirektionale Schnittstellen mit Infrarotübertragung für Entfernungen bis zu einem Meter und Übertragungsraten von mehr als Mbit/S ausgelegt. Dieser IrDA-Baugruppen 13,14 haben im Ruhezustand einen geringen Stromverbrauch von einigen Mikroampere und im aktiven Zustand einen solchen von einigen Milliampere, der in einem Bereich liegt, der für die bei tragbaren Kraftschraubern üblichen Stromversorgungen zulässig ist. Besonders vorteilhaft ist bei diesem Infrarotübertragungssystem die prinzipbedingte, optimale galvanische Trennung der Eingabeelektronik 6 und der Auswerteelektronik 9 vom Kraftschrauber 1 und die geringen Kosten durch die Verwendung vom Kraftschrauber 1 und die geringen Kosten durch die Verwendung von Standardbauteilen. Diese Standardbauteile weisen so geringe Abmessungen auf, daß sie sich problemlos in das Gehäuse des Kraftschraubers 1 integrieren lassen.

Wenn nur die Eingabeelektronik 6 unabhängig vom Kraftschrauber 1 ausgebildet ist, ist eine bidirektionale Datenübertragung nicht erforderlich, so daß in diesem Fall auch die Möglichkeit besteht, die für Fernsehgeräte bekannten Infrarotfernbedienungen für eine unidirektionale Fernübertragung der Daten zu verwenden. Auch diese Infrarotfernbedienungen weisen einen sehr geringen Ruhestrom auf, während im aktiven Zustand der Stromverbrauch bei einigen Milliampere liegt.

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Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß das Drehmoment M und damit der Ankerstrom beim Drehen der Schraube bis zum Erreichen des Fügepunktes zunächst auf einem niedrigen Wert verharrt und erst nach Überschreiten von 10 % bis 20 % des der S oll-Vor Spannkraft entsprechenden Drehmoments linear mit dem Schraubenspannwinkel ansteigt.

Mit Erreichen der Streckgrenze steigt das Drehmoment M und damit der Ankerstrom I trotz Weiterdrehens des Kraftschraubers 1 nur noch geringfügig an, so daß der Übergang vom linearen Anstieg zum flachen Weiterverlauf als Abschaltpunkt A mit großer Genauigkeit durch die Auswerteelektronik 9 bestimmt werden kann.

Die Bedienungsperson braucht keinerlei Eingaben über die Schraubengröße, die Materialgüte, die Gewindesteigung, die Klemmlänge und dgl. eingeben, da die in Fig. 2 dargestellte Gesetzmäßigkeit für alle herkömmlichen Schraubenmaterialien unabhängig von ihrer Größe gilt. Das Anziehen von großen Schrauben ist daher mittels des erfindungsgemäßen Kraftschraubers ganz erheblich vereinfacht.

• ·

Claims (6)

1. Kraftschrauber (1) mit

- einer Antriebseinheit (2),

- einer Abtasteinrichtung (10) für das Ist-Drehmoment,

- einer Abtasteinrichtung (11) für den Ist-Schraubenspannwinkel,

- einer Auswerteelektronik (9) zum laufenden Ermitteln des Quotienten aus Ist-Drehmoment und Ist-Schraubenspannwinkel und

- einer Abschalteinrichtung (12) zum Abschalten der Antriebseinheit (2) bei einem dem Erreichen der Streckgrenze der Schraube entsprechenden Wert des Quotienten, der kleiner als der dem Proportionalitätsbereich der Schraube entsprechenden Wert des Quotienten ist.

2. Kraftschauber nach Anspruch 1, der tragbar ausgebildet ist.

3. Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2 mit einer elektrischen Antriebseinheit (2), einer als Ankerstrommeßvorrichtung ausgebildeten Abtasteinrichtung (10) für das Ist-Drehmoment mit der Ankerwelle der Antriebseinheit (2) verbundenden Drehwinkelmeßgeber als Abtasteinrichtung (11) für den Ist-Schraubenspannwinkel.

4. Kraftschrauber nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer als Tachogenerator ausgebildeten Abtasteinrichtung (11) für den Ist-Schraubenspannwinkel.

5. Kraftschrauber nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer als Schrittmotor und Abtasteinrichtung (11) für den Ist-Schraubenspannwinkel ausgebildeten, elektrischen Antriebseinheit (2), sowie einer als Ankerstrommeßvorrichtung ausgebildeten Abtasteinrichtung (10) für das Ist- Drehmoment.

6. Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2 mit einer zwischen der Antriebseinheit (2) und der Ausgangswelle (5) angeordneten Meßwelle zum direkten Messen des Ist-Drehmoments und des Ist-Schraubenspannwinkels, die mit der Abtasteinrichtung (10) für das Ist-Drehmoment und der Abtasteinrichtung (11) für den Ist-Schraubenspannwinkel zusammenwirkt.