DE2600939C2 - Schaltungsanordnung für eine Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindung von Bauteilen, insbesondere einer Schraubverbindung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ^uf eine

ίο Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 23 23 123 ist bereits eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt Bei der bekannten Schaltungsanis Ordnung ermittelt die erste Schaltung aus dem ersten und dem zweiten Signal während des Anzieh-Vorganges den Gradienten der Drehmoment-Drehwinkel-Kurve, bestimmt aus diesem Gradienten durch ständigen Vergleich des momentanen Gradienten mit dem davor ermittelten Gradienten den maximalen Gradienten und erzeugt das dritte Signal zum Abschalten der Vorrichtung, sobald die Differenz zwischen dem momentan erreichten Gradienten und dem maximalen Gradienten einen bestimmten Bruchteil des maximalen Gradienten erreicht Diese Schaltungsanordnung arbeitet lediglich dann zufriedenstellend, wenn kein fehlerhaftes Bauteil, insbesondere keint fehlerhafte Schraube beim Anziehen der Verbindung verwendet wird. Liegt jedoch ein Bauteil mit Materialfehler vor, so ändert die Drehmoment-Drehwinkel-Kurve ihren Gradienten bereits vor Erreichen eines bestimmten Anzugsdrehmomentes bzw. erst beim Überschreiten eines gewünschten Anzugsdrehmoments. Ein derartiger, gelegentlich auftretender Materialfehler kann beim Anziehen einer Vorrichtung zum Verbinden von Bauteilen gemäß dieser Druckschrift verborgen bleiben. Die fertiggestellte Verbindung erlaubt keine Überprüfung, ob der Anziigs-Zustand innerhalb hinnehmbarer Grenzen liegt. Wenn bei dieser bekannten Schaltung ein e'-sktronischer Fehler auftritt, z. B. ein Bauteil der Schaltungsanordnung ausfällt, so kann dies zu einer fehlerhaften Erzeugung des Gradientensignals und damit zu schwachen oder zu starken Anziehen der Verbindung führen.

Im VDI-Bericht Nr. 220, 1S74, Seiten 94 ff wird die Wirkungsweise einer Vorrichtung zum streckgrenzgesteuerten Anziehen von Schraubverbindungen beschrieben. Die in dieser Entgegenhaltung beschriebene Vorrichtung ermittelt ein Drehmoment-Drehwinkel-Gradientensignal aufgrund eines das Drehmoment dar-

äo stellenden Signales sowie eines den Drehwinkel darstellenden Signales, ermittelt den maximalen Gradienten und unterbricht den Anziehvorgang, sobald der Gradient vorzugsweise 50% des Maximalwertes erreicht hat, da ein derartiges Abfallen des Gradientensignales den Übergang vom elastischen in den plastischen Bereich der Schraubverbindung anzeigt. Ferner offenbart diese Druckschrift, daß zur Steigerung der Sicherheit des korrekten Anziehens einer Schraubverbindung der Drehwinkel und das Drehmoment zum Abschalr-itpunkt mit einem durch ein maximales und minimales Drehmoment sowie bestimmten Drehwinkeln vorgegebenen »grünen Fenster« verglichen werden, wobei die Schaltung ein grünes Lichtsignal erzeugt, wenn der Abschaltzeitpunkt in dem derart definierten »grünen Fenster« liegt. Diese Druckschrift zeigt jedoch keine Schaltung, mit der eine derartige, wünschenswerte Überprüfung ausgeführt werden kann.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorlic-

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genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß sie eine Information über die Fehlerfreiheit der Bauteileverbindung sowie über die Fehlerfreiheit der Arbeitsweise der Schaltung selbst während des Anzugsvorganges erzeugt

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst

Durch die beiden Vergleicherschaltungen wird in einfacher Weise aus Signalen, die zur Festlegung des Abschaltzeitpunktes in der ersten Stellung erzeugt werden, eine Information über die Materialeigenschaften der verbundenen Bauteile erzeugt Wird beispielsweise die Schraubverbindung mit einer Schraube hergestellt, die sich aufgrund eines Materialfehlers beim Anziehen zu stark dehnt, so liegt das erste Signal zum Abschaltzeitpunkt erheblich unter dem unteren Schwellenwert, so daß ein diesen Zustand anzeigendes Ausgangssignal der ersten Vergleicherschaltung einen Hinweis auf eine unzureichende Verbindungsfestigkeit zwischen den Bauteilen liefert In ähnlicher Weise liefert die zvssite Vergleicherschaltung eine Information über einen unzulässigen Drehwinkel, der beispielsweise dann auftreten kann, wenn sich die Schraube aufgrund eines Gewindefehlers frühzeitig im Gewinde verklemmt Da jedoch eine derartige, von den Vergleicherschaltungen abgeleitete Information nur dann zuverlässig ist wenn die Schaltungsanordnung und die jeweiligen Meßeinrichtungen richtig arbeiten, kann eine vollständige Sicherheit über die Güte einer Verbindung nur durch eine Selbstprüfung der Schalteinrichtung erreicht werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei einem ordnungsgemäßen Anziehen der Bauteileverbindung, insbesondere der Schraubverbindung, sowie bei ordnungsgemäßer Arbeitsweise sämtlicher Elemente der Schaltungsanordnung bestimmte Maximaiwerte des Gradientensignals sowie des Drehmomentsignals und eines invertierten Drehmoment-Signals nicht überschritten werden. Beispielsweise führt ein sich beim Schraubverbinden verklemmender Schraubenkopf, der auf einer Unebenheit des anzuziehenden Bauteils festgeklemmt wird, zu ei'iem sprunghaften Anstieg des Gradienten-Signals, dfl sich das Drehmoment erhöht, während der Drehwinkel annähernd gleich bleibt. Ferner zeigt ein einen Maximalwert überschreitendes Drehmoment-Signal, d^aß entweder ein Fehler beim Anziehen des Bauteils aufgetreten ist, oder daß die Drehmoment-Meßeinrichtung oder Drehmoment-Verstärker der Schaltung aus dem Gleichgewicht gekommen ist. Aus einem negativen Drehmoment-Signal läßt sich auf eine falsche Drehrtehtung der Vorrichtung zum Anziehen der Schraubverbindung bzw. auf ein Versagen des Drehmoment-Meßelementes schließen. Mit der beanspruchten Schaltungsanordnung läßt sich für praktisch sämtliche denkbaren Fälle einer Störung eine Fehlerinformation erzeugen.

Bevorzugte Weiterbildungen der beanspruchten Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen zwei Anzugs-igenschaften, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benutzt werden.

F i z. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Anzugssystems gemäß der Erfindung und

Fig.3 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 2.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Anzugssystems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt welche einen Schraubenschlüssel 50 zum Anziehen eines Befestigungselementes, eine Regelungseinrichtung 51 zum Unterbrechen des Schraubenschlüssels,

ίο wenn das Befestigungselement bis zu einem vorbestimmten Zustand angezogen worden ist und eine Meßeinrichtung 53 zur Qualitätsprüfung aufweist welche für eine Anzeige sorgt daß die Verbindung zu ihrem vorbestimmten Zustand angezogen worden ist und daß das Werkzeug während des Anzugszyklus nicht versagt hat Wie in F i g. 2 gezeigt ist weist der Schraubenschlüssel einen Luftmotor 52 auf, dessen Betrieb durch ein geeignetes Magnetventil 54 gesteuert wird und der eine Ausgangswelle 56 durch einen Drehzahlreduziergetriebekasten SH antreibt, so daß die Ausgangswelle sich nicht mit der gleichen großen Drehüchl wie der Motor dreht Die Ausgangswelle 56 trägt ein Anpaßstück 57 zur Befestigung einer Mitnehmerbacke 59 und ist in einer geeigneten Drehlageranordnung gelagert, ν eiche die Drehung erleichtert und Biegebeanspruchungen in der Ausgangswelle aufnimmt. Die Lageranordnung 60 kann in einem festen Rahmen 62 gelagert sein wobei jedoch die Benutzung des Rahmens für die Durchführung der Erfindung nicht notwendig ist An diesem Punkte soll angemerkt werden, daß der Motor 52, der als Luftmotor beschrieben wird, auch von irgendeiner anderen geeigneten Bauart sein kann, z. B. von elektrischer, hydraulischer oder irgendeiner Kombination von pneumatischer, elektrischer oder hydraulischer Bauart Es wird darüber hinaus angemerkt daß die soweit beschriebene Vorrichtung im wesentlichen bekannt ist und nicht weiter im einzelnen erläutert werden muß.

Zwischen dem Getriebekasten 58 und Her Lageranordnung 60 ist eine Wandlereinrichtung in Form eines Drehmomentelementes 64 angeordnet, welches ein das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellendes Signal erzeugt Das Drehmomentelement 64 weist eine erste Befestigungsplatte 66 zur Befestigung des Elementes am Getriebekasten 58 und eine zweite Befestigungsplatte 68 zur Befestigung des Elementes an der Lageranordnung 60 auf. In axialer Richtung des Schraubenschlüssels zwischen den Befestigungsplatten 66 und 68 sind eine Mehrzahl von Strebebauteilen 70 vorgesehen, welche etwas verformbar sind,

so d. h. welche relativ steife Bauteile darstellen, die etwas um die Achse des Schraubenschlüssels verdreht werden können. Wenn der Schraubenschlüssel 50 in Betrieb ist um e*ri Befestigungselement anzuziehen, verursacht das auf den Schraubenschlüssel wirkende Reaktionsdrehmoment eine Verdrehung der Strebebauttile 70 um die Achse des Schraubenschlüssels, wobei der Betrag der Verdrehung proportional zu dem Reaktionsdrehmoment ist, welches natürlich im wesentlichen gleich und entgegengesetzt i.u dem Drehmoment ist mit welchem das Befestigungselement beaufschlagt wird. Jedes Strebebauteil 70 trägt einen Dehnungsmesser 72, welcher Teil einer Wheatston'schen BrückenschaUung (nicht gezeigt) ist, um ein das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellendes elektrisches Signal zu erzejgen. Anstelle von Dehnungsmessern können zur Erzeugung des elektrischen Signals Berührungs- oder Abstandsverschiebungsmesser benutzt werden.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin ein Abstandsmeßkopf 74 vorgesehen, welcher im Gehäuse des Motors 52 in der Nähe und im radialen Abstand von Drchflügcln 76 im Motor, wie deutlich in F i g. 2 dargestellt ist, gelagert ist. Der Abstandsmeßkopf 74 kann in der Form einer Induktionsspule ausgebildet sein, welche ein akustisches Signal erzeugt, wenn Metall ihr magnetisches Feld passiert. Da die Flügel 76 sich drehen, wenn das Befestigungselement angezogen wird, werden durch den Abstandsmeßkopf 74 Signale erzeugt, weiche feste Zunahmen der Drehung des Befestigungselementes darstellen. Die Größe dieser Zunahmen hängt von der Anzahl der Flügel 76 im Motor 52 und dem Übersetzungsverhältnis des Getriebekastens 58 ab. Es wird angemerkt, daß der Abstand Meßkopf 74 ebenfalls mit einem der Zahnräder im Getriebekasten 58 in ähnlicher Weise zusammenwirken könnte.

An dieser Stcüc wird angemerkt, daß das Regelungssystem 51 im wesentlichen mit dem des US-Patentes 40 00 482 übereinstimmt, die gleichzeitig im Namen von John T. Boys für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Drehsteifigkeit oder linearen Steifigkeit angemeldet worden ist, welche eine continuationin-part-Anmeldung der US-Patentanmeldung Serial No. 357 920, angemeldet am 7. Mai 1973, darstellt. Es wird jedoch angemerkt, daß verschiedene andere Regelungssysteme benutzt werden können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Ausgangssignal des Drehmorwntelementes 64, das das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellt, wird auf einen Drehmomentverstärker 78 gegeben, welcher das Drehmomentsignal auf eine Größe verstärkt, welche mit dem Rest des Regelungssystems kompatibel ist. Vom Verstärker 78 wird das Drehmomentsignal durch eine Schieberegistereinrichtung geleitet, welche bei dieser Ausführungsform eine Reihe von ladungsgekoppelten Vorrichtungen in Form von Abtast- und Halteschaltungen 80,82,84 und 86 aufweist. Die Schieberegistereinrichtung wiru durch Signale getaktet, welche feste Winkelzunahmen der Verschiebung des Befestigungselementes darstellen. Demgemäß werden Signale vom Abstandsmeßkopf 74, welche die Form von nadeiförmigen Impulsen aufweisen, zu einem Rechteckwellengenerator 88 geleitet, welcher die Signale formt und die geformten Signale durch einen Sehnenlängenteiler 90 zu einem Analogschaltmitnehmer 92 leitet, welcher aufeinanderfolgend die Abtast- und Halteschaltungen taktet Der Sehnenlängenteiler 90 ist eine geeignete Teilerschaltung, welche die Impulse vom Rechteckwellengvjnerator 88 elektronisch durch 1, 2, 4, 8,16 oder 32 teilt, so daß jeder Impuls oder jeder zweite Impuls oder jeder vierte Impuls usw. zum Takten des Schieberegisters benutzt wird.

Der Analogschaltmitnehmer 92, obwohl nicht notwendig, gewährleistet, daß jede Abtast- und Halteschaltung ihr gespeichertes Signal vor Aufnahme eines neuen Signales entladen hat. Demgemäß taktet der Analogschaltmitnehmer 92 aufeinanderfolgend die Abtast- und Halteschaltungen, wobei zunächst die Schaltung 86, dann die Schaltung 84, dann die Schaltung 82 und schließlich die Schaltung 80 getaktet wird. Demzufolge hat die Abtast- und Halteschaltung 86 ihr gespeichertes Signal entladen, bevor sie ein neues Signal von der Abtast- und Halteschaltung 84 empfängt, und so weiter. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 86 stellt das Drehmoment dar, das einen bestimmten Drehabstand vor diesem besonderen Augenblick vorhanden war, und wird durch ein Gradientenregister oder eine Vergleicherschaltung 94 in Form eines Differenzverstärkers geleitet, welcher ebenfalls ein das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellendes Signal vom Drehmomentverstärker 78 empfängt. Die Vergleicherschaltung 94 subtrahiert ihre Eingangssignale und erzeugt ein Ausgangssignal, das den augenblicklichen Gradienten der Drehmoment-Drehung-Kurve darstellt, welche fur das besondere anzuziehende Befestigungselement entworfen werden

ίο kann. Das Gradientensignal von der Vergleicherschaltung 94 wird auf einen geeigneten Gradientensignalverstärker % gegeben, welcher das Signal zu einer Größe verstärkt, die mit dem Rest des Regelungssystems kompatibel ist.

Von dem Gradientensignalverstärker 96 wird das augenblickliche Gradientensignal zu einer Einrichtung geleitet, um den maximalen Gradienten zu bestimmen, und ebenfaüs zu einer Einrichtung, um das maximale und das augenblickliche Gradientensignal zu vergleichen. Um zunächst die Einrichtung zur Bestimmung des maximalen Gradienten anzusprechen, weist diese Einrichtung einen Vergleicher des maximalen Gradienten auf, welcher Eingangssignale vom Gradientensignalverstärker 96 und von einer Abtast- und Halteschaltung 102 empfängt, welche ebenfalls Signale vom Gradientensignalverstärker 96 empfängt. Wie hiernach deutlicher wird, speiche*: > die Abtast- und Halteschaltung 102 ein Signal, das den maximalen Gradienten darstellt, welcher bis zu einem Punkt im Anzugszyklus vor dem augenblicklichen Ausgangssignal vom Gradientensignalverstärker aufgetreten ist. Der Vergleicher 100 bestimmt, ob das augenblickliche Gradientensignal vom Gradientensignalverstärker 96 oder das vorher von der Abtast- und Halteschaltung 102 gespeicherte Signal größer ist.

Wenn das augenblickliche Gradientensignal größer ist, liefert der Vergleicher 100 ein Ausgangssignal zu einem UND-Glied 104, das außerdem Signale vom Analogschaltmitnehmer 92 empfängt, wenn der Schaltmitnehmer ein Taktsignal zur Abtast- und Halteschaltung 84 ausgibt. Wenn beide Signale vom UND-Glied 104 empfangen werden, Hefen dieses ein Signal zur Abtast- und Halteschaltung 102, das die Abtast- und Halteschaltung in die Lage versetzt, ein neues Signal vom Gradientensignalverstärker 96 zu empfangen, das den größeren Gradienten darstellt Wenn der augenblickliche Gradient kleiner ist, erzeugt der Vergleicher 100 kein Ausgangssignal. Dies gilt ebenfalls für das UND-Glied 104, so daß die Abtast- und Halteschaltung 102 kein neues Gradientensignal empfangen kann. Durch Verwendung des Taktsignales vom Analogschaltmitnehmer 92 Zur Abtast- und Halteschaltung 84 wird eine Zeitverzögerung geschaffen, welche ermöglicht, den Vergleich durchzuführen, bevor ein Taktsignal durch das UND-Glied 104 geliefert werden kann und bevor ein neues Gradientensignal erzeugt werden kann.

Im Hinblick auf die Einrichtung zum Vergleichen des größten und des augenblicklichen Gradientensignals kann man erkennen, daß bei der Zuleitung des den maximalen Gradienten darstellenden Signals von der Abtast- und Halteschaltung 102 zum Vergleicher 100 dieses aufgeteilt wird und zu einer Teilungsschaltung 106 geleitet wird, weiche das Signal durch die vorgegebene Beziehung teilen kann, welche zur Bestimmung der Dehnungsgrenze, gezeigt bei X auf der Drehmoment-Dre-

hung-Kurve in Fi g. 1, für das besondere anzuziehende Befestigungselement benutzt wird. Wenn die vorliegende Beziehung 50% ist, was bevorzugt wird und in der oben angeführten US-Patentanmeldung von

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John T. Boys erläutert wird, halbiert die Teilungsschaltung 106 das maximale gespeicherte Gradientensignal und liefert das Signal zu einem Steuerungsvergleicher 98. so daß es mit einem augenblicklichen Gradientensignal vom Gradientensignalverstärker 96 verglichen werden kann, das ebenfalls dem Steuerungsvergleicher zugeführt wird. Wenn die Eingangssignale des Steuerungsvergleichers gleich sind, oder wenn das Gradientensignal kleiner als das geteilte maximale Gradientensignal ist, erzeugt der Steuerungsvergleicher ein Ausgangssignal, das zu einem weiteren UND-Glied 108 gliefert wird. An dieser Stelle wird angemerkt, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 98 direkt zu einem Ventilsteuerungsverstärker 110 geliefert werden könnte, welcher das Signal auf eine geeignete Größe verstärken würde, um das Solenoid im Ventil 54 zu schließen und den Motor 52 zu stoppen. Um jedoch zu gewährleisten, daß der Vergleicher 98 nicht unabsichtlich ein Ausgangssignal im Bereich vor dem Anziehen der Drehmoment-Drehung-Kurve erzeugt, d. h. im Bereich, der vom Schnittpunkt der Achsen zum Punkt A gezeigt ist, in welchem die Befestigungselemente sich relativ frei drehen und noch nicht mit den Teilen der Verbindung in Eingriff gekommen sind, um die Spannbelastung in dieser Verbindung aufzubauen, wird das UND-Glied 108 benutzt, das ein zusätzliches Eingangssignal von einem Paßdrehmomentvergleicher 112, wie auf der in Fig. 1 gezeigten Kurve dargestellt ist, empfängt. Die augenblicklichen Drehmomentsignale werden vom Drehmomentverstärker 78 zu einem Paßdrehmomentvergleicher 112 geleitet, welcher ebenfalls ein Eingangssignal von einem voreingestellten Paßdrehmomentsignalgeber 114 empfängt, der z. B. die Form eines geeigneten Potentiometers zur Erzeugung eines vorbestimmten Eingangssignals aufweisen kann, das ein ungefähr dem Paßdrehmoment entsprechendes Drehmoment darstellt. Die Einstellung im Paßdrchmömcntsignälgcber 114 braucht nicht genau dem Paßpunkt zu entsprechen und kann eine Annäherung darstellen. So würde z. B. ein Signal genügen, das ungefähr 20% des Drehmomentwertes, der an der Dehnungsgrenze erwartet wird, darsteiit. Wenn das augenblickliche Dreh~iOiMcnts:gna! vom Verstärker 78 das durch den Paßdrehmomentsignalgeber 114 erzeugte Signal übersteigt, erzeugt der Vergleicher 112 ein Ausgangssignal zum UND-Glied 108, wodurch die Zuleitung des Signals vom Steuerungsvergleicher 98 zum Ventilsteuerungsverstärker 110 ermöglicht wird. Das Ausgangssignal des Ventilsteuerungsverstärkers 110 wird zum Magnetventil 54 geleitet, wobei dieses geschlossen und der Motor 52 gestoppt wird. Daher würden irgendwelche Signale, die zufällig durch den Steuerungsvergleicher 98 in dem Bereich der Drehmoment-Drehung-Kurve vor dem Anziehen erzeugt würden, das Magnetventil 54 nicht schließen. Schließlich ist ein Rückstellschalter vorgesehen, der benutzt werden kann, um die Schaltungen zu löschen und das Werkzeug für einen neuen Anzugsvorgang für ein anderes Befestigungselement vorzubereiten.

Im Hinblick auf die obige Beschreibung des Schraubenschlüssels und des Regelungssystems kann man erkennen, daß ein relativ genaues Anzugssystem geschaffen worden ist, das den Schraubenschlüssel in einen vorbestimmten, genau mit der Belastung auf dem Befestigungselement, d.h. der Dehnungsgrenze des Befestigungselementes, in Beziehung stehenden Zustand unterbricht Es ist ebenfalls klar, daß die Verwendung des Stoppsignals vom Vergleicher 98 oder des Gradientensignals vom Vergleicher 96 nicht notwendigerweise eine leicht unterscheidbare und bedeutungsvolle Anzeige des Zustandes des Befestigungselementes ergeben würde. Das heißt, diese Signale könnten erzeugt werden, wenn sich das Befestigungselement außerhalb der seine Eigenschaften bestimmenden Vorschrift befände oder anderweitig defekt wäre. Dementsprechend ist ein Meßsystem zur Qualitätsprüfung vorgesehen, um den Zustand der Verbindung zu messen, wenn der Schraubenschlüssel unterbrochen worden ist, um eine Anzeige

ίο zu schaffen, daß das Befestigungselement mit dem mit Schraubengewinde versehenen Bauteil in Eingriff steht oder die Verbindungsbauteile nicht defekt sind und das Befestigungselement daher richtig angezogen worden ist.

Bevor die bevorzugte Ausführungsform eines Meßsystems zur Qualitätsprüfung beschrieben wird, wird Bezug genommen auf Fig. 1, in welcher das Arbeitsprinzip grafisch dargestellt ist. Wie bereits oben erwähnt worden ist, zeigi üic in Fig. 1 dargestellte Kurve die Drehmoment-Drehung-Beziehung für irgendein besonders anzuziehendes Befestigungselement. Es ist klar, daß das Regelungssystem 51 so arbeitet, um Signale zu erzeugen, welche diese Anzugseigenschaften darstellen, um die Dehnungsgrenze des Befestigungselementes, X auf der Kurve, zu bestimmen und den Schraubenschlüssel zu unterbrechen. Die Dehnungsgrenze, welche natürlich ein vorbestimmter Zustand ist, steht in sehr genauer Beziehung mit der Axialbelastung des Befestigungselementes. Das Drehmoment steht in theoretischer Beziehung zu der Axialbelastung für ähnliche, in ähnlichen Verbindungen angezogene Befestigungselemente, aber bei der tatsächlichen Benutzung der Befestigungselemente variiert diese Beziehung aufgrund der verschiedenen Reibeigenschaften, welche die Befestigungselemente und/oder andere Bauteile der Verbindung antreffen, erheblich. So kann das Drehmoment, dss für die Erzeugung einer gleichen Belastung in einer Anzahl von theoretisch ähnlichen Befestigungselementen erforderlich ist, um ±30% variieren. Daher kann für eine gewünschte, in dem Befestigungselement zu erzeugende Axialbelastung ein Bereich von Drehmomentwerter! bestimmt werden, innerhalb dessen das dem Befestigungselement bei der gewünschten Axialbelastung zugeführte Drehmoment normalerweise erwartet werden kann. Gemäß dieser Erfindung wird der Drehmomentbereich bestimmt von einer oberen Grenze, T_u auf der Kurve, und einer unteren Grenze, T\ auf der Kurve, begrenzt. Wenn der Schraubenschlüssel 50 unterbrochen wird, wird das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment gemessen, um festzustellen, ob es innerhrlb des vorbestimmten Bereiches liegt.

In ähnlicher Weise wird die Drehung des Befestigungselementes gemessen, wenn der Schraubenschlüssel unterbrochen wird, um zu bestimmen, ob sie ebenfalls innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, innerhalb dessen die gewünschte Axialbelastung normalerweise erwartet werden kann. Diese Bereich ist ebenfalls durch eine obere und eine untere Grenze, durch R_u und R\ in F i g. 1 dargestellt, begrenzt An dieser Stelle wird angemerkt, daß die Drehung eines Befestigungselementes während eines Anzugzyklus ebenfalls mit der Axialbelastung in Beziehung steht, aber daß in der Praxis die Beziehung variiert aufgrund von Fehlern bei der Bestimmung, wann der Meßvorgang der nützlichen Drehung des Bcfestigungselementes begonnen werden sollte, was dem Durchschnittsfachmann ohne weiteres verständlich ist Der durch Ä„ und R\ begrenzte Bereich sollte derart sein, daß die normalerweise zu erwarten-

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ίο

den Fehler in Rechnung gestellt sind.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, begrenzen die Projektionen der Grenzen Ti, T_u, R_u R_u ein Rechteck oder ein »Fenster«, innerhalb dessen der Punkt X auf der Kurve normalerweise erwartet werden kann. Wenn der Schraubenschlüssel 50 durch das Regelungssystem 51 innerhalb des '^Fensters« unterbrochen wird, kann angenommen werden, daß das Befestigungselement richtig bis zu seinem vorbestimmten Zustand angezogen worden ist und daß eine leicht unterscheidbare und bedeutungsvolle Anzeige geschaffen werden kann. Wenn es gewünscht wird, kann nur eine der Anzugseigenschaften gemessen werden. Aufgrund des hohen Genauigkeitsgrades, der vom Regelungssystem 51 geschaffen wird, werden jedoch bevorzugt beide solche Eigenschaften gemessen, um ein Meßsystem der Qualitätsprüfung zu schaffen, das für eine größere Genauigkeit als konventionelle Systeme sorgt. Schließlich wird angemerkt, daß andere Anzugseigenschaften benutzt werden können, z. B. die Zeit und das Drehmoment. Da jedoch das Regelungssystem 51 schon Signale erzeugt, welche die Drehzunahme des Befestigungselementes darstellen, sind insbesondere die Drehung und das Drehmoment offenbart worden.

Wie man aus F i g. 2 erkennt, wird ein das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellendes Signal vom Drehmomentverstärker 78 zu einem Vergleicher 118 des unteren Drehmoments und einem Vergleicher 120 des oberen Drehmoments geleitet. Der Vergleicher 118 des unteren Drehmoments empfängt außerdem ein Eingangssignal von einem voreingestellten Signalgeber 122, welches die untere Drehmomentgrenze Ti des oben erläuterten vorbestimmten Bereichs darstellt. Wie man ebenfalls erkennt, empfängt der Vergleicher 120 des oberen Drehmomentes ein Signal von einem voreingestellten Signalgeber 124, das die obere Drehmomentgrenze T₁₁ des vorbestimmten Bereiches darstellt. Wenn das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment kleiner als die untere Drehmomentgrenze ist, erzeugt der Vergleicher 118 ein hohes Ausgangssignal, d»s zur Erregung einer Anzeigelampe 126 benutzt wird. Wenn das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment größer als die obere Drehmomentgrenze ist, erzeugt der Vergleicher 120 in ähnlicher Weise ein hohes Ausgangssignal, das zur Erregung einer anderen Anzeigelampe 128 benutzt wird. Wenn irgendeine Lampe erregt wird, ist eine Anzeige geschaffen worden, daß das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment außerhalb des normalerweise erwarteten Bereiches liegt. Wenn das dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment größer als die untere Drehmomentgrenze und kleiner als die obere Drehmomentgrenze ist, erzeugen die Vergleicher 118 und 120 niedrige Ausgangssignale, welche zu einem NOR-Glied 130 geleitet werden. Wenn beide Eingangssignale niedrig sind, erzeugt das NOR-Glied 130 ein hohes Ausgangssignal, das eine andere Anzeigelampe 132 erregt, wodurch angezeigt wird, daß das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment innerhalb des Bereiches liegt, der durch die in den Signalgebern 122 und 124 eingestellten Grenzen bestimmt ist Wenn irgendein Eingangssignal des NOR-Gliedes 130 hoch ist, erzeugt es ein niedriges Ausgangssignal, wodurch die Anzeigelampe 132 nicht erregt wird.

Signale der Drehung werden durch eine Schaltung verarbeitet, die im allgemeinen der für das Drehmomentsignal benutzten Schaltung ähnlich ist, ausgenommen, daß der ."'bstandsmeßkopf 74 Ausgangsimpulse erzeugt, welche die Zunahmewinkel der Drehung des Befestigungselementes darstellen. Demgemäß kann ein Signal vom Rechteckwellengenerator 88 zu einem Digital-Analog-Wandler 134 geleitet werden, welcher die Zunahmen addiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das die gesamte Winkelverschiebung des Befestigungselementes darstellt. Es wird angemerkt, daß die Drehung des Befestigungselementes in dem Bereich der Drehmoment-Drehung-Kurve vor dem Anziehen nicht gezählt werden sollte. Daher wird ein Ausgangssignal vom PaB-drehmomentvergleicher 112 als Aktivierungssignal benutzt, welches den Digital-Analog-Wandler 134 aktiviert, wenn der Verbindungsaufbau zusammengeführt worden ist, und das tatsächliche Festziehen der Verbindung beginnt. Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 134 wird zu einem konventionellen Verstärker 136 geleitet, um das Signal auf eine Größe zu bringen, welche mit dem Rest der Schaltung kompatibel ist.

Ähnlich dem Drehmomentsignal wird das Drehungssignal vom Verstärker 136 zu einem Vergleicher 538 des unteren Winkels und einem Vergleicher 140 des oberen Winkels geleitet. Die Vergleicher 138 und 140 empfangen jeweils Signale von voreingestellten Signalgebern 142 und 144. Der voreingestellte Signalgeber 142 erzeugt ein Signal, das die untere Drehungsgrenze R\ des oben erläuterten vorbestimmten Bereichs darstellt. Der Signalgeber 144 erzeugt ein Ausgangssignal, das die obere Drehungsgrenze Ä„des vorbestimmten Bereiches darstellt.

Wenn das Drehungssignal kleiner als das Signal vom Signalgeber 142 ist, wird ein hohes Ausgangssignal erzeugt, um eine Anzeigelampe 156 zu erregen. Wenn das Drehungssignal höher als das Signal vom Signalgeber 144 ist, erzeugt in ähnlicher Weise der Vergleicher 140 ein hohes Ausgangssignal, das eine Anzeigelampe 148 erregt. Wenn irgendeine Lampe erregt wird, ist eine Anzeige geschaffen worden, daß die Drehung des Befestigungselementes sich außerhalb des normalerweise erwarteten Bereiches befindet. Wenn das Drehungssignal sich innerhalb des durch die Signalgeber 142 und 144 bestimmten Bereichs befindet, erzeugen die Vergleicher 138 und 140 niedrige Ausgangssignale, welche zu einem NOR-Glied 150 geleitet werden. Wenn beide Eingangssignale niedrig sind, erzeugt das NOR-Glied 150 ein hohes Ausgangssignal, um eine Lampe 152 zu erregen, wodurch angezeigt wird, daß die Drehung des Befestigungselementes innerhalb des erwarteten Bereiches liegt. Wenn irgendein Eingangssignal zum NOR-Glied 150 hoch ist, erzeugt dieses ein niedriges Ausgangssignal, das die Anzeigelampe 152 nicht erregt. Die Anzeigelampen können farbenkodiert sein, um die Bestimmung des Zustandes der Verbindung zu erleichtern. Da der endgültige angezogene Zustand des Befestigungselemcntes der zu messende Zustand ist kann ein Signal vom UND-Glied 108, welches das Signal zur Unterbrechung des Schraubenschlüssels erzeugt als Aktivierungssignal benutzt werden, um die NOR-Glieder 130 und 150 in ihren Betriebszustand zu schalten. Das Signal vom UND-Glied 108 könnte ebenfalls als Aktivierungssignal benutzt werden, um die Vergleicher 118, 120, 138 und 150 in ihren Betriebszustand zu schalten. Dies ist jedoch nicht so dargestellt da es wünschenswert erscheint daß die Anzeigelampen 128 und 148 anzeigen können, daß die unteren Grenzen erreicht worden sind, und daß die Lampen 126 und 146 der Bedienungsperson des Systems eine Anzeige geben, daß die oberen Grenzen überschritten worden sind 5m letzteren Fall könnte

die Bedienungsperson den Schraubenschlüssel 50 vor dem Bruch des Befestigungselement unterbrechen. Es wird angemerkt, daß selbstverständlich Ausgangssignale von den Vergleichern 120 und 140 benutzt werden könnten, um den Schraubenschlüssel 50 vor dem Bruch des Befestigungselementes automatisch zu unterbrechen. Schließlich sollte vermerkt werden, daß die Drehmoment- und Drehungssignale aufgezeichnet werden können, wenn der Schraubenschlüssel 50 unterbrochen worden ist, um eine Aufzeichnung des Zustandes der Verbindung für spätere Benutzung zu erzeugen.

Um festzustellen, daß der Schraubenschlüssel 50 und das Regelungssystem 51 nicht versagt haben, ist ein Umkehrverstärker 154 vorgesehen, welcher ein Signal vom Drehmomentverstärker 78 empfängt, welches das augenblickliche dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellt. Der Umkehrverstärker 154 zeigt an, wenn das Signal vom Drehmomentverstärker 78 eine Polarität aufweist, welche der normalerweise erwarteten Polaritüt dieses Signales entgegengesetzt ist. Wenn daher ,ler Schraubenschlüssel 50 aus irgendeinem Grunde schlecht arbeitet bzw. versagt und sich in der falschen Richtung dreht oder wenn das Drehmomentelement 64 versagt und ein Signal umgekehrter Polarität erzeugt oder wenn der Drehmomentverstärker 78 aus dem Gleichgewicht ist und ein Signal umgekehrter Polarität erzeugt, wird der Umkehrverstärker 154 diese Zustände anzeigen und ein diesen Zustand anzeigendes Ausgangssignal auf den Überlauf verstärker 156 geben, der in Form eines Differenzverstärkers oder Vergleichers vorliegt. Sein Zweck wird weiter unten vollständig erläutert

Der Überlaufverstärker 156 ist außerdem so geschaltet, um Eingangssignale direkt vom Drehmomentverstärker 78 und auch vom Gradientensignalverstärker 96 zu empfangen, wobei die letzteren den augenblicklichen Gradienten der Drehmoment-Drehung-Kurve, welche für das anzuziehende Befestigungselement entworfen werden kann, darstellen. Ein Eingang des Überlaufverstärkers wird also vom Umkehrverstärker 154, Drehmomentverstärker 78 und Gradientensignalverstärker % beaufschlagt und der andere Eingang erhält ein Signal von einem voreingestellten Signalgeber 158, das ein Signal gleich oder etwas größer als das maximale Signal ist, das durch den Umkehrverstärker 154, Drehmomentverstärker 78 oder Gradientensignalverstärker 96 erzeugt würde, wenn der Schraubenschlüssel 50 und das Regelungssystem 51 ordnungsgemäß arbeiten. Wenn die aufgeführten Eingangseinrichtungen nicht ^ordnungsgemäß arbeiten, wird der Vergleicher bzw. Überlaufverstärker 156 ein hohes Ausgangssignal auf eine Anzeigelampe 160 geben, um für eine visuelle Anzeige zu sorgen. Wenn die aufgeführten Eingangseinrichtungen ordnungsgemäß arbeiten, übersteigt ihr Eingangssignal zum Vergleicher 156 nicht das vom Signalgeber 158 kommende Signal und der Vergleicher 156 erzeugt nur ein niedriges Ausgangssignal, welches die Anzeigelampe 160 nicht erregen kann.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß der Betrieb des Werkzeuges überwacht wird durch die Feststellung, ob verschiedene Ausgangssignale innerhalb des Systems innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen, dessen obere Grenze durch den voreingestellten Signalgeber 158 und dessen untere Grenze durch die Anzeige eines Signales umgekehrter Polarität vom Drehmomentverstärker 78 bestimmt wird. Es wird außerdem angemerkt, daß die Drehmomentkomponenten des Regelungssystems 51 und die Gradientenberechnungskomponenten geprüft werden und aufgrunu der Tatsache, daß das Gradientensignal durch Signale bestimmt wird, welche die Drehzunahme darstellen, werden auch die Drehkomponenten geprüft. An dieser Stelle wird außerdem angemerkt, daß es wünschenswert ist, für eine einzige Anzeige zv sorgen, daß sowohl die Verbindung und das Werkzeug in ordnungsgemäßem Zustand sind und arbeiten. Demgemäß werden das Ausgangssignal vom NOR-Glied 130, wclches das richtige dem Befestigungselement zugeführte Drehmoment darstellt, und das Ausgangssigna! vom NOR-Glied 150, welches die richtige Winkeldrehung des Befestigungselementes darstellt, parallel durch Signalumkehrer 166 und 168 und konventionelle unterdrückende Dioden 164, 164 zu einem Signalumkehrer 170 geleitet.

Da an den Ausgängen der NOR-Glieder 130 und 150 hohe Ausgangssignale anstehen, wenn das Befestigungselement richtig angezogen worden ist, kehren die Umkehrer 166 und 168 die Signale um und erzeugen niedrige Eingangssignale für den Signalumkehrer 170. Das Ausgangssignal vom Überlaufverstärker bzw. Vergleicher 156 ist parallel mit den Signalen von den Signalumkehrern 166 und 168 geschaltet und wird über eine konventionelle unterdrückende Diode 164 zum Signalumkehrer 170 geleitet, dessen Ausgang mit einer Anzeigelampe 172 verbunden ist. Wenn der Schraubenschlüssel 50 und das Regelungssystem 51 ordnungsgemäß gearbeitet haben, hat der Überlaufverstärker 156 ein niedriges Ausgangssignal. Wenn alle dem Umkehrer 170 zugeführten Signale niedrig sind, wird die Lampe 168 durch das hohe Ausgangssignal vom Umkehrer erregt, um für eine Anzeige zu sorgen, daß das Befestigungselement zu dem vorbestimmten Zustand angezogen worden ist und daß das Anzugssystem ordnungsgemäß gearbeitet hat Wenn irgendeins der Eingangssignale zum Umkehrer 170 hoch ist, wird dieser ein niedriges Ausgangssignai erzeugen, das die Anzeigelampe 172 nicht erregt, wodurch für eine Anzeige gesorgt wird, daß eine Störung bzw. ein Versagen im Werkzeug aufgetreten ist oder daß das Befestigungselement nicht zu dem vorbestimmten Zustand angezogen worden isL Durch Überwachung der Lampen 126, 128, 132, 146, 148, 152 und 160 kann die defekte Einrichtung bestimmt wer??n. Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein Anzugssystem mit einem Überwachungssystem für eine vollständige Qualitätsprüfung geschaffen worden ist. Es wird außerdem angemerkt, daß die Ausgabe eines Stoppsignals vom Vergleicher 98 ebenfalls vom so oben beschriebenen System geprüft wird, da die Drehmoment- und Drehungssignale nicht zum Umkehrer geleitet würden, wenn das Stoppsignal nicht die NOR-Glieder 130 und 150 aktiviert hätte. Es wird weiterhin angemerkt daß als Alternative ein Signal vom UND-Glied 108 zum Umkehrer 110 durch einen geeigneten Signalumkehrer derart geleitet werden könnte, daß die Ausgabe eines Stoppbefehls für ein niedriges Eingangssignal zu dem ersterwähnten Umkehrer sorgt Aufgrund der Anordnung des bevorzugten Ausführungsbeispieles sind jedoch keine zusätzlichen Einrichtungen erforderlich, um festzustellen, ob ein Stoppsignal erzeugt worden ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

26 OO 939 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für eine Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindung von Bauteilen, insbesondere einer Schraubverbindung, mit folgenden Merkmalen:

einer Drehmoment-Meßeinrichtung zum Erzeugen eines das von der Vorrichtung auf das Bauteil ausgeübte Drehmoment darstellenden ersten Signales;
einer Drehwinkel-Meßeinrichtung zum Erzeugen eines den während des Anziehens durchlaufenden Drehwinkel darstellenden zweiten Signales; und
einer ersten Schaltung, die mit der Drehmoment-Meßeinrichtung und der Drehwinkel-Meßeinrichtung verbunden ist, die ein Drehmoment-Drehwinkel-Gradientensignal aufgrund des ersten und zweiten Signales erzeugt, und die die Vorrichtung bei Erreichen eines Anzugs-Zustandes mittels eines dritten Signalei abschaltet,
gekennzeichnet durch
eine erste Vergleicherschaltung (118, 120), die das erste Signal mit einem ersten, oberen Schwellenwert (Tu) und mit einem zweiten, unteren Schwellenwert (Ti) vergleicht,

eine zweite Vergleicherschaltung (138, 140), die das zweite Signal oder ein auf diesem zweiten Signal basierendes, zum Drehwinkel proportionales Signal mit einem dritten, oberen Schwellenwert (R_a) und mit einem vierten, unteren Schwellenwert (Ri) vergleicht,

eine Prüfschaltung (154—158), der das Gradientensignal, das erste Signal und ein gegenüber dem ersten Signal invertiertes, viertes Sipnal zugeführt wird, wobei die Prüfschaltung (15-.>—158) das jeweils größte der ihr zugeführten Signale mit einem fünften Schwellenwert vergleicht, und durch eine mit der Prüfschaltung (154—158) verbundene optische Fehleranzeige (160), die anzeigt, ob das größte der der Prüfschaltung (154—158) zugeführten Signale den fünften Schwellenwert übersteigt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vergleicherschaltung (118, 120) mit einer optischen Anzeige (126,128,132) verbunden ist, die anzeigt, ob das erste Signal in dem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Schwellenwert (Tu, Tc) oder außerhalb dieses Bereiches liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vergleicherschaltung (138,140) mit einer optischen Anzeige (146,148,152) verbunden ist, die anzeigt, ob das zweite Signal in dem Bereich zwischen dem dritten und vierten Schwellenwert (R₁₁, Λι) oder außerhalb dieses Bereiches liegt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vergleicherschaltungen (118, 120, 138, 140) jeweils Ausgangssignale erzeugen, wenn das jeweilige erste bzw. zweite Signal unter dem jeweiligen unteren Schwellenwert (T\) oder über dem jeweiligen oberen Schwellenwert (T_u, fliegen,
beide Vergleicherschaltungen (118, 120, 138, 140) ausgangsseitig mit jeweils einer Schalteinrichtung (130,150) verbunden sind,

die Schalteinrichtungen mit der ersten Schaltung (78—96) verbunden sind und bei Auftreten des dritten Signals durchgeschaltet werden, und

eine logische ODER-Schaltung (164) mit drei Eingängen mit dem Ausgang der Prüfschaltung (154—158) und mit beiden Ausgängen der Schalteinrichtung (130,150) verbunden ist