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Drehmoment-Schrauber
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment-Schrauber mit einem
Antriebsmotor und einer Drehmoment-Begrenzung für die Schrauberspindel. Es sind
zahlreiche Bauarten von Schraubern bekannt. Außer den nur für den gelegentlichen
Einsatz brauchbaren mechanischen Schraubern mit Rutschkupplwig sind im industriellen
Einsatz häufig Preßluftschrauber anzutreffen. Diese haben jedoch verschiedene Nachteile,
da sie wegen des Turbinengeräusches sehr laut arbeiten und mit ihrer Abluft einen
Ölnebel erzeugen. Außer diesen wesentlichen Umweltgesichtspunkten ist auch die Drehmomentsteuerung
nicht sehr genau. Es sind ferner Hydraulikschrauber und elektrische Hochfrequenzschrauber
bekannt. Diese sind jedoch wegen ihres sehr voluminösen Aufbaus für Mehrfachschrauber
nicht einsetzbar, d.h. für Schrauber, bei denen auf relativ engem Raum mehrere Schrauben
gleichzeitig angezogen werden sollen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehmoment-Schrauber der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, der verschleißarm und mit geringer Geräuschentwicklung
arbeitet und sich auch als Mehrfachschrauber einsetzen läßt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine in den Antrieb
der Schrauberspindel eingeschaltete Drehmoment-Meßeinrichtung und eine davon betätigbare
Kupplung in dem Antrieb. Dadurch kann der Schrauber von einem normalen Elektromotor
angetrieben werden. Wenn die Drehmoment-Meßeinrichtung das eingestellte Drehmoment
anzeigt, wird die Kupplung, die beispielsweise als elektrische Schnellkupplung ausgebildet
sein kann, gelöst.
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Vorzugsweise kann die Drehmoment-Meßeinrichtung ein Getriebeelement
mit wenigstens einer schwenkbar gelagerten Zwischenwelle enthalten, die auf eine
Druckmeßeinrichtung einwirkt.
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Dieses Getriebeelement, das vorzugsweise noch eine Übersetzung enthalten
kann, so daß die davorgeschaltete Kupplung kleiner ausgelegt werden kann, bildet
also eine einfache und sicher arbeitende Drehmoment-Meßeinrichtung.
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Sie baut auch sehr klein, wenn beispielsweise die Zwischenwelle an
einem koaxial mit der Schrauberspindel gelagerten Schwenkträger drehbar gelagert
ist. Es wird also eine Art Umlaufgetriebe geschaffen, das jedoch in seinem Schwenkwinkel
auf einen sehr kleinen Bereich beschränkt ist und bei seiner Schwenkung gegen die
Kraft einer zur Druckmeßeinrichtung gehörenden Feder arbeitet.
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Diese Druckmeßeinrichtung kann ein mechanisch/elektrischer Wandler
sein. Es ist aber auch eine sehr einfache Ausführung mit einem Drehstab und einem
in Abhängigkeit von dessen Torsion betätigbaren Endschalter möglich.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der der Antrieb der Schrauberspindel
einen Eilgang enthält, der durch die Drehmoment-Meßeinrichtung auf einen langsameren
Schraubgang umschaltbar ist. In diesem Falle hat also die Drehmoment-eßeinrichtung
zwei Meßpunkte.
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Außerdem die Abschaltung der Schrauberspindel auslösenden höheren
Meßpunkt ist noch ein niedrigerer Meßpunkt vorhanden, der bei einem eingestellten
Drehmomentwert die Umschaltung von dem Eilgang auf den langsameren Schraubgang bewirkt.
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Ferner ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Drehwinkel-Meßeinrichtung
für die Schrauberspindel vorersehen, die vorzugsweise zum Verzögern des Lösens der
Kupplung um einen vorgewählten Drehwinkel nach Vorliegen des vorgewählten Drehmoment
es ausgebildet ist. Dadurch ist es also möglich, nach dem Anzeigen des gewählten
Drehmomentes die einzudrehende Schraube noch um einen bestimmten Drehwinkel weiterzudrehen,
was in der Praxis zur Vorspannung der Schraube erwünscht sein kann. Diese Drehwinkel-Meßeinrichtung
kann berührungslos arbeiten und vorzugsweise eine von der Schrauberspindel angetriebene
Impulsscheibe, d.h. eine Scheibe mit Löchern, Vorsprüngen oder anderen Impulse auslösenden
Unregelmäßigkeiten enthalten, die mit einem elektrischen Impulsgeber zusammenwirkt.
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Die kleine Baugröße des eigentlichen Schrauberteils mit Kupplung und
Drehmoment-Meßeinrichtung sowie ggf. Drehwinkel-Meßeinrichtung macht es möglich,
mehrere Schrauberspindeln von einem gemeinsamen Antriebsmotor und ggf. einem gemeinsamen
Eil- und Schraubergang-Getriebe antreiben zu lassen. Eil- und Schraubergang können
ohnehin vorteilhaft
von einem gemeinsamen Antriebsmotor über ein
Verteilergetriebe abgeleitet sein. Dadurch, daß mehrere Schrauberspindeln mit ihren
entsprechenden Drehmoment-Begrenzungseinrichtungen von einem gemeinsamen Antrieb
gesteuert werden können, wird die Anlage bsonders wirtschaftlich und besonders für
Mehrfachschrauber geeignet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den UnteransprUchen
und der Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Die einzige Zeichnungsfigur zeigt in schematischer und nicht maßstäblicher
Seitenansicht einen Drehmoment-Schrauber nach der Erfindung.
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Der in der Zeichnung dargestellte Drehmoment-Schrauber besitzt einen
elektrischen Antriebsmotor 11, der während des Einsatzes des Schraubers ständig
durchlaufen kann. Er iet mit einem Getriebe 12 verbunden, das zwei Abtriebswellen
13, 14, hat, von denen die Welle 13 eine geringere Drehzahl in der Größenordnung
von 5 Umdrehungen pro Minute macht (Schraubgang) während die Welle 14 eine Drehzahl
von etwa 200 U/min. hat (Eilgang). Die Wellen sind über elektrisch betätigte Kupplungen
15, 16 mit Ritzeln 17, 18 verbunden, die ein gemeinsames Zahnrad 19 antreiben. Die
Kupplungen 15, 16 werden jeweils alternativ betätigt, d.h.
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beim Schließen der einen Kupplung wird die andere gelöst.
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Das Zahnrad 19 treibt eine Welle 20 an, die zu einer elektrischen
Schnellkupplung 21 führt, d.h. einer Kupplung, die sich durch elektrische Betätigung
außerordentlich schnell öffnen läßt. Die Abtriebswelle 22 der Kupplung 21 trägt
an ihrem Ende ein Ritzel 23, das zu einem Getriebeelement 24 einer Drehmomentmeßeinrichtung
25 gehört. Das Getriebeelement 24 besitzt einen koaxial zur Welle 20 gelagerten
Schwenkträger, der aus einem U-förmigen Bauteil bestehen kann, das im Bereich seiner
beiden Schenkelenden einerseits auf der Welle 22 und andererseits auf einer damit
fluchtenden Abtriebswelle 27 des Getriebeelementes gelagert ist. Ein auf der Abtriebswelle
27 drehfest sitzendes Zahnrad 28 wird vom Ritzel 23 über eine Zwischenwelle 29 und
darauf sitzende Zahnräder 30, 31 angetrieben. Die Zwischenwelle 29 ist in dem Schwenkträger
26 gelagert und parallel zu den Wellen 22 und 27. Durch entsprechende Wahl der Zahnradgrößen
entsteht eine Untersetzung von der Welle 22 zur Welle 27.
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Das Getriebeelement 24 kann also als eine Art Untersetzungsgetriebe
mit paralleler Zwischenwelle und schwenkbar gelagertem Gehäuse oder als Segment
eines Umlaufgetriebes mit in gewissen Grenzen festgehaltenem Planetenkäfig betrachtet
werden. Es sind hier auch andere Getriebearten möglich, bei denen die Reaktionskraft
infolge des übertragenen Drehmoments zu einer begrenzten Bewegung oder zumindest
Druckerzeugung durch ein Getriebeteil ausgenutzt werden kann.
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Der Schwenkträger 26 hat an einem seiner Schenkel, im vorliegenden
Beispiel dem unteren, auf der Welle 27 gelagerten Schenkel ein Zahnsegment, das
eine Schwenkung des Schwenkträgers 26 auf ein Zahnrad 32 überträgt, das entsprechend
eine
Welle 33 dreht, an der ein Hebel 34 befestigt ist, der mit seinem freien Ende auf
eine Druckmeßdose 35, d.h. einen mechanisch/elektrischen Wandler drückt.
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Derartige Druckmeßdosen sind übliche Bauelemente und sie erzeugen
ein dem darauf ausgeübten Druck entsprechendes elektrisches Signal. Die beschriebene
Anordnung kann jedoch auch durch ein anderes Druckmeßgerät ersetzt wobei es werden,
wobei wegen der Tatsache, daß hier nur ein oder zwei voreingestellte Werte abgefühlt
werden sollen, beispielsweise auch aus einem Drehstab bestehen kann, der beispielsweise
die Welle 33 ersetzt, während ein an der Welle 33 angebrahter Hebel ein oder zwei
in ihrer Lage verstellbare Endschalter betätigt. Es ist auch möglich, den Schwenkträger
direkt abzufedern und daran die Druckmeß- oder -schalteinrichtungen anzubringen.
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Es ist ferner eine Drehwinkel-Meßeinrichtung 36 vorgesehen, die über
eine 2wischenübertragung mit Zahnrädern 37 und 38 auf einer Welle 39 die Drehung
des Zahnrades 28 auf ein Zahnrad 40 überträgt, das auf einer Welle 41 sitzt, auf
der eine Impulsscheibe 42 befestigt ist. Die Impulsscheibe besteht im vorliegenden
Beispiel aus einer Metallscheibe, die schmale radial verlaufende Schlitze 43 besitzt,
die in relativ engem Winkelabstand um die Scheibe herum angeordnet sind. Diese Schlitze
liegen im Bereich des Mauls eines elektrischen Impulsgebers 50, der beim Durchgang
jedes Schlitzes ein bzw. zwei Impulse abgibt. Ein solcher Impulsgeber kann induktiv,
kapazitiv oder photoelektrisch arbeiten. Bei entsprechender Ausbildung der Impulsscheibe
sind auch magnetisch/elektrische und andere Impulsgeber bekannter Art verwendbar.
Da von dem Zahnrad 28
zur Impulsscheibe 42 eine Übersetzung ins
Schnelle erfolgt, kann jeder Impuls einem relativ kleinen Drehwinkel der Welle 27
entsprechen.
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Die Welle 27, die die Schrauberspindel bildet, besitzt eine iängsverschiebeeinrichtung
44, die beispielsweise mit Längsverzahnungen 45 auf der Welle und einer entsprechend
ausgebildeten Hülse arbeiten kann. In einen Adapter am unteren Teil der Schrauberspindel
27 ist das Schraubwerkzeug 46 eingesetzt, im vorliegenden Fall ein Innensechskantschlüssel.
Dieser greift in den Kopf einer Innensechskantschraube 47 ein, die in ein Werkstück
48 eingeschraubt werden soll.
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Zu dem Drehmoment-Schrauber gehört noch ein elektrisches bzw. elektronisches
Steuergerät 49, das seine Signale von der Druckmeßdose 35 und dem Impulsgeber 50
bekommt und Ausgangssignale an die Kupplungen 15, 16 und 21 abgibt. Es sei noch
bemerkt, daß zur Vereinfachung der Darstellung in der Zeichnung der Rahmen bzw.
das Gehäuse des Schraubers nicht dargestellt ist, sondern nur die am Gehäuse angebrachten
Lagerungen schematisch angedeutet sind.
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Die Wirkungsweise des Drehmoment-Schraubers nach der Erfindung ist
wie folgt: Der Motor 11 treibt die Welle 13 mit dem langsamen Schraubgang und die
Welle 14 mit dem Eilgang an. Zu Beginn des Schraubvorganges, d.h. nachdem der Schrauber
in üblicher Weise von einer nicht dargestellten Andrückvorrichtung an das Werkstück
herangefahren wurde und das Schraubwerkzeug 46 die Schraube gefaßt hat, ist die
Kupplung 16 geschlossen und die Kupplung 15 geöffnet. Die Welle 20 wird also über
die
Zahnräder 18, 19 im Eilgang mit relativ hoher Drehzahl angetrieben. Die Kupplung
21 ist geschlossen, so daß die Schrauberspindel 27 über das Getriebeelement, d.h.
die Zahnräder 23, 30, die Zwischenwelle 29 und die Zahnräder 31, 28 gedreht wird.
Dadurch wird die Schraube 47 relativ schnell in das + stück 48 eingeschraubt.
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Das dazu aufzuwendende Drehmoment erzeugt eine Reaktionskraft im Getriebeelement
24, das den Schwenkträger 26 zu drehen sucht. Dabei wird über das Zahnsegment 51
auf dem Schwenkträger, das Zahnrad 32, die Welle 33 und den Hebel 34 diese Reaktionskraft
auf die Druckdose 35 übertragen, die den Schwenkträger 26, ggf.
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nach einem gewissen Winkelausschlag, abstützt.
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Wenn nun die Schraube ihrem Einschrauben einen größeren Widerstand
entgegensetzt, was meist der Fall sein wird, wenn die freie Gewindelänge eingeschraubt
ist und sie zur Anlage an dem Werkstück kommt, dann steigt das in Form des Druckes
auf der Druckmeßdose gemessene Drehmoment an und überschreitet einen ersten, am
Steuergerät 49 eingestellten Grenzwert. Das Steuergerät 49 erzeugt daraufhin ein
Ausgangssignal, das die Kupplung 16 löst und die Kupplung 15 einschaltet, so daß
nunmehr der langsame Schraubgang eingeschaltet ist. Die Kupplung 21 bleibt geschlossen,
eo daß nun über den beschriebenen Getriebezug die Schrauberepindel 27 mit geringer
Drehzahl und entsprechend großem Drehmoment die Schraube 47 festzieht. Da sie bereits
zur Anlage 81 Werkstück gebracht wurde, werden das meist nur Bruchteile einer Umdrehung
oder wenige Umdrehungen sein. Beim Erreichen des eingestellten Anzugs-Drehmoment
es wird der zweite am Steuergerät eingestellte Grenzwert des Signals der DruckmeBdo8e
35
überschritten und die Kupplung 21 kann nun gelöst werden, so daß die Schrauberspindel
27 stehenbleibt.
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Besonders vorteilhaft jst es möglich, durch Benutzung der Drehwinkelmeßeinrjaltung
36 die Schraube 47 um einen bestimmten Drehwinkel nachzuziehen, wenn ihr eingestelltes
Anzugsdrehmoment bereits erreicht ist. In diesem Falle löst die Überschreitung des
Anzugsdrehmoment-Grenzwertes nicht sofort die Öffnung der Kupplung 21 aus, sondern
es wird noch eine bestimmte Anzahl von Impulsen des Impulsgebers 50 abgewartet,bis
die Kupplung öffnet. Diese Impulsanzahl entsprtht dem gewünschten Drehwinkel.
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Anstelle des beschriebenen Drehwinkel-Meßgerätes kann auch ein beliebiges
anderes kontinuierlich arbeitendes Winkelmeßgerät verwendet werden, das in einem
Steuergerät verwertbare Signale abgibt.
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Die beschriebene Einrichtung ermöglicht es auch, gewisse Signal-,
Prüf- und Sicherheitsgeräte anzuschließen, die insbesondere in automatischen Fertigungsstraßen
erwünscht sind. So kann beispielsweise die Tatsache, daß nach einer bestimmten Zeit
oder zumindest vor dem Wiederausfahren der Schraubeinrichtung das Anzugsdrehmoment
nicht erreicht ist, ein Ausschuß- oder Warnsignal auslösen oder evtl. die gesamte
Anlage stillsetzen. Dies würde nämlich bedeuten, daß die Schraube nicht gefaßt hat,
gebrochen ist oder leer durchdreht. Ebenso könnte beispielsweise die Überschreitung
einer bestimmten Impulszahl beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Drehmomentgrenzwert
auf gewisse Paßungenauigkeiten hinweisen und entsprechend verwertet werden.
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In der Zeichnung ist ein Schrauber dargestellt, bei dem der Antriebsmotor
11 und das Getriebe 12 nur einem Schrauber zugeordnet ist. Durch die schematische
Darstellung erscheint der eigentliche Schrauber, der in der Zeichnung unterhalb
der Ebene der Zahnräder 17, 18, 19 beginnt, relativ voluminds.
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In der Praxis kann er allerdings mit relativ geringem Durchmeser hergestellt
werden, da nur zum Zwecke der besseren Darstellung alle Getriebeelemente in eine
Ebene gelegt wurden0 Somit ergibt sich ein sehr kompakter Schrauber. Dagegen nimmt
der Motor 11 und das Getriebe 12 normalerweise einen größeren Platz ein. Bei Mehrfachschraubern
kann nun ein Motor für zahlreiche angeschlossene Schrauber verwendet werden, beispielsweise
für 8 Schrauber, die 8 Schrauben eines Flansches gleichzeitig anziehen. Die Verzweigung
über Stirnräder o. dgl.
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kann nun in verschiedenen Ebenen erfolgen, entweder zwischen Motor
11 und Getriebe 12 oder vorzugsweise zwischen dem Getriebe 12 und den Kupplungen
15, 16. Eine weitere Ersparnis an Bauvolumen und -aufwand ergibt sich, wenn die
Verteilung erst in der Ebene der Zahnräder 17, 18, 19 erfolgt. In diesem Falle müßte
das Steuergerät so geschaltet sein, daß die Umschaltung vom Eilgang auf den Schraubgang
für alle Schrauber gemeinsam erfolgt, und zwar vorzugsweise dann, wenn am ersten
Schrauber der erste Umschalt-Drehmoment-Grenzwert erreicht ist.
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Eine wesentliche Verlängerung der Schraubzeit ergibt sich dadurch
nicht, da ohnehin bei Mehrfachschraubern abgewartet werden muß, bis die letzte Schraube
angezogen ist. Das Signal, das die Kupplung 21 bei dem letzten der Mehrfachschrauber
öffnet, kann dann die Rückzieheinrichtung für die gesamte Schraubereinheit auslösen.
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Von dem beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel sind zahlreiche
Abwandlungen möglich. So können beispielsweise
statt dem Antrieb
von einem gemeinsamen Motor 11 über ein Getriebe 12 zwei verschiedene Motoren für
Eil- und Schraubgang verwendet werden. Die Kupplungen können auch als pneumatische
oder hydraulisch betätigte Kupplungen ausgebildet sein. Dementsprechend wird das
Steuergerät dann zumindest teilweise pneumatisch oder hydraulisch arbeiten. Die
Drehwinkel-Meßeinrichtung könnte beispielsweise auch unmittelbar auf der Schrauberspindel,
der Welle 22 oder 29 angeordnet sein. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß der Motor
wesentlich stärker ausgelegt sein kann als das Produkt aus Anzugsdrehmoment und
Drehzahl es erfordert. Dadurch werden die Schrauben sehr schnell angezogen und die
Drehmoment-Begrenzung erfolgt nicht durch ein "schleichendes" Heranfahren an einen
bestimmten Wert, sondern durch ein Anziehen mit großem Überschußdrehmoment und durch
genaues Abschalten am Punkte des vorgewählten Drehmoment es bzw. nach dem vorgewählten
Nachziehen der Schraube.