DE2804880C2 - Kraftbetriebenes Werkzeug - Google Patents

Description

— dieses Werkzeug mit einer Torsionsmeßeinrichtung (22,72,74,78,80) versehen ist zum Ermitteln der beim Ausüben des Drehmomentes auf das Werkstück (Schraubverbindung) an den Antriebs- und Übertragungsmitteln auftretenden Verwindung (Torsion),

— einen Kompensator (114) aufweist zum gegeneinander Ausgleichen der von der Torsionsmeßeinrichtung ermittelten Verwindung in Abhängigkeit vom von der Drehmomentmeßeinrichtung gemessenen, auf das Werkstück ausgeübten Drehmoment und der Torsionssteifigkeit der das Drehmoment übertragenden Antriebsund Übertragungsmittel (12, 14, 16, 18, 20, 40, 42,46,48).

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs- und Übertragungsmittel einen Motor (20), eine Antriebswelle (28) zur lösbaren Verbindung mit einem Werkstück und ein Übersetzungsgetriebe (18) mit einem Übersetzungsverhältnis > 1 zwischen Motor (20) und Antriebswelle (28) aufweisen.

3. Kraftbetriebenes Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis mindestens 10 beträgt.

4. Kraftbetriebenes Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsmeßeinrichtung (22, 72, 74, 78, 80) eine mit Schlitzen (78) versehene Kodierscheibe (72) und eine Sonde (80) zum Feststellen der Winkeldrehung des Motors (20) aufweist.

5. Kraftbetriebenes Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (114) einen Multiplizierer (116) zum Multiplizieren des Ausgangssignals eines Drehmomentwandlers (14) mit einer die Torsionssteifigkeit des Werkzeugs berücksichtigenden Konstante, einen Zähler (124) zum Zählen der von der Sonde (80) abgegebenen Impulse, einen D/A-Wandler (128) zur Erzeugung eines die Anzahl der Impulse entsprechenden Analogsignals, einen Subtrahierer (122) zum Subtrahieren des Ausgangssignals des Multiplizierers (116) von dem Ausgangssignal des D/A-Wandlers (128) und einen Komparator (134), der die vom Subtrahieren (122) gebildete Differenz mit einem gewünschten Drehwinkel vergleicht, aufweist.

6. Kraftbetriebenes Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator auf eine Magnetspule (110) wirkt, die ein das Drehmoment auf die Antriebswelle (28) bestimmendes Kugelventil (92) steuert.

Die Erfindung betrifft ein kraftbetriebenes Werkzeug nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Es sind kraftbetriebene Werkzeuge bekannt, mitteis derer Schraubverbindungen so fest angezogen werden sollen, daß die Fließgrenze gerade erreicht, nicht aber überschritten wird, in dem die Schraubverbindung angezogen wird, bis ein bestimmter Drehmomeniwert erreicht ist und sodann die Drehung des Befestigungsmittels um einen vorgegebenen Winkel fortgesetzt wird.

ίο Bei derartigen kraftbetriebenen Werkzeugen stellt sich jedoch das Problem, daß die Verwindung an den Antriebs- und Übertragungsmitteln eine Funktion des auf das Werkstück aufgebrachten Drehmomentes und der Torsionssteifigkeit der Antriebs- und Übertragungsmittel ist, so daß der tatsächlich bewirkte Drehwinkel des Befestigungsmittels nicht dem gewünschten Drehwinkel entspricht.

Aus der DE-OS 23 23 123 ist ein gattungsgemäßes kraftbetriebenes Werkzeug bekannt, bei dem unter Zugrundelegung einer typischen Drehwinkel-Drehmoment-Charakteristik ein solches Drehmoment auf das Befestigungselement aufgebracht wird, bei dem die Fließgrenze des Befestigungsmittels gerade erreicht werden soll. Bei dieser Vorrichtung aber ist wegen der unterschiedlichen Drehmoment-Drehwinkel-Charakteristik und wegen der Reibung zwischen Werkzeug und Befestigungsmittel das Erreichen der Flisßgrenze bzw. das Nichlüberschreiten der Fließgrenze nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kraftbetriebenes Werkzeug dieser Art zu schaffen, welches ein Verdrehen des Befestigungsmittels um den gewünschten Drehwinkel unabhängig von der Torsionssteifigkeit des das Drehmoment übertragenden Antriebs- und Übertragungsmittels gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung im einzelnen erläutert Dabei zeigt
F i g. 1 ein erfindungsgemäßes kraltbetriebenes Werkzeug in teilweise geschnittener Seitenansicht;

F i g. 2 eine Endansicht des in F i g. 1 gezeigten Werkzeugs und

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Kompensator zum gegeneinander Aus-

gleichen der von der Torsionsmeßeinrichtung ermittelten Verwindung.

In den F i g. 1 und 2 ist ein kraftbetriebenes Werkzeug dargestellt, das als Hauptbestandteile eine Befestigungskupplung 12, einen Drehmomentwandler 14, ein

Gehäuse 16 mit einer Zahnradübersetzung 18 und einem Druckluftmotor 20, einen Winkelleser 22 und eine Luftsteuereinheit 24 aufweist.

Die Befestigungskupplung hat ein Gehäuse 26, das eine drehbare Antriebswelle 28 aufnimmt, die an ihrem freiem Ende ein Verbindungsstück zur Aufnahme einer Kupplung, wie beispielsweise eine Stecköse, einen Schraubenzieher oder andere drehmomentübertragende Verbindungen zum lösbaren Verbinden eines Antriebs mit einem Befestigungs- oder Werkstück, besitzt.

Die Antriebswelle 28 erstreckt sich durch den Drehmomentwandler 14, der von bekannter Art sein kann, jedoch verläßliche Drehmomentwerte liefern muß. Ein geeigneter Drehmomentwandler 14 besitzt einen Deh-

nungsmesser, der direkt an der Antriebswelle 28 mit geeigneten Übertragungseinrichtungen 30 am Gehäuse befestigt ist Eine elektrische Leitung 32 erstreckt sich vom Drehmomentwandler 14 zu geeigneten (nicht gezeigten) Leseeinrichtungen oder zum Schaltkreis der Fig. 3, der weiter unten ausführlicher erklärt wird.

Das angetriebene Ende der Antriebswelle 28 erstreckt sich durch einen Ansatz 34 und eine Zwischenwand 36 in eine Ausnehmung in dem Gehäuse 16. Eine Kupplung 40 verbindet die Antriebswelle 28 mit einer Welle 42, die einen Teil des Übersetzungsgetriebes 18 enthält Die Kupplung 40 ist in herkömmlicher Weise an einem Ende mit Keilnuten versehen, um entsprechende Keilnuten der Welle 28 aufzunehmen und besitzt eine polygonale Ausnehmung am entgegengesetzten Ende, um ein ähnlich geformtes Ende der Welle 42 aufzunehmen. Die Welle 42 ist im Gehäuse 16 mittels geeigneter Lager drehbar gelagert.

Das Übersetzungsgetriebe 18 kann von beliebiger, geeigneter Art sein, es ist als Planetengetriebe mit einem Eingang 46 dargestellt Das Übersetzungsverhältnis, das durch das Übersetzungsgetriebe 18 erreicht wird, liegt bei 10 :1 und vorzugsweise in der Größenordnung von 20 bis 50 :1.

Der Motor ist als Flügelmotor mit einem Ausgang 48 dargestellt der antreibend mit dem Eingang 46 des Übersetzungsgetriebes verbunden ist. Der Ausgang 48 des Motors 20 ist in einer Endplatte des Motors 20 angeordnet die geeignete Lager 52 zur Montage des Motorausgangs 48 aufweist. Das entgegengesetzte Ende des Motors 20 hat eine Stummelwelle 54, die durch geeignete Lager 56 in der Motorendplatte 58 drehbar gelagert ist Ein Dichtungsblock 60 erstreckt sich über das Ende der Welle 54 und ist relativ zu dieser durch einen geeigneten O-Ring62 abgedichtet. Wie im folgenden ausführlicher dargestellt wird, sitzt der Dichtungsblock 60 an einem Luftdurchgang 64, der zum Motor 20 führt, wobei die Entlüftung durch einen gebogenen Schlitz 66 im Gehäuse 16 erfolgt. Wie üblich ist der Schlitz 66 durch ein luftdurchlässiges Teil 68 geschlossen.

An das Ende des Gehäuses 16 ist durch geeignete Mittel, wie Bolzen oder ähnlichem ein Gehäuse 70 angehängt, das den Winkelfühler oder Winkelleser 22 und die Luftsteuereinheit 24 trägt. Obwohl der Winkelleser 22 von beliebiger geeigneter Art sein kann, ist er als in der Nähe der Radiofrequenz arbeitender Typ dargestellt. Winkelleser dieser Art besitzen eine Kodierscheibe 72, die in eine Ausnehmung 74 zwischen dem Gehäuse 70 und dem Dichtungsblock 60 angeordnet ist. Die Kodierscheibe 72 ist durch die Verwendung zusätzlicher Splinte od. dgl. am Ende der Motorwelle 54 angebracht und durch eine geeignete Verbindung 76 gehalten. Die Kodierscheibe besteht aus Metall und hat auf ihrem Umfang eine Vielzahl, beispielsweise sechs, Schlitze 78 mit gleichem Abstand zueinander, die mit einer Radiofrequenz-Sonde 80 zusammenwirken. Die Sonde 80 ermittelt im wesentlichen das Passieren der Schlitze 78 und liefert einen gepulsten Ausgang im Ansprechen auf das Passieren eines Schlitzes in unmittelbarer Nähe zu dem Ende der Sonde 80. Die Sonde 80 ist im Gehäuse 70 in einem Durchgang 82 mit einem Satz Schrauben 84 befestigt, die sich senkrecht zur Sonde 80 in das Gehäuse 70 erstrecken, um die Sonde 80 in Position zu halten. Eine geeignete elektrische Leitung 86 führt aus dem Gehäuse 70 zu geeigneten Ausleseeinrichtungen, die im folgenden noch erläutert werden.

Bei einer Ausführungsfoim des Werkzeuges 10 beträgt das Übersetzungsverhältnis des Obersetzungsgetriebes 18 ungefähr 37 :1. Bei dieser Vorrichtung beträgt die Winkelauflösung !,6^C. Es ist offensichtlich, daß in einem optischen Winkelfühler die Zahl der fühlbaren Stellen auf der Scheibe 72 wesentlich größer sein kann, wodurch die Auflösung wesentlich erhöht wird.

Die Luftsteuereinheit 24 hat einen Einlaß 88, der sich in eine Ausnehmung 90 öffnet die ein Kugelventil 92 enthält das durch eine Feder 94 gegen einen Ventilsitz

ίο gedruckt wird, der durch ein Abschluß teil 98 gehalten wird, das in eine Ausnehmung 100 des Gehäuses 70 eingesetzt ist Das Abschlußteil 98 besitzt einen Längsdurchgang 102 und einen durchsetzenden Querdurchgang 104, der zu einer Luftdurchführung 106 im Gehäuse 70 führt. Die Durchführung 106 kommuniziert schließlich mit dem Durchgang 64, um Druckluft zum Flügelmotor 20 zu leiten, wenn das Kugelventil 92 unter dem Einfluß eines Stabes 108 in Abstand vom Ventilsitz 96 gehalten wird. Der Stab 108 ist der Ausgang eines Kolbenmagneten 110, der am Ende des Gehäuses 70 hängt und durch eine elektrische Leitung 112 anregbar ist.

Es ist ersichtlich, daß die Anregung des Kolbenmagneten 110 durch elektrischen Strom, der durch die Leitung 112 führt, bewirkt, daß der Ausgang 108 des Kolbenmagneten hervortritt und dabei das Kugelventil 92 aus dem Sitz; 96 ablöst Entsprechend tritt Luft unter Hochdruck in den Einlaß 88 und durch die Durchgänge 102,104,106,64 in den Flügelmotor 20. Die unter Hcchdruck stehende Luft dreht den Flügelmotor 20 und tritt durch das luftdurchlässige Teil 68 wieder aus. Die Drehung des Flügelmotors 20 bewirkt eine Drehung des Übersetzungsgetriebes 18, wodurch die Antriebswelle 28 angetrieben wird und derart ein Drehmoment auf ein Werkstück oder ein Befestigungsmittel ausübt.

Wie oben angedeutet, liegt die Torsion oder Verwindung in der Antriebsreihe vor dem Befestigungsmittel. Diese Verwindung bewirkt daher keine Drehung am Werkstück oder Befestigungsmittel. Diese Verwindung ist daher eine Funktion des ausgeübten Drehmoments und der Torsionssteifigkeit der Antriebsreihe und des Befestigungsmittels. Die unberücksichtigt zu lassende Verwindung a> kann ausgedrückt werden durch:

«, = ΩΤ.

Ω ist eine Konstante für jedes Werkstück, die die Torsionssteifigkeit der Antriebsreihe und des Befestigungsmittels berücksichtigt, und T ist das ausgeübte Drehmoment. Ein Wert für Ω kann üblicherweise unter Benutzung elementarer Mechanik oder bei schwierigeren Bedingungen empirisch bestimmt werden. Derart ist der tatsächliche Betrag der Winkeldrehung des Befestigungsmittels:

tXmsächlich = i*m — Λ₍. (2)

«m ist der durch die Sonde 80 oder den Fühler 22 ermittelte Winkel.

Im folgenden wird Bezug auf die F i g. 3 genommen. Dort ist eine technische Möglichkeit zum Ausgleichen der von der Torsionsmeßeinrichtung (22, 72, 74, 78,80) ermittelten Verwindung dargestellt. Ein Kompensator IK beinhaltet einen Multiplizierer 116, wie beispiels-

b5 weise einen Vier-Quadranten-Analog-Multiplizierer. Der Multiplizierer 116 ist mit der Leitung 32 des Drehmomentwandlers 14 verbunden. Ein Eingang 118 zum Multiplizierer 116 liefert üblicherweise die Zuführung

des Wertes für Ω. Der Ausgang aus dem Multiplizierer 116 liefert das Produkt ΩΤ, das in Übereinstimmung mit Gleichung (1) = a, ist. Der Wert für λ, erscheint auf einer elektrischen Leitung 120, die vom Multiplizierer 116 zu einem Subtrahierer 122 führt.

Die Impulssignale, die in der elektrischen Leitung 86 erscheinen, welche dem Ausgang des Winkellesers 22 entspricht, werden zu einem Zähler 124 geführt, der die Zahl der Impulse aufsummiert. Der Zähler 124 kann natürlich von jeder geeigneten Art sein. Ein digitales Signal, das den Wert der durch den Zähler 124 aufsummierten Impulse darstellt, wird der Leitung 126 zugeführt, die mit einem Digital-Analog-Wandler 128 irgendeiner geeigneten Art verbunden ist, der das digitale Signal in ein entsprechendes analoges Signal umwandelt, das einer Leitung 130 zugeführt wird, die mit dem Subtrahierer 122 verbunden ist. Der Subtrahierer 122 zieht den Wert λ, vom Gesamtwert der Impulse oder a,„ ab, der auf der Leitung 1310 auftritt. Der Ausgang des Subtrahierers 122 erscheint auf einer elektrischen Leitung 132 und stellt den tatsächlichen Wert α,,,,,./,·«*./, dar. Die Leitung 132 ist mit einem Komperator 134 verbunden, der einen Eingang 136 besitzt, welcher ein Signal führt, das den gewünschten Drehwinkel für das Befestigungsmittel oder »gewünscht darstellt. Wenn der Wert von «uisächikii gleich dem Wert von /Xgcwunschi ist, schaltet der Komperator 134 die Magnetspule 110 ab, was dem Kugelventil 92 erlaubt, wieder gegen den Sitz 96 zu schließen, wodurch der Rotationsvorschub der Antriebswelle 28 erhalten wird.

Der Kompensator 114 bewirkt derart eine Korrektur des gemessenen Drehwinkels der Antriebswelle 98 in einen korrigierten Wert bewirkt, der den tatsächlichen Drehwinkel des Befestigungsmittels darstellt. Der Schaltkreis der F i g. 3 ist entsprechend verwendbar bei Verfahren zum Anziehen von Muttern und von Verfahren zum Anziehen von Muttern durch das Aufbringen eines Drehmoments, wie sie in dem Artikel »Electronic Torque Controls Set Fasteners Tension« in Assembly Engineering, September 1974, S. 42 bis 45, dargestellt sind.

Die erfindungsgemäße Kompensationstechnik ist auch nützlich in Verbindung mit einer Befestigungsmethode, wie sie in der Zeitschrift »Design Engineering«, (London), Januar 1975, auf den Seiten 21 bis 23 und 25, 27 sowie 29 beschrieben ist. Dieses Verfahren beruht grundlegend auf der Feststellung der Fließgrenze und dem Anhalten der Befestigungsdrehung im Ansprechen darauf. Die Fließgrenze wird festgestellt durch Vergleich von Drehmoment-Zusatzwerten über ziemlich enge Winkelabschnitte. Wenn das Verhältnis der letzten gerechneten Drehmomentrate zu einer vorherberechneten Drehmomentrate einen bestimmten Wert erreicht, wird der Schluß gezogen, daß der Fließpunkt oder die Fließgrenze erreicht wurde, und entsprechend die Befestigungsdrehung angehalten. Eine Zweipunktmessungs-Drehmomentrate zwischen zwei Punkten ist:

te Wert von TR_n, durch diese Verwindung beeinträchtigt wird. Es kann gezeigt werden, daß ein korrekter 77?-Wert 77?_A(,_rri.n, lautet:

TRnumki - 7:

TR_n

+ (TRJl

Gewünschtenfalls ist eine sehr gute Näherung für 77?*,,,-.

\-(TR_1n)),

wobei (TR_n,) sehr klein ist. Derart seilte bei Techniken in Übereinstimmung mit der Methode nach der Zeitschrift »Design Engineering« das zu vergleichende Verhältnis nicht das Verhältnis der gemessenen Drehmomenirate, sondern das Verhältnis der tatsächlichen oder korrigierten Drehmomentraten sein, das die Effekte von Verwindung der Werk?:eug-Antriebsreihe und des Befestigungsmittels ausschaltet.

Eine andere Befestigungsmethode, bei der die Erfindung anwendbar ist, benutzt die Befestigungsspannungsrate, d. h., das Anwachsen in der Spannung im Befestigungsmittel pro Einheit des Schraubwinkelvorschubes. Bei dieser Technik weicht der empirisch bestimmte Wert für die Spannungsrate FR_n, von einer korrigierten Spannungsrate FR,_mr. als Funktion des angewandten Drehmoments ab, Es kann gezeigt werden, daß in sehr guter Näherung für die korrigierte oder tatsächliche Spannungsrate F/fjugüt:

wobei TR_n, der gemessene Wert der Drehmomentrate über im wesentlichen die gleiche Winkelspannung wie die angewandte Spannungsrate ist. Wenn der korrigierte Wert der Spaniiungsrate FRkor bei Berechnungen zur Bestimmung der tatsächlich im Herstellungsbefestigungsmittel auftretenden Spannungen benutzt wird, kann die Berechnung unter Verwendung der offensichtlichen Spannungsrate FR_on kompensiert werden. Eine sehr gute Näherung für die offensichtliche Spannungsrate FRuffhx:

FRorr=

l-(TR_n,)).

T₂-T₁

ml-ml'

(3)

60

wobei 7} der gemessene Drehmomentwert am zweiten Punkt, T\ der gemessene Wert am ersten Punkt, m 2 der gemessene Drehwinkel am zweiten Punkt und m 1 der gemessene Drehwinkel am ersten Punkt ist Da die gemessenen Werte von m2 und m 1 durch die Torsionsverwindung der Antriebswelle und des Befestigungsmittels beeinflußt ist, ist es offensichtlich, daß der berechne- Es ist daher offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Technik oder die erfindungsgemäße Vorrichtung in vielen verschiedenen Elefestigungsverfahren benutzt werden können, die eine genaue Bestimmung des Winkels des Drehvorschutis des Befestigungsmittels verlangen. Obwohl der dargestellte Schaltkreis der F i g. i im wesentlichen eine Analog-Einrichtung bildet, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß die gleiche Schaltungsoperation durch Digitalumwandlung bzw. -berechnungen durchführbar ist. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Schaltung oder die erfindungsgemäße Vergleichtechnik zur Beobachtung von Befestigungen, im Gegensatz zum Steuern von Befestigungen, benutzt werden, indem lediglich der Wert x_tauSci,ikh aus der Leitung 132 ausgegeben! wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Kraftbetriebenes Werkzeug, insbesondere Schrauber, mit Antriebs- und Übertragungsmitteln (Motor, Getriebe, Kupplung o. dgL) zum Übertragen eines Drehmomentes auf ein Werkstück (Schraubverbindung) sowie mit einer Drehmomentmeßeinrichtung (14, 30, 32) zum Feststellen des auf das Werkstück (Schraubverbindung) ausgeübten Drehmomentes, dadurchgekennzeichnet, daß