DE3012734C2

DE3012734C2 -

Info

Publication number: DE3012734C2
Application number: DE3012734A
Authority: DE
Inventors: Ian E. Dublin Ie Kibblewhite; John T. Prof. Birkenhead Nz Boys; Angelo L. Manor Kilbride Wicklow Ie Tambini
Original assignee: SPS TECHNOLOGIES Inc JENKINTOWN PA US
Current assignee: SPS TECHNOLOGIES Inc JENKINTOWN PA US
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1980-04-01
Publication date: 1989-03-16
Also published as: CA1155525A; IT8048337A0; JPS55164483A; ES497818A0; GB2048494A; ZA801998B; DE3012734A1; AU533695B2; SE8002505L; GB2048494B; ES490267A0; US4316512A; ES8204633A1; AU5719980A; FR2452997B1; SE458181B; BR8001997A; FR2452997A1; MX151493A; ES8104933A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschaltvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-OS 26 22 053 bekannten Abschaltvorrichtung dieser Art, die nach dem Streckgrenzverfahren arbeitet, d. h., das Anziehen einer Schraubverbindung abbricht, sobald in der Schraubverbindung die Streckgrenze oder eine ähnliche signifikante Belastung erreicht ist, wird in der Meßeinrichtung das Drehmoment überwacht, und über mit zunehmendem Anziehen der Schraubverbindung stärker werdende Verzögerungssignale, die aus der zunehmenden Drehhemmung der Schraube resultieren, die Streckgrenze ermittelt. Die bekannte Abschaltvorrichtung arbeitet bei bestimmten Anwendungsfällen nicht zufriedenstellend.

Bei einer aus der DE-OS 27 13 099 bekannten Abschaltvorrichtung für einen nicht nach dem Schlagschraub-Prinzip arbeitenden Schrauber wird zum Aufsuchen der Streckgrenze in der Schraubverbindung durch Einhaltung entsprechender Randbedingungen, z. B. der Motorkennlinie, eine lineare Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehgeschwindigkeit erzeugt und anstelle des Drehmoments die Drehgeschwindigkeit gemessen. Die Meßeinrichtung enthält dafür einen Inkrementalgeber und einen Oszillator. Die Übertragung des von nicht nach dem Schlagschraubprinzip arbeitenden Schraubern bekannten Prinzips zum Aufsuchen der Streckgrenze einer Schraubverbindung auf die Abschaltvorrichtung eines Schlagschraubers ist nicht ohne weiteres möglich, weil aus dem intermittierenden Arbeiten des Schlagschraubers und den periodisch auftretenden Rückprallkräften Störfaktoren resultieren, die die Ermittlung korrekter Drehmomentwerte verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abschaltvorrichtung der eingangs genannten Art für einen Schlagschrauber zu schaffen, die eine einfachere und für eine Vielzahl unterschiedlicher Schraubverbindungen zuverlässige Drehmomenterfassung ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dieser Ausbildung wird mittels des Zeitintervalls für den Durchlauf einer bestimmten Anzahl von Winkelinkrementen ein Schätzwert für das durch den Schlagschrauber ausgeübte Drehmoment benutzt, womit der störende Einfluß der Anziehschläge und des Rückpralleffekts in seiner Auswirkung auf das Aufsuchen der Streckgrenze der Schraubverbindung weitgehend ausgeschaltet wird. Dadurch läßt sich eine große Zahl von Schraubverbindungen unterschiedlicher Art mit nur minimalen Vorkenntnissen über die Charakteristika der Schraubverbindung exakt bis zum Erreichen der Streckgrenze anziehen.

Zweckmäßige Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, eines Schlagschrau bers,

Fig. 2 eine Hinter-Ansicht des Schlag schraubers nach Fig. 1, ohne Deckel,

Fig. 3 eine Draufsicht zu Fig. 1,

Fig. 4a-4d Ansichten eines Details aus Fig. 1 und 2 bei verschiedenen Bewegungszuständen,

Fig. 5 ein Blockdiagramm des Steuersystems für den Schlagschrauber nach Fig. 1,

Fig. 6a das Steuersystem von Fig. 5 bei Vorwärts-Drehung,

Fig. 6b ein Detail zur Erläuterung des Auflösungsvermögens des Steuersystems bei Vorwärts-Drehung,

Fig. 6c Signalkurven zu Fig. 6a,

Fig. 7 ein detaillierteres Blockdiagramm zu Fig. 5,

Fig. 7a einen in Fig. 7 schematisch dargestellten Block im Detail,

Fig. 7b Signalkurven zu Fig. 7,

Fig. 7c eine Detail-Darstellung der in Fig. 7 angedeuteten Zeitsteuerlogik,

Fig. 8 ein Diagramm der Parameter Zeit/Drehwinkel in Vorwärtsrichtung über dem Winkel, und

Fig. 9 ein Diagramm Drehmomentschätzung/Winkel.

Herkömmliche Schlagschrauber arbeiten nach folgendem Funktionsprinzip: Ein periodisch erfolgender Aufbau von kinetischer Energie in Form einer Serie von Dreh-Schlagimpulsen wird freigegeben und beispielsweise auf eine Schraube und/oder Mutter übertragen. Damit können beträchtliche Aufschlagkräfte mit geringem reaktiven Drehmoment erzeugt werden. Pneumatisch an getriebene Schlagschrauber weisen einen Luftmotor mit Flügeln und einen Hammer/Amboß-Mechanismus auf. Wenn der Luftmotor eine ausreichende Drehzahl er reicht, schlägt der auf der Motorwelle vorgesehene Hammer mit hohem Trägheitsmoment auf den Amboß der Antriebswelle des Schlagschraubers. Die Energie des Schlages wird

(a) in Folge der Matrialdämpfung und der Reibung abgeleitet und "vernichtet", also in Wärmeenergie umgewandelt,
(b) als potentielle Energie in den Elastizitäten des Schlag mechanismus, der Antriebswelle des Schlagschrau bers und der Kopplung mit dem Befestigungsele ment gespeichert, und
(c) auf das Befestigungselement übertragen und in Arbeit für das Anziehen des Befestigungselementes umgewandelt.

Der Hammer kommt dann außer Eingriff mit dem Abmoß, und der Motor beschleunigt über eine vollständige Umdrehung, bevor der nächste Schlag ausgeübt wird. Obwohl die mei sten Schlagschrauber nur einen Schlag pro Umdrehung ausüben, gibt es einige Ausführungsformen, die mehr als einen Schlag pro Umdrehung des Motors erzeugen können.

Anders als bei einem Schraubersystem mit kontinuierli cher Wirkung, bei dem das ausgeübte Drehmoment mit einem die Beanspruchung feststellenden Reaktions-Drehmoment wandler gemessen werden kann, gibt es kein zweckmäßiges Verfahren, das von einem Schlagschrauber ausgeübte Dreh moment direkt zu messen. Deshalb ist es schwierig, das Anziehen mit Schlag schraubern exakt zu steuern. Wegen der diskontinuierlichen Schlagschrauber-Dynamik, die die kontinu ierliche Messung eines Parameters verhindert, beruht bisher die Steuerung meist auf der Begrenzung der auf das Befestigungselement übertragenen Energie und nicht auf der Messung von Aufschlagparametern zur Abschätzung des ausgeübten Drehmomentes. Es hat sich nun aber herausgestellt, daß als brauchbarer Parameter zur Schätzung des Drehmomentes eines Schlagschraubers der Drehwinkel der Befestigungsanordnung in Vorwärts richtung ist. Die Ableitung der Drehmoment-Schätzung beruht auf den folgenden drei Annahmen:

(a) Durch den Schlagmechanismus wird eine konstante Energie übertragen (d. h., der Luftmotor erreicht seine volle Drehzahl eine ausreichende Zeitspanne vor dem Aufprall);
(b) die potentielle Energie in den Elastizitäten der Wellen und Kupplungen ist gering; und
(c) die Zeitspanne zwischen den Schlägen ist näherungs weise konstant.

Die bei jedem Schlag auf den Amboß übertragene Energie (E) wird in Arbeit um gewandelt, die bei der Drehung der Schraube um einen Winkel (Δϕ) gegen ein mittleres Drehmoment (T) geleistet wird. Dann gilt

E = T Δ Φ

Da E als konstant angenommen wird, ergibt sich hieraus

Daraus folgt, daß das mittlere, während eines Schlages auf die Schraube ausgeübte Drehmoment umgekehrt proportional zu dem Winkel ist, um den die Schraube gedreht wird. Die Messung des Drehwinkels der Schraube pro Schlag ist zwar im Prinzip möglich, in der Praxis jedoch schwierig, weil Kodierer mit hoher Auflösung schwierig herzustellen sind, die relativ kleine Werte von ΔΦ (d. h., 2-3°) feststellen können; außerdem ist es schwierig, festzustellen, wann ein Schlag auf getreten ist. Es ist schwierig zwischen den tatsächlichen Drehungen, die aus Schlägen resultieren, und scheinbaren Drehungen zu unter scheiden, die auf leichte Bewegungen des handgehaltenen Schlagschraubers während des Anziehens zurückzuführen sind. Da angenommen wird, daß die Zeitspanne zwischen den Schlägen konstant ist, ist das ausgeübte mittlere Dreh moment umgekehrt proportional zur mittleren Anzugsgeschwindigkeit.

oder

Für die Messung der Zeit über ein vorgegebenes Winkelinter vall sind keine Kodierer mit hoher Auflösung erfor derlich; außerdem muß nicht mehr bestimmt werden, wann ein Schlag aufgetreten ist.

In den Fig. 1, 2, 3, 4a, 4b, 4c und 4d der Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Schlagschrau bers nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. In einem pneumatisch betriebenen Schlagschrauber 10 (Fig. 1) wird ein Hammer 12 periodisch auf einen Amboß 14 geschlagen, der drehbar in einem Schraubergehäuse 16 durch ein Lager 18 gehalten ist. Ein vorderes Ende 20 des Ambosses 14 weist einen mehreckigen Antriebsteil für eine Antriebs muffe oder ein Kupplungselement zum Anziehen einer Schraubverbindung (nicht dargestellt) auf. Der Hammer 12 ist mit einem Rotor 22 verbunden. Der Schlagschrauber 10 enthält einen Aus löser 24, um Druck-Luft in eine Einlaßöfnnung 26 ein dringen zu lassen.

Eine in zwei Richtungen bewegliche Schritt-Kodier-Scheibe 28 zur Messung der Winkeldrehung der Be festigungsanordnung sitzt auf einer Welle 30 am Amboß 14. Die Kodierscheibe hat eine relativ geringe Trägheit. Sie könnte an jeder anderen geeigneten Stelle im Schlag-Schrauber 10 angeordnet werden. Das Steuer-System sollte in der Lage sein, einen etwaigen Rückprall des Kodierers 28 festzustellen und zu ignorieren. Die Scheibe 28 weist Zähne 32 am äußeren Umfang auf, z. B. achtzehn Zähne, zwischen denen Winkel von 20° vorliegen. Zwei lichtemittierende Dioden (LED) 34 (von denen in Fig. 1 nur eine gezeigt ist) sind an einer Platte 36 gegenüber zwei Phototransistoren 38 befestigt, die an einer Platte 40 angebracht und über elektrisch leitende Abstandselemente 42 mit der Platte 26 gekoppelt sind. Die LED′s 34 und die Phototransistoren 38 sind z. B. in einem Winkelabstand von 45° vorgesehen, wodurch sich eine Winkelauflösung von 5° ergibt; alternativ könnten sie auch in Abständen jedes beliebigen, ungeradzahligen Vielfachen der Auflösungs- Gradzahl des Kodierers (d. h. 5°, 15°, 25°, 35°, 45°, 55° usw.) angeordnet werden. In diesem Aufbau werden zweiund siebzig Zählungen pro Umdrehung des Kodierers erzeugt. Statt optischen Winkel fühlern können auch andere, geeignete Näherungsfühler, z. B. magnetische Fühler mit einer Induktionsspule, deren Ausgangssignal sich in Abhängigkeit vom Vorhandensein oder vom Fehlen von Metall ändert, eingesetzt werden.

Das Steuersystem wird durch eine Batterie 44 hinter einem Deckel 46 gespeist.

Die elektronischen Komponenten sitzen auf Platten 52, die miteinander verschraubt und hinter einem Deckel 54 gegen Erschütterungen durch Erschütterungen absorbierendes Material 56 geschützt sind. Zum Steuersystem gehört ein Magnet- Auslöse-Ventil 58.

An einer Seite des Auslösers 24 ist ein Per manentmagnet 60 angebracht. Innen in einem Handgriff 62 ist ein Reed-Schalter 64 befestigt. Beim Drücken des Auslösers 24 wird Druckluft dem Luftmotor zugeführt und der Reed-Schalter 64 durch den Magneten 60 geschlossen, um das Steuersystem zu aktivieren.

Sechs Anzeige-LED′s in einer LED-Anzeige 66 an der Oberseite des Gehäuses sind farbcodiert und zeigen den Anzugs-Zustand und bestimmte Störzu stände an. Eine "LAUF" LED (orange) zeigt den Betrieb an. Eine OK-LED (grün) zeigt an, daß das Anziehen beendet ist und innerhalb vorher ausgewählter Spezifikatio nen liegt; eine "niedriger Winkel"-LED (rot) zeigt an, daß eine Streckgrenze bestimmt worden ist, aber ein minima ler, vorher ausgewählter Winkelwert nach dem Erreichen eines Passungspunktes überschritten worden ist, ohne daß eine Streckgrenze festgestellt wurde. Eine "niedrige An ziehgeschwindigkeit" LED (rot) zeigt an, daß nicht genügend Energie vorliegt, um die Schraube zu strecken (d. h., die Schraube hat entweder ihre Drehung beendet, oder dreht sich zu langsam, um das Steuersystem in Betrieb zu setzen. Schließlich zeigt eine "geringe Batteriespannung" LED (rot) an, daß die Batterie geladen werden muß.

Die Magnetventilanordnung 58 (Fig. 4a, 4b, 4c und 4d) enthält ein Solenoid-Ventil 300, ein Luftventil 302 und einen Auslösehebel 304, der durch eine Rückführfeder 306 in Ein griff mit einem Kolben 308 im Luftventil vorgespannt ist, um das Ventil offen zu halten. Eine Feder 310 in einem Gehäuse 312 drückt den Kolben 308 in die offene Stellung. Der Auslösehe bel 304 wird durch einen Kolben 314 betätigt.

Vor Betätigung des Schlag-Schraubers greift der Auslösehebel 304 in einen Ausschnitt 316 des Kolbens 308, der an seinem anderen Ende einen ver größerten Kopf 317 hat. Sobald der Auslöser 24 gedrückt wird, strömt Druckluft durch eine Auslaßöffnung 318 des Luftventils 302 zum Luftmotor. Gemäß Fig. 4c bewirkt der Druck eine nach oben gerichtete Kraft am Kopf 317. Der Kolben 308 bewegt sich gegen die Feder 310 und den Auslösehebel 304. Wenn das Steuersystem ein Signal erzeugt, das anzeigt, daß das Anziehen beendet ist, beispielsweise an der Streckgrenze, wird das Solenoid-Ventil 300 betätigt, wo durch der Kolben 314 den Auslösehebel 304 außer Eingriff mit dem Kolben 308 dreht. Da der Auslöser 24 noch gedrückt ist, überwindet der Luftdruck die Feder 310 und drückt den Kolben 308 gegen den Ventilkörper 312. Die Strömung zum Luftmotor wird unterbrochen (Fig. 4d). Der Auslöser 24 wird dann freigegeben. Der Kolben 308 wird durch die Feder 310 in die Lage gedrückt. Die Rückführfeder 306 dreht den Auslöse hebel 304 in den Ausschnitt 316 und in die Bereitschafts stellung für den nächsten Anziehvorgang (Fig. 4b).

Im Steuersystem (Fig. 5) werden die Signale der Phototransistoren 38 einer Fühlschaltung 66 für die Vorwärtsdrehung um 90° phasenverschoben zugeführt (Fig. 6a, 6b und 6c), die Winkelimpulse erzeugt, die die Drehwinkelscheibe der Abtriebs welle 20 in Vorwärtsrichtung bzw. den Dreh winkel der Befestigungsanordnung darstellen. Die Schrittimpulse speisen eine Schaltungsanordnung 68, die die Zeit für den Dreh winkel in Vorwärtsrichtung berechnet, und eine Schaltung 70, die die Streckgrenze der anzuziehenden Anord nung feststellt.

In der Schaltungsanordnung 68 (Fig. 7) werden Ausgangs signale erzeugt, deren Kurve in Fig. 8 dargestellt ist. Auf gund von Unstetigkeiten beim Schlag schrauben enthält diese einen hohen Rausch pegel, so daß die Sig nale so nicht für die Verarbeitung geeig net sind. Deshalb wird die Signalkurve in einem digitalen Filter 72 gefiltert, um die glattere, in Fig. 9 dargestellte Kurve zu erhalten. Diese Kurve wird in einer Schaltungsanordnung 70 zur Fest stellung der Streckgrenze verwendet. Sobald die Streckgrenze von der Schaltungsan ordnung 70 festgestellt ist, wird ein Abschalt-Signal für das Magnet- Ventil 58 erzeugt.

Die Fühlschaltung 66 gemäß Fig. 6a hat den Zweck, Impulse zu erzeugen, die Drehwinkel-Schritte des Befe stigungselementes in Vorwärtsrichtung darstellen. Der Bezugs punkt für die Winkelmessungen ist der handgehaltene Schlag schrauber. Die ungewollte Winkelbewegung des Schlag-Schraubers durch die Be dienungsperson ist im allgemeinen geringer als das Auflösungsvermögen des Kodie rers. Der Drehwinkel der Abtriebswelle stellt ein Maß für den Drehwinkel des Befestigungs elementes nur für die Dauer des Schlages dar. Zu allen ande ren Zeiten ist die Winkelmessung der Abtriebswelle Fehlern aufgrund des Rückpralls und der Rückkopplungen in den Kupp lungen zwischen der Abtriebswelle und der Befestigungsanord nung nach einem Schlag unterworfen. Damit stellt die maximale Winkelverschiebung der Antriebswelle in Vorwärtsrichtung den benötigten Drehwinkel in Vorwärts richtung dar.

Die Anordnung gemäß Fig. 6a, 6b, 6c hat eine Auflösung von 4° oder 5° und erzeugt Signale A und B (siehe Fig. 6c) entweder für die Vorwärts- oder für die Rückwärtsdrehung des Kodierers. Die Signale von Fühlern 38 A und 38 B werden durch geerdete Widerstände 74 bzw. 76 zwei Schmitt-Triggern 78 bzw. 80 zugeführt, die Signale C und D mit klar definierten Übergängen von den Signalen A und B erzeugen. Zwei Flip-Flops 82 und 84 vom D-Typ empfangen und speichern zeitweise die vorherigen Signalpegel von den Schmitt- Triggern 78 bzw. 80. Die Ausgangssignale der Flip-Flops 82 und 84 werden jeweils auf einen Eingang von Exklusiv-ODER-Gliedern 86 bzw. 88 gegeben. Das zweite Eingangssignal für das Glied 86 kommt von dem Schmitt-Trig ger 80, während das zweite Eingangssignal zu dem Glied 88 von dem Schmitt-Trigger 78 kommt. Die Ausgangssignale der Glieder 86 und 88 werden jeweils auf Inverter 90 bzw. 92 und auf einen Eingang von NOR-Gliedern 96 bzw. 94 geführt. Die anderen Eingangssignale zu den Gliedern 94 und 96 kommen von den Invertern 90 bzw. 92. Auf diese Weise werden die in den Flip-Flops 82 und 84 gespeicherten Signale mit den ankommenden Signalen C und D für die Flip-Flops 84 bzw. 82 verglichen, so daß die Signale E oder F von den NOR-Gliedern 94 bzw. 96 jeweils für einen Schritt in Vorwärtsrichtung bzw. in umgekehrter Richtung von einem logischen Pegel Null auf einen logischen Pegel 1 gehen. Diese Änderungen der Signalpegel werden dazu verwendet, die Flip-Flops 82 und 84 so zu takten, daß sie dann die gerade vorhandenen Signalpegel von den Schmitt-Triggern 87 bzw. 80 speichern und bereit sind für die nächste Signaländerung. Wenn die Flip-Flops 82 und 84 taktgesteuert werden, ändert sich der Signalpegel bei P oder F zurück auf das logische Signal Null. Die Pulslänge der Signale E und F wird durch die Verzögerung bei der Taktsteuerung der selbst haltenden Schaltungen bestimmt und wird durch Einführung der Ausgangssignale der NOR-Glieder 94 und 96 zu den Ein gängen eines ODER-Gliedes 98 gesteuert, dessen Ausgangs signal den Flip-Flops 82 und 84 durch eine Schaltungsanordnung 100 mit geerdetem Widerstand/Kondensa tor zugeführt wird, die eine Zeitkonstante liefert.

Ein Vorwärts/Rückwärts-Zähler 102 speichert Signale für die maximale Winkel verschiebung in Vorwärtsrichtung. Die Signale E werden durch ein NAND-Glied 104, das ein weiteres Eingangssignal von einem Inverter 106 empfängt, auf den vorwärts zählenden Eingang des Zählers 102 gegeben. Die Signale F für die Rückwärts richtung werden auf den abwärts zählenden Eingang des Zäh lers 102 durch einen Inverter 108 gegeben. Während eines Schlages werden die Winkelimpulse E für die Vorwärtsbewe gung dem Ausgang G der Schaltungsanordnung 66 durch ein NAND-Glied 110 zugeführt, das ein weiteres Eingangssignal von einem UND-Glied 112 erhält. Die vier Eingangssignale des UND-Glieds 112 sind die binären Ausgangssignale, also die Bits, des Zählers 102, die alle den logischen Pegel 1 haben. Die Impulse für den Winkel in Vorwärtsrichtung zum Zähler 102 werden gesperrt, sobald Im pulse F auftreten, die eine Drehung der Antriebswelle in Rückwärts richtung darstellen (Rückschlag bzw. Spiel oder Tot-Gang). Die umgekehrten Impulse F wer den von der im Zähler 102 ge speicherten Zahl substrahiert, so daß eins oder mehrere der Bit-Ausgangssignale zu dem UND-Glied 112 dann logische Null-Signale werden und auch das Ausgangssignal des Glieds 112, das dem NAND-Glied 110 zugeführt wird, eine logische Null wird. Das NAND-Glied 110 kann keine weiteren Impulse E für die Drehung in Vorwärtsrich tung ausgeben, bis die umgekehrten Impulse F im Zähler 102 ausgeglichen sind. Beim nächsten Schlag werden die Impulse E für die Drehung in Vorwärtsrich tung wieder dem vorwärts zählenden Eingang des Zählers 102 zugeführt; sobald die umgekehrten Impulse ausgeglichen sind, werden die Bit-Ausgangssignale des Zählers 102 wieder logische Einsen, so daß das UND-Glied 112 dem NAND-Glied 110 (und dem Inverter 106) ein hohes Signal zuführt. Das NAND-Glied 110 gibt dann die Signale E wieder zum Ausgang G der Schaltungs anordnung 66. Der Inverter 106 sperrt die Ein führung von Signalen E durch das Glied 104 zu dem Zähler 102. Auf diese Weise speichert der Zähler die Winkellage des Kodierers 28 vor einer Drehung in der umgekehr ten Richtung und sperrt alle Impulse für den Winkel in Vor wärtsrichtung, bis der Kodierer in diese Lage zurückge kehrt ist.

Bei jedem Signal (Fig. 7) für eine schrittweise Änderung des Winkels von der Schaltungs anordnung 66 wird die Zeitspanne berechnet, die die Schrau be benötigte, um sich über die vorherigen "n" Winkelschritte zu drehen (dabei ist "n" = die vorgegebene (Bogen-bzw. Kreis-) Sehnenlänge, wie beispielsweise vier Schritte von 5° pro Schritt 20°). Die Zeit wird durch einen Zähler 114 gemessen, der durch einen einfachen asta bilen Multivibrator 116 getrieben wird. Bei dem Zähler 114 kann es sich nach einer bevorzugten Ausführungsform um drei 4-Bit-Zähler handeln, so daß sich eine Auflösung von 12 Bits ergibt. Als Multi vibrator 116 wird ein Rechteckwellensignalgenerator ver wendet. Die Zeit wird bei jedem Winkelschritt in einem Lese/Schreib-Speicher 117 mit wahl freiem Zugriff gespeichert, der im folgenden auch als "RAM" (random access memory) bezeichnet wird; dieser RAM 117 besteht nach einer bevorzugten Ausführungsform aus drei 16×4 Bit RAMs für eine Auflösung von 12 Bits. Die Zeit, in der sich die Schraube um "n" Schritte (gleich der vorgegebenen Sehnenlänge) dreht, wird be rechnet, indem aus dem RAM 117 der Zeitwert herausgelesen wird, der "n" Winkelschritte vorher gespeichert wurde; dieser Wert für die Zeit wird in einer Subtraktionsschaltung 118 von dem gerade gespeicherten Wert abgezogen. Der Wert des Ausgangssignals der Subtraktionsschaltung 118 ist das Zeit/Winkel-Signal (Fig. 8). Dieses Signal könnte bei Bedarf für die anzuziehende Verbindung aufgetragen werden. Die Speicheradressierung des RAMs 117 wird durch Ausgangssignale zweier Adressen-Zähler 120 und 122 erreicht. Die Adressenzähler sind 4-Bid-Zähler mit Ausgangs signalen für drei Zustände. Das Ausgangssignal des Leseadres senzählers 122 entspricht dem Ausgangssignal des Schreibadres senzählers 120 abzüglich der Sehnenlänge, die vorher mit Binde-Schal tern als bestimmte Zahl von Winkelschritten eingestellt wurde. Während der normalen Verarbeitung werden die Adressenzähler 120, 122 taktgesteuert, wobei ihre Adres sen für jeden Winkelschritt um einen Schritt "1" zunehmen. Sie werden zu Beginn auf "0" zurückgesetzt. Dann werden die ersten "n" Taktimpulse für den Leseadressenzähler 122 mittels einer Schaltungsanord nung 124 gesperrt (Fig. 7a).

Die Schaltungsanordnung 124 enthält einen einstellbaren Zähler 128 sowie eine Reihe von logischen Schaltungen, um die Zahl der Taktimpulse für den Leseadressenspeicher 122 zu sperren, die durch die Sehnenlängenschalter in der Schaltungsanordnung 126 nach dem Rücksetzen eingestellt wurde. Die Zahl im Leseadres senzähler 122 entspricht dann der Zahl im Schreibadressen zähler 120 minus der vorher eingestellten Sehnenlänge. Der Zähler 128 empfängt ein Rücksetzsignal von der Rücksetzlei tung sowie vorher eingestellte Eingangs signale für die Sehnenlänge, und zwar von binären Schaltern 127 in der Schaltungsanordnung 126. Das Ausgangssignal des Zählers 128 wird einem NOR-Glied 130 mit vier Eingängen zugeführt, dessen Ausgangssignal auf einen Inverter 132 und auf einen Eingang eins ODER-Gliedes 134 gegeben wird. (Fig. 7A). Das andere Eingangssignal des ODER-Glieds 134 kommt vom Ausgang eines Inverters 136, der Taktimpulse von einer logischen Schaltung 138 für die Zeitsteuerung empfängt. Die Ausgangssignale der Inverter 132 und 136 werden auf ein NOR-Glied 140 gegeben, dessen Ausgangssignal den Leseadres senzähler 122 taktsteuert. Die Sehnenlänge wird in "1er" Komplementen durch die Schalter 127 (umgekehrte bzw. invertierte logische Signale) eingestellt; die Impulse können zu dem Zähler 128, jedoch nicht zu dem Leseadressenspeicher 122 gelangen, bis das Ausgangssignal des Zählers 128 "0000" ist.

Gemäß den Fig. 7a und 7b wird die Verarbeitungsfolge für die Berechnung des Verhältnisses Zeit/Winkel beschrieben werden. Die Verarbeitungsfolge startet mit einem Winkelimpuls von der Schaltungsanordnung 66:

a) der Multivibrator 116 wird durch ein Signal B von der Schaltungsanordnung 138 gesperrt, damit sich der Zeitwert während der Verar beitung nicht ändern kann;
b) RAM 117 wird durch das Signal D der Schaltungsanordnung 138 auf Schreiben einge stellt, der Leseadressenzähler 120 wird durch das gleiche Signal D in den Betriebszustand gebracht;
c) der momentane Zeitwert wird in die Speicherstelle des RAMs 117 geschrieben, nachdem das Signal E der Schaltungsan ordnung 138 den RAM 117 zum Schreiben freigegeben hat, dessen Adressierung der Schreibadressenzähler 120 vorgenommen hat,
d) RAM 117 wird durch das Signal D von der Schaltungsanordnung 138 auf Lesen eingestellt, die Schreibadresse wird außer Funktion gesetzt, und die Lese adresse wird in Betrieb gesetzt, wofür das Ausgangssignal des Leseadressenzählers 122 über das Signal C erzeugt wird: RAM 117 wird durch das Signal E für Lesen freigegeben;
e) zu diesem Zeitpunkt liegt die Differenz zwischen der laufenden Zeit und der Zeit, die "N" Winkelschritte vorher gespeichert wurd, am Ausgang der Subtraktions schaltung 118 vor. Das Zeit/Winkel- Signal wird durch Taktsteuerung eines selbsthaltenden Datenschalters 142, der mit dem Ausgang der Subtraktionsschaltung 118 verbunden ist, mittels eines Signals F von der Schaltungsanordnung 138 gespeichert. Der selbsthaltende Datenschalter 142 speichert binäre Daten und enthält drei 4-Bit-Schalter, so daß sich eine Auf lösung von 12 Bits ergibt;
f) der Multivibrator 116 wird angesteuert, indem das Signal B von der Schaltungsanordnung 138 auf einen hohen Pegel gebracht wird; die Schreib- und Leseadressenzähler 120 und 122 werden um einen Schritt weitergeschaltet, so daß sie bereit sind für den nächsten Winkel impuls von der Schaltungsanordnung 66; und schließlich zeigt die Vorderflanke des Signals B an, daß nun ein neues Zeit/Winkel-Signal am Ausgang des selbsthaltenden Datenschalters 142 zur Verfügung steht.

Die logische Schaltung 138 für die Zeitsteuerung gemäß Fig. 7c erzeugt die Signale B-F für die Berechnung des Verhältnisses Zeit/Winkel nach einem Winkelimpuls von der Schaltungsanord nung 66 (Fig. 7b). Diese Signale werden durch monostabile Multivibratoren 144, 146, 148, 150, 152, 154 und 156 erzeugt. Die jeweiligen Zeitkon stanten (beispielsweise 10 µs, 3 µs, 1 µs) dieser Multivibratoren werden entsprechend den gewünschten Zeitfolgen ausgewählt und von externen RC Schaltungen geliefert. Jeder Multivibrator ist so ausge legt, daß er an der hinteren Flanke eines ankommenden Signals getriggert bzw. ausgelöst bzw. geschaltet wird, wie durch das Symbol "" am Eingang dieses Multivibrators angedeutet ist. Das Winkelsignal A wird den Eingängen der Multivibratoren 144, 146 und 148 zugeführt. Das Ausgangssignal B wird durch den Mulitvibrator 144 erzeugt, während die beiden Ausgangs signale C und D durch den Multivibrator 146 erzeugt werden. Das Ausgangssignal C des Multivibrators 146 wird den Mul tivibratoren 152 und 154 zugeführt. Das Ausgangssignal des Multivibrators 148 wird dem Eingang des Multivibratros 150 zugeführt, während die jeweiligen Ausgangssignale der Multi vibratoren 150 und 152 auf ein NOR-Glied 158 gegeben werden, dessen Ausgangssignal das Signal E ist. Das Ausgangssignal des Multivibrators 154 wird dem Eingang des Multivibrators 156 zugefürt, dessen Ausgangssignal das Signal F ist.

Von der Schaltungsanordnung 68 gelieferte Zeit/Winkel- Signale formen eine Kurve mit großem Rauschpegel (Fig. 8). Es ist also eine Filterung oder Glättung erforderlich. Eine Filterung im Zeitbereich ist unbefriedigend, weil sich die Anzieh geschwindigkeit ändert; dies gilt auch für die Größe der Filterung der Kurve nach Fig. 8. Dieses Problem wird durch digitale Filterung im Winkelbereich vermieden. Dies gewährleistet nicht nur eine konsistente Fil terung, sondern die Filterkonstante muß für verschiedene Verbindungen nicht geändert werden, da der Bereich der Anziehwinkel für die meisten Befestigungselemente zwischen 90 und 180° liegt. Die Filterkonstante muß nur dann geändert werden, wenn Änderungen in der Winkelauflösung des Kodierers kompensiert werden müssen.

Die digitale Filterschaltung 72 (Fig. 5, 7) wird benutzt, das Zeit/Winkel-Signal der Schaltungsanordnung 68 zu filtern, um ein Drehmoment-Schätzsignal für die Streckgrenzenfeststellungsschaltung 170 zu erzeugen. Die Filterschaltung ist ein Tiefpaß-Rekursiv- Filter erster Ordnung, definiert durch folgende Filterdiffe renzgleichung:

Y _k - aX_k + bY _k-1

Dabei bedeuten:

Y _k = das vorhandene Filterausgangssignal
X _k = das vorhandene Filtereingangssignal
Y _k-1 = das vorherige Filterausgangssignal.

Für einen Kodierer mit einer Auflösung von 5° werden bei spielsweise die Konstanten "a" und "b" als 1/4 bzw. 3/4 aus gewählt, so daß die Differenzgleichung wird

Y _k = 1/4 X _k + 3/4 Y _k-1

oder

Y _k = Y _k-1 + (X _k - Y _k-1)/4.

Im Filter gemäß Fig. 7 werden Y _k bzw. Y _k-1 jeweils in selbsthaltenden Datenschaltern 160 und 162 gespeichert, die dem selbsthaltenden Datenschal ter 142 entsprechen. Das Ausgangssignal, Y _k-1, vom Datenschalter 162 wird zusammen mit dem Zeit/Winkel- Signal X _k des Datenschalters 142 in der Schaltungsanordnung 68 einer Subtraktionsschaltung 164 zuge führt, dessen Ausgangssignal das Differenzsignal (X _k - Y _k-1) ist. Die Division durch 4 wird durchgeführt, indem die binären Datenzeilen 2-Bits nach rechts verschoben werden, und zwar mittels eines fest verdrahteten Schieberegisters 166. Zu diesem Zweck wird beispielsweise jede Ausgangsdatenleitung von der Subtraktionsschaltung 164 mit einer entsprechenden Eingangsdatenleitung einer Additionsschaltung 168 verbunden, und zwar jeweils um zwei signifikante Bits niedriger. Im einzelnen wird also wie folgt vorgegangen: Die binäre Aus gangadatenleitung, die an der Schaltungsanordnung 164 den Dezimalwert "8" darstellt, ist mit der binären Datenein gangsleistung der Schaltungsanordnung 168 verbunden, die den dezimalen Wert "2" darstellt; entsprechend ist "4" an der Schaltungsanordnung 164 mit "1" an der Schaltungsanordnung 168 verbunden. Das Ausgangssignal Y _k-1, von dem selbsthal tenden Datenschalter 162 wird zu dem Ausgangssignal (X _k - Y _k-1)/4 von dem Schieberegister 166 in einer Additionsschaltung 168 addiert. Die Subtraktrions- bzw. Additionsschaltung 164 bzw. 168 weisen drei binäre Volladdierer auf, so daß sich eine Auflösung von 12-Bit ergibt; insoweit ähneln diese Schaltungen der Sub traktrionsschaltung 118. Die selbsthaltenden Datenschalter 160 und 162 werden durch monostabile Multivibratoren 170 bzw. 172 taktgesteuert, so daß sich die in Fig. 7b darge stellten Ausgangssignale G und H ergeben. Die Multivibratoren 117 und 172 werden von der Vorderfläche des Signals B, welches das neue Zeit/Winkel- Signal darstellt, sowie der hinteren Flanke des Ausgangssignals des Multivibrators 170 getriggert. Die Hinterflanke des Signals des Multivibrators 172 zeigt an, daß nach einem Winkel impuls eine neue Drehmomentschätzung berechnet worden ist. Das Ausgangssignal Y _k des selbsthaltenden Datenschalters 160 ist die Drehmomentschätzung, die zusammen mit den Schrittwinkelimpulsen von der Schal tungsanordnung 66 der Streckgrenzfeststellungsschaltung 70 zugeführt wird.

Zu der Streckgrenzen-Feststellungsschaltung 70 (im Detail in der US-PS 39 82 419 erläutert) wird der Gradient der in Fig. 9 dargestellten Drehmomentschätzung/Winkelkurve bestimmt, und ein charakteristischer (beispielsweise der maximale) Gradient im Anzieh- (bzw. linearen) Bereich der Kurve ge speichert. Das momentane Gradientsignal wird mit dem gespeicherten Gradientsignal verglichen. Der Solenoid- Auslöseventilanordnung 58 wird dann ein Abschaltsignal zugeführt, wenn das momentane Gradientsignal ein vorgegebener Pro zentsatz des gespeicherten Gradientsignals wird, wodurch angezeicht wird, daß die Streckgrenze erreicht worden ist.

Obwohl das Steuersystem mit integrierten Schaltungen und logischen Elementen erläutert würde, ist darauf hinzuweisen, daß die Funktion der Schaltungs anordnungen 68, 70 und 72 auch durch pro grammierte Mikroprozessoren erreichbar sind.

Der Schlagschrauber arbeitet wie folgt: Beim Drücken des Auslösers 24 wird der Reedschalter 64 durch den Magneten 60 geschlossen, so daß am elektronischen Steuersystem Energie zugeführt wird. Die "Lauf" LED zeigt sofort an, daß das Steuersystem arbeitet. Druckluft wird durch das Luftventil 302 dem Rotor 22 des Luftmotors zugeführt. Der Anziehvorgang läuft ab. Wenn das Anziehen beendet ist, betätigt ein Signal des Steuersystems die Solenoid-Aus löseventilanordnung 58, die die Luftzufuhr zum Luft motor unterbricht. Mehrere Überprüfungen werden während der Anziehfolge für die Daten betreffend das Verhältnis: Drehmoment- Schätzung/Winkel durchgeführt. Werden vorgegebene Grenzwerte eingehalten, dann wird die LED "OK" einge schaltet, bis das System durch Freigeben des Auslösemechanismus 24 für den Schrauber und Öffnen des Reedschalters 64 abgeschaltet wird. Werden Grenzwerte überschritten, dann zeigen mehrere LEDs spezifische, vorhandene Störungen an. Wenn irgendeine dieser Fehler anzeigenden LEDs aufleuchtet, muß die Bedienungsper son die angezogene Verbindung überprüfen, um festzu stellen, ob es dort Probleme gibt, oder ob am Schlag-Schrauber eine Funktionsstörung aufgetreten ist.

Claims

1. Abschaltvorrichtung für einen Schlagschrauber, mit einer Meßeinrichtung für das Drehmoment und mit einer Einrichtung zur Abtastung des maximalen Drehmoments als Abschltkriterium, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

1. Das Antriebssystem ist so ausgelegt, daß
- 1.1 der den Hammer (12) treibende Motor die volle Drehzahl eine ausreichende Zeitspanne vor dem Aufprall auf den mit der Ausgangswelle verbundenen Amboß (14) erreicht,
- 1.2 die durch Wellen- und Kupplungselastizität gespeicherte Energie gering ist,
- 1.3 die Zeitspanne zwischen den Schlägen näherungsweise konstant ist,
2. die Meßeinrichtung (68) für das Drehmoment besteht aus
- 2.1 einem auf der Ausgangswelle angeordneten Inkrementalgeber (28),
- 2.2 einem von einem Oszillator (116) mit fester Frequenz angetriebenen Zähler (114), mit dessen Hilfe das Zeitintervall für den Durchlauf einer bestimmten Anzahl von Winkelinkrementen gemessen wird, wobei dieses Zeitintervall den Drehmoment-Meßwert repräsentiert.

2. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßeinrichtung (68) und einer Streckgrenzfeststellvorrichtung (70) eine digitale Filterschaltung (72) mit einem Tiefpaß-Rekursiv-Filter erster Ordnung für die das Verhältnis der Zeit-/Drehwinkelinkremente über dem Drehwinkel repräsentierende Signalkurve vorgesehen ist.

3. Abschaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßvorrichtung (68) ein Lese/Schreibspeicher (117) mit wahlfreiem Zugriff (RAM) vorgesehen ist, in dem jeweils die am Beginn des zu ermittelnden Zeitintervalls für die vorbestimmte Anzahl der Drehwinkelinkremente der Drehung der Ausgangswelle bzw. der anzuziehenden Schraubverbindung erreichte Anzahl von Zeitinkrementsignalen speicherbar ist.

4. Abschaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßvorrichtung (68), in der Filterschaltung (72) und in der Streckgrenzfeststellschaltung (70) programmierte Mikroprozessoren vorgesehen sind.