DE3521937A1

DE3521937A1 - Verfahren zur steuerung einer mechanischen spannung bei einem mutternaufschraubgeraet

Info

Publication number: DE3521937A1
Application number: DE19853521937
Authority: DE
Inventors: Tabito Doniwa
Original assignee: Daiichi Dentsu KK
Current assignee: Daiichi Dentsu KK
Priority date: 1985-06-19
Filing date: 1985-06-19
Publication date: 1987-01-02
Also published as: DE3521937C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Spannung bei einem Mutternaufschraubgerät.

Bisher sind verschiedene Verfahren, wie ein Drehmomentverfahren, ein Winkelverfahren und ein Fließpunktverfahren, als Steuerverfahren für die Schraubenbefestigung angewendet worden.

Es ist für eine Schraubenbefestigung von grundsätzlicher Bedeutung, die axiale Kraft oder Spannung der Schraubenbefestigungsvorrichtung stabil zu steuern. Mit anderen Worten, es ist erforderlich, daß ein zu befestigendes Element durch einen Bolzen mit einer festen Kraft der Befestigungsvorrichtung festgezogen wird, d. h. mit einer festen Bolzenspannung. Da aber bei der Schraubenbefestigung eine Reibungskraft zwischen der Lagerfläche des Bolzenkopfes und dem zu befestigten Element und zwischen dem Anzugsdrehmoment und der axialen Kraft der Befestigungsvorrichtung auftritt, ist es sehr schwierig, ein gewünschtes Verhältnis zwischen der axialen Kraft und dem Anzugsdrehmoment eindeutig herzustellen. Mit anderen Worten, selbst wenn die Schraubenbefestigung bei einem festen Anzugsdrehmoment angehalten wird, kann keine eindeutig festgelegte Bolzenspannung erreicht werden. Die axiale Kraft kann genau gemessen werden, indem auf den Bolzenschaft eine Lehre montiert wird, welche die Verlängerung des Bolzens mißt. Dieses Verfahren ist für experimentelle Zwecke geeignet, jedoch ist es für die Massenproduktion mit Rücksicht auf die Kosten ungeeignet. In den letzten Jahren ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem von einem Hochfrequenz- Schallwellengenerator, der in engem Kontakt mit dem Bolzenkopf montiert ist, Schallwellen zum Kopf des Gewindeteiles ausgesandt werden, wobei die Frequenz der reflektierten Wellen gemessen wird und die axiale Kraft aus der Verlängerung des Bolzens nach der Befestigung errechnet wird. Ferner ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei welchem die Verformung des Bolzenkopfes bei der Befestigung magnetisch gemessen wird und die axiale Kraft aus der gemessenen Verformung errechnet wird. Jedes dieser Verfahren wandelt die Verschiebung des Bolzens selbst in die axiale Kraft um und erfordert ein genaues Arbeiten des die Verformung messenden Teiles des Bolzens oder die Zuordnung eines komplexen Fühlers für die Messung der Verformung des Bolzens zum Mutternaufschraubgerät, weshalb diese Verfahren bisher nicht in die Praxis umgesetzt worden sind.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Steuerung der mechanischen Spannung für ein Mutternaufschraubgerät, welches eine leichte Messung der axialen Kraft ohne Verwendung eines komplexen Fühlers ermöglicht und das eine Befestigung einer Schraube mit einer vorherbestimmten axialen Kraft sicherstellt.

Ein Verfahren zur Steuerung der mechanischen Spannung für ein Mutternaufschraubgerät nach der vorliegenden Erfindung wird ausgeführt durch die Verwendung folgender Elemente: Ein mit einem Motor versehenes Mutternaufschraubgerät, eine mit dem Motor verbundene Transmission, einen mit dem Motor verbundenen Winkelkodierer, einen mit der Transmission gekuppelten Drehmomentübertrager zur Messung des Ausgangsdrehmomentes der Transmission und eine über die Antriebswelle mit dem Drehmomentübertrager verbundene Bolzensteckhülse und ferner ein mit dem Mutternaufschraubgerät wirkungsmäßig verbundenes Steuergerät zum Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung von voreingestellten Daten und eingegebenen Daten über das Drehmoment und den Drehwinkel einer mit dem Bolzensteckschlüssel gekuppelten gesteuerten Schraube und zum Steuern des Mutternaufschraubgerätes, nämlich zum Anlassen, Anhalten und Reversieren des Motors. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Speicherung des Anzugsdrehmomentes T _f des Drehmomentübertragers an einer mittleren Position eines festen ersten Rotationswinkels R, der in einem mittleren Bereich vom Sitz der gesteuerten Schraube auf einem festgeschraubten Gegenstand enthalten ist. Der Motor des Mutternaufschraubgerätes wird in einer Position eines zweiten Rotationswinkels (R + α), der um einen festen Wert α größer ist als der erste Rotationswinkel, angehalten. Der Motor des Mutternaufschraubgerätes wird an dem zweiten Rotationswinkel (R + α) reversiert. Es wird ein Gegendrehmoment T _r des Motors in der Position des ersten Rotationswinkels R gespeichert. Es wird das Verhältnis des Anzugsdrehmomentes T _f zu der auf die Schraube aufgebrachten axialen Kraft F _s unter Verwendung einer Differenz zwischen dem Anzugsdrehmoment T _f und dem Gegendrehmoment T _r in der Position des ersten Rotationswinkels R errechnet. Der Motor wird bei einem Anzugsdrehmoment T _s, das durch Multiplikation eines vorher eingegebenen Zielwertes F _s der erforderlichen axialen Kraft mit dem errechneten Verhältnis für das Anziehen der Schraube auf eine feste axiale Kraft erhalten worden ist, angehalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines mit einem Gewinde versehenen Teiles,

Fig. 1B ein Vektordiagramm, welches die auf den Gewindeteil aufgebrachten Kräfte erläutert,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Schraube, welcher einen Befestigungsendzustand der Schrauben darstellt,

Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Drehmomentkurve, welche ein Befestigungsdrehmoment oder Anzugsdrehmoment T _f und ein Gegendrehmoment T _r darstellt,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Drehmomentes in Abhängigkeit vom Rotationswinkel zur Erläuterung der Grundlage der Erfindung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild, welches ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, und

Fig. 6 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.

Die Beziehungen der Kräfte an dem Gewindeteil sind in den Fig. 1A und 1B gezeigt. Während in Fig. 1A der Klarheit wegen ein Rechteckgewinde gezeigt ist, sind die Grundlagen der Erfindung in gleicher Weise auf ein übliches dreieckiges Gewinde anwendbar. In den Fig. 1A und 1B haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung: F bezeichnet eine Bolzenspannung, U ₁ eine tangentiale Kraft, b den Steigungswinkel der Schraube, R ₁ den effektiven Radius des Gewindes und μ₁ den Reibungskoeffizienten.

Das Gleichgewicht der in den Fig. 1A und 1B gezeigten Kräfte kann aus den folgenden Gleichungen entnommen werden:

Da bei der Schraubenbefestigung der Reibungskoeffizient μ₁ allgemein im Bereich von 0,2 bis 0,05 und der Wert von tanβ im Bereich von 0,06-0,03 liegen, ist der Wert des Nenners, μ₁tanβ, in der Gleichung (1) klein und somit vernachlässigbar. Beim Weglassen dieses Wertes wird folgende Gleichung (2) erhalten:

Die obige Gleichung wird erhalten zum Zeitpunkt der Befestigung, während im Falle der Reversierung die folgende Gleichung (3) erhalten wird:

Die tangentialen Kräfte (U ₁, U ₂ ...) und die Drehmomente (T ₁, T ₂ ...) haben die folgende Beziehung:

Bei Einsetzung der Gleichungen (4) und (5) in die Gleichungen (2) und (3) ergibt sich:

Der Reibungswiderstand der Schraube tritt auf zwischen der Lagerfläche des Bolzenkopfes und dem zu befestigenden Element und auch zwischen der Schraube und dem letzteren in Verbindung mit dem befestigten Zustand eines Bolzens, wie er in Fig. 2 gezeigt ist.

Angenommen, daß das Reibungswiderstandsdrehmoment des Bolzenkopfes, der effektive Radius des Gewindes, die Bolzenspannung und der Reibungskoeffizient dargestellt werden durch T ₃, R ₂, F bzw. μ₂, so erfüllen diese die folgende Beziehung:

Dieses Reibungsdrehmoment bleibt zur Zeit der Befestigung und zur Zeit der Bewegungsumkehr unverändert. Das gesamte Drehmoment T _f zur Zeit der Befestigung wird durch folgende Bedingung dargestellt:

Das gesamte Drehmoment T _r wird durch folgende Bedingung dargestellt:

Fig. 3 zeigt die geometrischen Orte des Befestigungsdrehmomentes und des Rückkehrdrehmomentes bzw. Gegendrehmomentes in Bezug auf den Bolzenrotationswinkel. Angenommen, daß das Befestigungsdrehmoment und das Gegendrehmoment in der um eine Winkeldistanz R entfernten Position durch T _f und T _r dargestellt sind, da sie auf dem gleichen Winkel liegen, ist die axiale Kraft sowohl zur Zeit der Befestigung als auch der Umkehr identisch. Eine Differenz dT zwischen dem Befestigungsdrehmoment bzw. Anzugsdrehmoment T _f und des Rückkehrdrehmomentes bzw. Gegendrehmomentes T _r beim Winkel R ergibt sich in folgender Weise: Infolgedessen ist

dT = 2F ·R ₁ · tanβ

Angenommen, daß die Steigung der Gewinde dargestellt ist durch P, so ergibt sich

Eine Einsetzung des Ausdruckes (12) in den Ausdruck (11) ergibt:

Infolgedessen ergibt sich

F = dT · f/P

Somit fällt der Reibungskoeffizient in der Gleichung (13) heraus, und es kann die axiale Kraft F als eine Funktion der Differenz dT zwischen dem Befestigungsdrehmoment T _f und dem Rückkehrdrehmoment bzw. Gegendrehmoment T _r und der Steigung P des Gewindes ausgedrückt werden. Angenommen, daß die erforderliche axiale Kraft und deren äquivalentes Drehmoment ausgedrückt sind durch F _S bzw. T _S, so ergibt sich aus der Bedingung: T _f/F = T _s/F _s,

Wenn also die erforderliche axiale Kraft einmal zu einem geeigneten Wert bestimmt worden ist, kann das äquivalente Drehmoment leicht erhalten werden, und es entspricht die Befestigung der Schraube mit dem äquivalenten Drehmoment der Befestigung mit der erforderlichen axialen Kraft.

Es erfolgt nunmehr eine Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Fig. 5 ist eine Blockschaltung, welche die Hardware-Anordnung der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt. Sie enthält ein Mutternaufschraubgerät 10 und eine Steuervorrichtung 20. Das Mutternaufschraubgerät 10 enthält einen Winkelkodierer 11 für die Messung eines Winkels, einen Antriebsmotor 12, eine Transmission 13, einen Drehmomentübertrager 14 zum Messen eines Drehmomentes, eine Antriebswelle 15 und eine Bolzensteckhülse 16. Die Steuervorrichtung 20 enthält eine Datenanzeige-Kathodenstrahlröhre (CRT) 21, eine Zentraleinheit (CPU) 22 zur Ausführung einer Sequenz und einer Rechnungskontrolle, ein Tastenfeld 23 zur Eingabe von Daten in die Zentraleinheit (CPU) 22, eine Eingangs- Schnittstelle 24, eine Ausgabe-Schnittstelle 25 und einen Servo-Verstärker 26 für den Antrieb des Motors 12. Obwohl in Fig. 5 die Zentraleinheit (CPU) für die Ausführung der Sequenz und der Rechenkontrolle durch Software verwendet wird, ist es auch möglich, anstelle der CPU eine harte logische Schaltungsanordnung zu verwenden.

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung des Drehmomentes in Abhängigkeit von dem Bolzenrotationswinkel, während Fig. 6 ein Ablaufbild eines Programms zeigt. Das Befestigungsdrehmoment soll im Anschluß an den Operationsablauf nach Fig. 6 beschrieben werden. In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen T den absoluten Wert des Drehmomentes und das Bezugszeichen A° den tatsächlichen Wert des Winkels. In Schritt ¢1 wird der Motor 12 zu Beginn der Befestigungsoperation angelassen, und es wird in Schritt ¢ ein Test durchgeführt durch das Ausgangssignal des Drehmomentübertragers 14 um zu bestimmen, ob das Drehmoment T einen Wert T ₀ erreicht hat, der in der graphischen Darstellung in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn dies zutrifft, wird die Zählung von Winkelimpulsen des Winkelkodierers 11 in Schritt 3 begonnen, und es wird in Schritt geprüft, ob der Rotationswinkel des Bolzens gleich einem vorbestimmten ersten Rotationswinkel R ist. Wenn dies zutrifft, wird das Befestigungsdrehmoment T _f des Drehmomentübertragers 14 in der genannten Winkelposition in Schritt 5 gespeichert. Dann wird in Schritt ¢6 geprüft, ob der Rotationswinkel des Bolzens gleich einem vorherbestimmten zweiten Rotationswinkel (R + α) ist, und wenn dies zutrifft, wird der Motor 12 in Schritt 7 angehalten. Die Werte von R und α können in geeigneter Weise aus einem Bereich von dem Anstiegspunkt zum letzten Drehmoment T _S des linearen Anstiegs in der Kurve in Fig. 4 bestimmt werden. Der Wert T ₀ und das Befestigungsdrehmoment T _f werden aus dem Anfangsbereich und dem Mittelbereich in dem linearen Anstieg gemäß Fig. 4 bestimmt. In Schritt 8 wird die Rotationsrichtung des Motors 12 umgekehrt, und es werden in Schritt 9 abzuziehende Rotationsimpulse verhindert, bis ein gewisses Umkehrdrehmoment bzw. Gegendrehmoment festgestellt worden ist, um einen toten Gang der Bolzensteckhülse 16 und des Bolzenkopfes und einen toten Gang der Transmission 13 zu korrigieren. In Schritt 10 wird entschieden, ob der Rotationswinkel auf R reduziert worden ist, und wenn dies der Fall ist, wird das Rückkehr- oder Gegendrehmoment T _r (absoluter Wert) in Schritt 11 gespeichert, und es wird der Motor 12 in Schritt 12 angehalten. In Schritt 13 werden die vorgenannte Differenz dT = T _f - T _r, F = dT · π/P und T _S + F _S T _f/F aus dem Wert P der Steigung des Gewindeeinganges und der erforderlichen axialen Kraft F _S errechnet, die durch das Tastenfeld 23 vor dem Start der Operation zurückgestellt werden. In Schritt 14 wird der Motor 12 für eine erneute Befestigung wieder angelassen, und es wird in Schritt 15 ein Test durchgeführt um festzustellen, ob das Drehmoment gleich dem Wert T _S ist. Wenn dies der Fall ist, wird der Motor 12 in Schritt 16 angehalten. Die obigen Schritte sind die Operationsfolge der Spannungssteuerung.

Schrittbereiche I, II, III entsprechen den Operationsbereichen I, II, III in Fig. 4. Wie sich aus diesen Bereichen I, II, III ergibt, wird die Schraubenbefestigung nach der vorliegenden Erfindung nach dem Einsetzen einer Schraube in drei Operationsbereichen ausgeführt.

Die vorliegende Erfindung verwendet als Hardware ein gewöhnliches Mutternaufschraubgerät, welches Drehmomente und Winkel messen kann, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Das verwendete Steuergerät ist kein komplexes Gerät. Die Erfindung ist eine epochemachende Erfindung, welche eine Spannungssteuerung unter Verwendung von Dynamik-Regeln in einfacher Weise ausführt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung einer mechanischen Spannung bei einem Mutternaufschraubgerät, das einen Motor, eine mit dem Motor verbundene Transmission, einen mit dem Motor verbundenen Winkelkodierer, einen mit der Transmission verbundenen Drehmomentübertrager zum Feststellen des Ausgangsdrehmomentes der Transmission und eine mit dem Drehmomentübertrager durch eine Antriebswelle verbundene Bolzensteckhülse enthält und ferner ein mit dem Mutternaufschraubgerät wirkungsmäßig verbundenes Steuergerät zum Ausführen einer arithmetischen Verarbeitung von voreingestellten Daten und eingegebenen Daten über das Drehmoment und den Drehwinkel einer mit dem Bolzensteckschlüssel gekuppelten gesteuerten Schraube und zum Steuern des Mutternaufschraubgerätes, nämlich zum Anlassen, Anhalten und Reversieren des Motors aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Speicherung des Anzugsdrehmomentes T _f des Drehmomentübertragers an einer mittleren Position eines festen ersten Rotationswinkels R, der in einem mittleren Bereich vom Sitz der gesteuerten Schraube auf einem festgeschraubten Gegenstand zur Endbefestigungsposition der Schraube enthalten ist;
Anhalten der Rotation des Motors in einer Position eines zweiten Rotationswinkels (R + α), der um einen festen Wert α größer ist als der erste Rotationswinkel;
Reversieren der Rotation des Motors bei dem zweiten Rotationswinkel (R + α);
Speicherung des Gegendrehmomentes T _r des Motors in der Position des ersten Rotationswinkels R;
Errechnung des Verhältnisses des Anzugsdrehmomentes T _f zu der auf die Schraube aufgebrachten axialen Kraft F in der Position des ersten Rotationswinkel R; und
Anhalten des Motors bei einem Anzugsdrehmoment T _s, das durch Multiplikation eines vorher eingegebenen Zielwertes F _S der erforderlichen axialen Kraft mit dem errechneten Verhältnis für das Anziehen der Schraube auf eine feste axiale Kraft, erhalten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Kraft F durch die Gleichung F = dT · f/Pdefiniert ist, wobei dT die Differenz zwischen dem Anzugsdrehmoment T _f und dem Gegendrehmoment T _r in der Position des ersten Rotationswinkel R ist und P die Steigung der Schraube bedeutet.