DE3523456A1 - Verfahren zum rberwachen des anziehvorgangs einer schraube - Google Patents

Description

Beim Anziehen einer Schraubverbindung nach Drehmoment und Drehwinkel erhöht die Reibung im Gewinde und unter dem Schraubenkopf das Anziehdrehmoment unter Umständen auf ein Vielfaches. Die in der Praxis üblichen Streuungen des Reibfaktors um ca. ±20% führen zu erheblichen Abweichungen in der Montage- bzw. Vorspannkraft und zwingen aus Sicherheitsgründen zu einer Überdimensionierung der Schrauben.

Um den Einfluß der Streuungen des Reibfaktors zu verhindern und die Schrauben hinsichtlich ihrer Festigkeit so weit als möglich auszunutzen, ist es bekannt, den Anstieg des Drehmoments mit fortschreitendem Drehwinkel zu verfolgen und die Verminderung des Anstiegs beim Erreichen der Streckgrenze der betreffenden Schraube über den Vergleich mit einem vorgewählten Mindestwert des Anstiegs zur Beendigung des Schraubvorgangs zu benutzen (DE-PS 17 02 681).

Da mit dem Drehmoment auch dessen Anstieg proportional zum Reibfaktor ist, verschiebt sich auch der Abschaltpunkt un Abhängigkeit von der Reibung. Weil die streckgrenzbedingte Änderung der Steigung im allgemeinen überwiegt, wirkt sich diese Abschaltpunktverschiebung indessen weniger aus.

Zur Verminderung der besagten Restabhängigkeit des Abschaltpunktes von der Reibung ist es durch die DE-PS 25 41 928 bekannt, die Steigung des Drehmoments in ihrem ungestörten Teilstück der Anzugskurve M = f (ϕ) (linearer Bereich) zu speichern und daraus den Abschaltwert zu ermitteln. Dieses Verfahren wurde theoretisch (ohne Anpassung) für alle Schraubfälle anwendbar, weil hierbei theoretisch auch die Winkelabhängigkeit durch die Ähnlichkeit (geometrische Dehnung) eliminiert wird.

Bei der praktischen Anwendung dieses Verfahrens gibt es jedoch einige Probleme durch überlagerte Störungen, die zusätzliche Ungenauigkeiten verursachen. Solche Störungen treten beispielsweise auf bei der Einspeicherung des Referenzwerts, der meist der Maximalwert ist, ferner durch vorzeitiges Abschalten der Schraubeinrichtung, da der Gradientenwert stark schwankt. In der Praxis müssen daher die Abtastintervalle dem Schraubfall angepaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen des Anziehvorgangs einer Schraube bei fortlaufender Ermittlung des Drehmomentverlaufs über dem Drehwinkel sowie des Anstiegs des Drehmoments und selbsttätiger Beendigung des Schraubvorgangs beim Erreichen einer bestimmten Beanspruchung der Schraube, insbesondere bei Erreichen deren Streckgrenze, zu schaffen, das die besagten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Abschaltkriterium die Beendigung k · dM/d = M (ϕ) dient, wobei k ein dem jeweiligen Schraubfall angepaßter Transformationsfaktor ist.
Der Transformationsfaktor k kann dabei anhand von Musterverschraubungen ermittelt werden. Er wird zweckmäßigerweise so festgelegt, daß sich die beiden Kurven M (ϕ) und M′ (ϕ) beim Beginn des Abfallens von M′ (ϕ), also bei M″ (ϕ) ≦0 , um den Faktor 1,5 bis 4 unterscheiden, also der entsprechende Spannungswert U _g = (1,5.....4) U _m ist.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Verstärkungsfaktor für den Gradienten aus dem erwarteten Anzugswinkel ϕ _max rechnerisch wenigstens näherungsweise zu bestimmen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere auch der Vorteil verknüpft, daß eine Speicherung der fortlaufend ermittelten Drehmoment- und Drehwinkelwerte entfällt und der Schnittpunkt der Drehmomentkurve mit der transformierten Steigungskurve bzw. der Punkt der Spannungsgleichheit des Drehmoment- und Steigungswerts im Bereich der Kurvengegenläufigkeit liegt, wodurch die Eindeutigkeit des Schnittpunkts gewährleistet ist.

Es ist ersichtlich, daß ein derartiges Verfahren störungssicherer und kostengünstiger ist als die bekannten Verfahren, da auf entsprechende Speicher verzichtet werden kann und demnach auch keine unzutreffenden Werte einspeicherbar sind.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den charakteristischen Verlauf der Drehmoment- und Steigungskurve bei einem Schraubvorgang mit fest gewähltem Transformationsfaktor k,

Fig. 2 den charakteristischen Verlauf der Drehmoment- und Steigungskurve bei einem Schraubvorgang mit einer im Bereich M″ ≦ 0 ausgelösten Gradientenanpassung

Fig. 3 den als Basis für die Vorausberechnung des Verstärkungsfaktors für den Gradienten dienenden Verlauf der Drehmoment- und Steigungskurve bei einem Schraubvorgang,

Fig. 4 das Blockschaltbild einer beispielsweisen Auswerteschaltung.

In Fig. 1 ist mit 1 der Graph des Drehmoments M = f ( ϕ ) und mit 2 der Graph der Steigung M′ = f (ϕ) bezeichnet. Diese Graphen sind für den Anziehvorgang einer Schraube nach Drehmoment und Winkel bzw. Zeit charakteristisch und werden im folgenden der Einfachheit halber mit M (ϕ) und M′ (ϕ) bezeichnet. die dem Verlauf des Graphen 2, also M′ (ϕ), entsprechenden Spannungswerte U _g (ϕ) werden bereits in der Anfangsphase des Anziehvorgangs mit dem für den betreffenden Schraubfall ermittelten Transformationsfaktor k multipliziert, so daß ein Schnittpunkt der Graphen 1 und 2 bzw. Spannungsgleichheit im Bereich M″≦λτ 0 nicht auftritt. Das Abschalten der Schraubeinrichtung erfolgt im Schnittpunkt P der beiden Graphen (Spannungsgleichwerte). Infolge der Gegenläufigkeit des Astes 2″ des Graphen 2 bezogen auf den Verlauf des Graphen 1 ergibt sich ein eindeutiger Schnittpunkt.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, wird zu Beginn des Abfallens des Graphen M′ (ϕ), also bei M″ ≦ 0 bzw. beim Drehwinkel ϕ*, der diesem Punkt zugeordnete Anstiegswert der Steigung M′ (ϕ) mit einem Transformationsfaktor k multipliziert, der zu diesem Zeitpunkt berechnet worden ist. Dadurch tritt eine Überhöhung des folgenden Astes 2′ des Graphen M′ (ϕ) ein. Der Scheitelpunkt des Graphen M′ (ϕ) liegt dabei zum Beispiel um das Zweifache höher als das augenblickliche Anziehmoment M*. Der abfallende Ast 2″ des transformierten Graphen M′ (ϕ) schneidet den Graphen M (ϕ) im Punkt P. Das heißt, in diesem Punkt liegt Gleichwert der dem Drehmoment M _p und dem Anstiegswert M′ _p entsprechenden Spannungen U _m und k · U _g vor. Der Schraubvorgang wird in diesem Punkt durch Stillsetzen der Schraubeinrichtung selbsttätig beendet.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, gilt für die Steigung der Drehmomentkurve M (ϕ) in irgend einem Punkt des dargestellten Bereichs g≈M/ϕ. Die Spannung für das Drehmoment in einem Punkt P betrage U _m = a · M (z. B. a=0,1 V/Nm). Die Spannung für die Steigung sei U _g = b · g (z. B. b = 6 V/Nm/grd).

Damit im Streckgrenzbereich Spannungsgleichheit bestehen kann, muß die Gradientenspannung U _g im Proportionalbereich um den Faktor c überhöht werden, wobei 1,5 ≦ c ≦3 ist. dann gilt im Punkt P ₁: U _g = c · U _m = ϕ ₁ · c · M/ϕ ₁ = b · g. Damit folgt b=ϕ ₁ · a · c als Einstellwert für den Transformationsfaktor k.

Durch Vergrößerung des Transformationsfaktor k während des Schraubvorgangs proportional zum Drehwinkel ϕ ergibt sich ein Graph y = x · ϕ · M′ = k · M′, der den Graphen M (ϕ) im Streckgrenzbereich schneidet.

Im Blockschaltbild gemäß Fig. 4 ist der an einer Speisespannungsquelle 10 liegende, am nicht dargestellten Schraubwerkzeug angebrachte Meßwertgeber (Meßbrücke) mit 11 bezeichnet. An den Ausgang des Meßwertgebers ist ein Operationsverstärker 12 mit Gegenkopplungswiderstand 13 angeschlossen, dem Kopplungswiderstände 14 und 15 nachgeschaltet sind. Die beiden Widerstände 14 und 15 sind jeweils an den Eingang eines Verstärkers 16,17 geführt, von denen der eine, 16, einen Gegenkopplungswiderstand 16′ enthält und der andere, 17, mit einem RC-Glied 17′ (Differenzierglied) beschaltet ist und die Spannung des Anstiegs der Drehmomentkurve (Gradientenspannung) berechnet und verstärkt.
Die Ausgänge der beiden Verstärker 16 und 17 sind jeweils über einen Kopplungswiderstand 18,19 an den Eingang eines nachgeordneten Verstärkers 20,21 angeschlossen. Den Verstärkern 20 und 21 ist je ein einstellbarer Gegenkopplungswiderstand 20′ und 21 zugeordnet, an denen im einfachsten Fall der Transformationsfaktor k eingestellt wird.

Der Ausgang des Verstärkers 20 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 22 (Diskriminator) verbunden, der Ausgang des Verstärkers 21 mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Das Abschalten der Schraubeinrichtung bzw. die Beendigung des Schraubvorgangs erfolgt über einen Verstärker 23, der einen diesem nachgeschalteten, vorzugsweise elektronischen Schalter 24 betätigt.

Durch eine einfache Erweiterung der Schaltung kann eine automatische Transformation des Gradientenwerts erreicht werden. In diesem Fall dient zum Erfassen der Werte M″ (ϕ) des Drehmoments ein an den Ausgang des Verstärkers 17 für M′ (ϕ) gelegter, mit einem Differenzierglied 25′ beschalteter Verstärker 25, dem ein Diskriminator 26 nachgeordnet ist. Der Diskriminator 26 aktiviert beim Beginn des Abfallens des Gradienten, also bei M ≦ 0, den vom Rechenverstärker 27 bestimmten Transformationsfaktor k, der über einen Multiplizierer 28 die Gradientenwerte entsprechend erhöht bzw. dehnt. Zur Einstellung des Faktors c dienen die beiden Widerstände 29 und 30 bzw. ein entsprechender Spannungsteiler.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, wird zum einen der Verlauf des an der Schraube angreifenden Drehmoments fortlaufend erfaßt und in entsprechende Spannungswerte umgesetzt, desgleichen der Verlauf des Anstiegs (Gradienten) des Drehmoments. Als Bezugszeitpunkt für die Maßstabsänderung der Anstiegskurve des Drehmoments, also für deren Dehnung oder Stauchung, kann, wie Fig. 2 veranschaulicht, der Punkt M″≦0 gewählt werden. Das heißt, im Zeitpunkt M″≦0 oder im Bereich dieses Zeitpunkts bzw. Spannungswerts wird der entsprechende Spannungswert der Steigung M′ (ϕ) um den Transformationsfaktor k, der im Bereich zwischen 1,5 und 4 liegen kann, erhöht. Dies kann durch Multiplikation des dem betreffenden Steigungswert entsprechenden Spannungswerts oder durch Division des dem zugehörigen Drehmoment entsprechenden Spannungswerts geschehen. Beim mit dem Fortschreiten des Schraubvorgangs erfolgenden Abfallen des Graphen des Anstiegs M′ (ϕ) des Drehmoments kommt es zum Schnittpunkt dieses Graphen mit dem Graphen M (ϕ), das heißt, zur Spannungsgleichheit des Gradienten und des Drehmoments, also U _g = U _m . Zu diesem Zeitpunkt wird somit der Schraubvorgang beendet.

Alternativ kann der Transformationsfaktor k proportional zum Drehwinkel ϕ erhöht werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Inkrementalgeber 31 am nicht dargestellten Schraubwerkzeug angeordnet sein, der über einen Zähler 32 und einen Digital-Analog-Wandler 33 ein dem Winkel ϕ proportionales Signal k = c · ϕ an den Multiplizierer 28 liefert. In diesem Fall entsteht eine Spannung, deren Verlauf in Fig. 3 durch den Graphen y gekennzeichnet ist.
Die in der beispielsweisen Schaltung mit 25, 56 und 27 bezeichneten Bauteile entfallen bei dieser Alternative.

Claims (6)

1. Verfahren zum Überwachen des Anziehvorgangs einer Schraube, wobei der Drehmomentverlauf über dem Drehwinkel M = f (ϕ) und der Anstieg des Drehmoments dM/d ϕ fortlaufend ermittelt werden und der Verschraubvorgang bei Erreichen einer bestimmten Beanspruchung der Schraube, insbesondere beim Erreichen deren Streckgrenze, selbsttätig beendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschaltkriterium für den Schraubvorgang die Beendigung k · dM/d ϕ = M (ϕ) dient, wobei k ein dem jeweiligen Schraubfall angepaßter Transformationsfaktor ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Wahl des Transformationsfaktor k, daß die Scheitelpunktsspannung von M′ (ϕ) um das 1,5- bis 4fache höher liegt als der Spannungswert des maximalen Anziehdrehmoments der verwendeten Schraube.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsfaktor k für den Augenblickswert der Spannung M′ (ϕ) zu Beginn des durch M″ ≦ 0 definierten Dehnvorgangs der Schraube selbsttätig so bestimmt wird, daß zu diesem Zeitpunkt die Spannung M′ (ϕ) ein vorbestimmtes Vielfaches im Bereich des 1,5- bis 4fachen des dem Anziehmoment M (ϕ) entsprechenden Spannungswerts beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsfaktor k anhand von Musterverschraubungen ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsfaktor k während des Schraubvorgangs proportional zum Drehwinkel ϕ vergrößert wird, so daß sich ein Graph y = k · M′ (ϕ) = c · ϕ · M′ (ϕ) ergibt, welcher den Graphen m ( ϕ ) im Streckgrenzbereich der Schraube schneidet, wobei 1,5 ≦ c ≦ 3 ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsfaktor k aus dem maximalen Anziehwinkel d _max der Verschraubung nach der Beziehung k = c · ϕ _max berechnet und fest eingestellt wird.