DE3738679A1

DE3738679A1 - Einrichtung und verfahren zur bestimmung und anzeige des drehmomentes an druckmittelbetriebenen schraubwinden sowie zur automatischen betaetigung und beendigung der betaetigung solcher schraubwinden

Info

Publication number: DE3738679A1
Application number: DE19873738679
Authority: DE
Inventors: John Bickford; Jesse Meisterling; Geoffrey Kosciak; Milton Smith
Original assignee: Raymond Engineering Inc
Current assignee: Raymond Engineering Inc
Priority date: 1986-11-12
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1989-03-30
Also published as: GB2199163B; GB2199163A; GB8726427D0; JPH01121183A; CA1327640C; US4791838A; GB9025827D0; GB2238633B; GB2238633A

Description

Die Erfindung betrifft druckmittelbetriebene Schraubwinden oder Schraubschlüssel und im einzelnen die Bestimmung und die Anzeige des Drehmomentes an solchen druckmittelbetriebenen Schraubwinden sowie die automatische Veranlassung solcher Schraubwinden zu Arbeitstakten und die automatische Beendigung des Festziehens der festzuziehenden Bauelemente beim Erreichen eines bestimmten Drehmomentes.

Druckmittelbetriebene Schraubwinden oder Schraubschlüssel sind allgemein bekannt. Ein Beispiel einer ratschenden, hydraulisch betätigten Schraubwinde ist in der US-Patentschrift 37 45 858 angegeben. Eine verbesserte Version einer derartigen Schraubwinde ist in der US-Patentanmeldung Serial-No. 7 45 404 vom 14. Juni 1985 beschrieben.

Bei der Verwendung hydraulisch betriebener Schraubwinden oder Drehmomentschlüssel ist es von Wichtigkeit, das Ausgangsdrehmoment zu kennen, welches von der Winde oder dem Schraubschlüssel erzeugt wird. Bekannte Drehmoment-Meßsysteme leiden an wesentlichen Fehlern, welche die Genauigkeit solcher Systeme verschlechtern. Es besteht daher seit langer Zeit Bedarf an einer Verbesserung der Drehmomentmessung bei derartigen Systemen.

Bekannte Konstruktionen gehen im allgemeinen den Weg, das Drehmoment durch Messung des Druckwertes, beispielsweise in Bar, der Pumpe zu bestimmen, welche das treibende Druckmittel für die Schraubwinde liefert. Der Druckausgangswert der Pumpe wird angezeigt und auf einer Skala abgelesen und wird als ein Maß für das Ausgangsdrehmoment der Schraubwinde gedeutet.

Die soeben erwähnten Drehmoment-Meßeinrichtungen bekannter Art sind in mehrerlei Hinsicht fehlerhaft und ungenau. Bei einem bekannten System wird das maximale Drehmoment, das von dem Werkzeug erzeugt werden soll, durch Handeinstellung eines Druckreglers in der Hydraulikleitung festgelegt, welche die Antriebsseite des hydraulischen Zylinders beaufschlagt, der das Werkzeug betätigt. Die Bedienungsperson nimmt gewöhnlich eine Tabelle oder eine graphische Darstellung zur Hilfe, die vom Hersteller mitgeliefert wird, um den richtigen Zylinderdruck für ein bestimmtes Ausgangsdrehmoment zu bestimmen. Die Bedienungsperson betätigt dann wiederholt Steuerschalter, um den Antriebszylinder vorzuschieben und dann wieder zurückzuholen, so daß die Schraubwinde eine Schraube festzieht. Ein Ratschenmechanismus der Schraubwinde setzt die Hin- und Herbewegung des Arbeitszylinders in eine gleichbleibende Bewegung der Schraube oder Mutter im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn um. Die Bedienungsperson betätigt die Steuerschalter oder Steuerventile solange, bis die Schraubwinde bei dem voreingestellten Druck stehen bleibt. Sowohl die Druckvoreinstellung als auch die Betätigung der Winde erfordern ein bestimmtes handwerkliches Geschick und sind zeitaufwendig.

Zwischenzeitlich muß eine zweite Bedienungsperson die Reaktionsseite der Schraubwinde gegen eine Reaktionsfläche an dem Werkstück halten. Geschieht dies nicht, so arbeitet die Ratschenfunktion der Winde nicht ordnungsgemäß, was auf dem Spiel zwischen der Antriebsstange und der Schraubenmuffe, der Schraubenmuffe und der Mutter usw. beruht.

Das Drehmoment, das von bekannten hydraulisch betätigten Schraubwinden erzeugt wird, wird durch Ablesung von Druckmeßwerten an einem hydraulischen Druckmeßgerät des Pumpensystems bestimmt, das die betreffende Schraubwinde speist. Eines der bedeutsameren Probleme bei diesen bekannten Systemen besteht darin, daß sie Druckwerte messen und anzeigen, während doch Drehmomentwerte die interessierenden Parameter sind, da die beim Festziehen von Schrauben interessierende Größe des Festzieh-Drehmoment ist. Da eine Pumpe für verschiedenartige Winden verwendet werden kann, welche jeweils unterschiedliche Drehmomente bei jeweils demselben Speisedruck erzeugen können, müssen Mittel vorgesehen sein, um die unterschiedlichen Windengrößen zu berücksichtigen. Einige Systeme enthalten nur Druckmeßeinrichtungen, die in Werten des Pumpendruckes geeicht sind, wobei zusätzlich Umrechnungstabellen vorgesehen sind, um die Druckwerte für die verschiedenen Windenarten in Drehmomentwerte umzurechnen. Andere bekannte Systeme versuchen bereits eine Drehmomentanzeige zu liefern, wobei eine Druckmeßeinrichtung nicht in Druckwerten, sondern in Drehmomentwerten geeicht ist und verschiedene Drehmomentbereiche oder Skalen zur Verfügung stehen. Es muß aber eine jeweils verschiedene Drehmomentskala oder ein verschiedener Drehmomentbereich für je eine Windengröße vorgesehen sein, so daß derartige Systeme fehleranfällig sind und eine Mißinterpretation des Meßwertes nicht auschließen. Für den Verwender ist dies alles sehr kompliziert und birgt die Gefahr von Fehlablesungen und Fehlberechnungen, so daß schließlich die festzuziehenden Schrauben mit falschem Drehmoment festgezogen werden können.

Bei bekannten Systemen muß die Schraubwinde von Hand von der Bedienungsperson zu einer Anzahl von Arbeitstakten veranlaßt werden, um ein gewünschtes Drehmoment zu erreichen. Die Bedienungsperson muß auch von Hand ein Überdruckventil einstellen, um den gewünschten Drehmomentwert zu verändern, der auf ein festzuziehendes Bauelement mittels der Schraubwinde aufgebracht wird. Beide Erfordernisse bedingen ein präzises und zuverlässiges Arbeiten der Bedienungsperson und stellen Fehlerquellen dar. Die Steuerung der Arbeitstakte der Schraubwinde von Hand ist zeitaufwendig, da die Bedienungsperson den jeweiligen Arbeitstakt der Schraubwinde einleiten muß und überwachen muß. Vorliegend wird angestrebt, die für das Festziehen eines Bauelementes erforderliche Zeit zu vermindern, wozu die Einleitung der Arbeitstakte der Schraubwinde automatisch erfolgt. Wenn der Arbeitstakt einer herkömmlichen Schraubenwinde nach einem Hub beendet wird, so weiß die Bedienungsperson nicht, ob das betreffende, festzuziehende Bauelement vollständig festgezogen ist, oder ob sich die Schraubenwinde einfach abgeschaltet hat. Dies kann zu schwerwiegenden Fehlern führen, wenn die Bedienungsperon das Abschalten der Schraubwinde nach einem Arbeitstakt als vollständiges Festziehen des festzuziehenden Bauteils mißdeutet. Diese Quelle möglicher Fehler wird vorliegend ausgeschaltet, indem eine automatische wiederholte Betätigung der Schraubenwinde vorgesehen wird, bis der gewünschte Drehmomentwert erreicht ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zur Bestimmung und Anzeige des Drehmoments an druckmittelbetriebenen Schraubwinden so auszubilden, daß der Verwender eine unmittelbare Anzeige des auf die jeweils verwendete Schraubwindengröße bezogenen, auf ein festzuziehendes Bauteil aufgebrachten Drehmomentes dargeboten erhält. Fehlablesungen und Fehlinterpretationen des Ablesungswertes sollen vermieden werden. Ein gewünschter Drehmomentwert soll ausgewählt werden und die Schraubwinde soll automatisch taktweise betätigt werden können, um einen vorbestimmten Drehmomentwert zu erreichen, wonach die Betätigung der Schraubenwinde beendet wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie ein Verfahren zur Bestimmung und Anzeige des Drehmoments an druckmittelbetriebenen Schraubwinden sind in den dem Anspruch 1 nachgeordneten Patentansprüchen gekennzeichnet.

Bedeutsam ist, daß bei der hier angegebenen Einrichtung der interessierenden Parameter, nämlich das Drehmoment, als Digitalwert bestimmt und in Form einer Digitalanzeige dargestellt wird. Durch Bestimmung des tatsächlichen Drehmomentes werden die Probleme, welche die bekannten Systeme fehleranfällig und ungenau machten, eingeschränkt, wenn nicht sogar beseitigt.

Das vorliegend angegebene Maßsystem bestimmt den Drehmoment unter Verwendung eines Wandlers, welcher den Betriebsdruck einer hydraulischen Schraubwinde in ein analoges elektrisches Signal umsetzt. Dieses Analogsignal wird dann digitalisiert und einem Mikroprozessor oder Rechner als Eingang zugeführt. Der Ausgang eines Temperaturwandlers oder Temperaturfühlers gelangt, ebenfalls nach Digitalisierung, zu dem Mikroprozessor, um eine Temperaturkompensation des Druckwandlers zu bewirken. Ein weiteres Eingangssignal liefert dem Mikroprozessor oder Rechner die Information bezüglich der in dem System verwendeten speziellen Winde. Der Mikroprozessor oder Rechner verarbeitet dann die Eingangssignale und erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend dem Drehmoment. Dieses dem Drehmoment entsprechende Ausgangssignal wird einer numerischen oder alphanumerischen Anzeige der Vorrichtung zugeführt und liefert dort eine unmittelbare Anzeige des Drehmomentes. Der Ausgang von dem Mikroprozessor kann je nach Programmierung das Drehelement in jedem beliebigen Maßsystem angeben, beispielsweise also in lb ft oder Nm.

Das hier angegebene System hat den prinzipiellen Vorteil der Angabe des Drehmomentes als unmittelbare Anzeige oder Angabe in einer digitalen Anzeigevorrichtung. Dies macht die Verwendung von Umrechnungstabellen oder Umrechnungstafeln entbehrlich, mit denen die Druckwerte in Drehmomentwerte umgerechnet werden müßten und außerdem werden bedeutsame Fehlerquellen bekannter Systeme vermieden. Wenn weiter die Bedienungsperson von Hand in der vorher erwähnten Weise das Druckbegrenzungsventil einstellen muß, um das maximale Drehmoment der Schraubwinde voreinzustellen, so kann die Bedienungsperson die Information der unmittelbaren Echtzeit-Digitalanzeige des Drehmomentes benutzen, um zu kontrollieren, welches Drehmoment die jeweilige Einstellung des Druckbegrenzungsventiles bewirkt, so daß ein Ziehen von Schlußfolgerungen aus Ablesungen an einem Druckmeßgerät nicht notwendig ist. Demzufolge kann die Bedienungsperson den Maximaldruck an den gewünschten Drehmomentwert bestmöglich anpassen, während bei bekannten Systemen die Bedienungsperson das Druckregelventil nur auf den nächsten Skalenpunkt der Skala einstellen kann, wobei diese Punkte 25 bis 50 lb ft auseinanderliegen. Das vorliegend angegebene System bietet auch zusätzlich die Möglichkeit, den Pumpendruck in der digitalen Anzeigevorrichtung darzustellen, wenn dieser Parameter von Interesse ist. Die vorliegend angegebene Einrichtung bzw. das hier angegebene Verfahren ermöglicht auch die unmittelbare digitale Ablesung des Drehmomentes für einen größeren Bereich von Schraubwindengrößen, die in Zusammenhang mit der Einrichtung verwendet werden, wodurch Skalen mit Überlappungen oder Mehrfachskalen oder aber Mehrfachanzeigen für unterschiedliche Schraubwinden vermieden werden.

Das hier angegebene System hat den weiteren wesentlichen Vorteil einer automatischen, taktweisen Betätigung der Schraubwinde bis zum Erreichen eines vorbestimmten Drehmomentes, wonach die Zufuhr von Druckmittel zur Schraubwinde unterbrochen wird, um den Betrieb der Schraubwinde zu beenden. Dieses automatische Taktweise Betätigen und Abschalten der Schraubwinde hat den wesentlichen Vorteil, daß die Schraubwinde rascher arbeitet, daß Bedienungsfehler eingeschränkt oder beseitigt werden und daß die Schraubwinde zuverlässiger und genauer arbeitet, um ein gewünschtes Drehmoment auf das festzuziehende Bauteil aufzubringen, wobei die Möglichkeit besteht, die Historie des Festziehens des Bauelementes zur Überprüfung zu dokumentieren oder festzuhalten.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele zur Erläuterung weiterer Vorteile und bedeutsamer Einzelheiten anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei sind für jeweils einander entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen verwendet. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung der hier angegebenen Art zur Bestimmung und Anzeige des Drehmoments,

Fig. 2 ein Funktionsdiagramm des vorliegend betrachteten digitalen Drehmomentanzeigesystems,

Fig. 3A und 3B Flußdiagramme des Programms des Mikroprozessors oder Rechners für die digitale Drehmomentanzeigesystem,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Schaltung zur Signalforschung und zur Analog-/Digitalumformung in der Einrichtung der hier angegebenen Art,

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Mikroprozessors und der dazugehörigen Baueinheiten,

Fig. 5A ein schematisches Schaltbild der Spannungsversorgung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Wählerschalters und einer Flüssigkeitskristallanzeige-Einrichtung für das hier angegebene System,

Fig. 7 eine Abwandlung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1 zur automatischen taktweisen Betätigung und Abschaltung der Schraubwinde,

Fig. 8 eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Funktionsdiagramms für das automatische taktweise Betätigen und Abschalten der Schraubenwinde,

Fig. 9A bis 9D Flußdiagramme des Programms des Mikroprozessors oder Rechners für das digitale Drehmoment Anzeigesystem mit einer Abwandlung für das automatische taktweise Betätigen und Abschalten der Schraubwinde in Abwandlung gegenüber den Darstellungen nach den Fig. 3A und 3B,

Fig. 10 eine Abwandlung gegenüber dem Blockschaltbild nach Fig. 5 zur Einführung des Merkmals zur taktweisen Betätigens und Abschaltens der Schraubwinde,

Fig. 11 bis 13 graphische Darstellungen des Produktes abhängig von der Zeit beim automatischen taktweisen Betätigen und Abschalten der Schraubenwinde.

Zunächst sei auf das Blockdiagramm von Fig. 1 Bezug genommen, in welchem das gesamte System dargestellt ist. Es enthält eine herkömmliche hydraulisch angetriebene Schraubwinde 10, (beispielsweise der oben beschriebenen Art), welche von einer durch einen Motor 12 angetriebenen Pumpe 14 von einem Druckmittelreservoir 16 her gespeist wird. Die Pumpe 14 liefert unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit über ein von Hand einstellbares Druckbegrenzungsventil 20 und ein Dreistellungs-Vierwegeventil 18 sowie schließlich ein Rückhub-Druckbegrenzungsventil 22 an die hydraulikbetriebene Schraubwinde 10. Ein Steuerzusatz 24, welcher an einem Kabel hängen kann und von Hand oder von Fuß betätigt sein kann oder welcher an der Schraubwinde selbst oder an einem anderen Teil des Systems angeordnet sein kann, steuert die Stellung des Ventils 18, um die Schraubwinde 10 entweder in einem Arbeitshub oder in einem Rückhub zu betätigen. Der von Hand einstellbare Druckregler 20 kann in der erforderlichen Weise betätigt werden und dient zur Einstellung des maximalen Druckes. Das Rückhub-Druckbegrenzungsventil 22 wird beispielsweise so eingestellt, daß es bei einem verhältnismäßig niedrigen Druck von beispielsweise 28 Bar in Tätigkeit tritt, um eine druckmäßige Überbeanspruchung der Rückhubseite des Arbeitszylinders der Schraubwinde zu verhindern. Die Schraubwinde 10 enthält einen Ratschenmechanismus, so daß die Schraubwinde wiederholt zu einem Arbeitsspiel veranlaßt werden kann, um Befestigungsmittel, etwa eine Mutter oder eine Schraube, festzuziehen. Die Bauteile 10 bis 24, welche oben erwähnt sind, sind sämtlich an sich bekannt und bei Betätigungseinrichtungen für Winden aufzufinden.

Bezugnehmend weiter auf Fig. 1 ist festzustellen, daß das hier vorgeschlagene System außerdem eine Einrichtung zur Bestimmung und zur digitalen Darstellung des Echtzeit-Drehmomentes der Winde enthält. Diese Einrichtung enthält einen Druckwandler 26, welcher auf den Druck auf der Antriebsseite der hydraulisch betätigten Winde anspricht und ein Spannungsausgangssignal erzeugt. Dieses Spannungssignal des Wandlers 26 wird einem Analog-/Digitalumsetzer 28 zugeführt, der einen Multiplexer 40, einen Vergleicher 42 und eine Digital-/Analog-Umsetzereinheit 45 (siehe Fig. 2 und 4) enthält, die wiederum an einen Mikroprozessor 30 angeschlossen ist. Ein Temperaturfühler 32 (AD 590-Wandler) spricht auf die Temperatur an, bei der der Druckwandler arbeitet und liefert ein Temperatureingangssignal an den Mikroprozessor 30, der Temperaturabweichungen von der Raumtemperatur von beispielsweise 20° kompensiert. Ein zur Eingabe der Größe der Schraubwinde dienender Wählerschalter 34 liefert ein Eingangssignal an den Mikroprozessor 30 entsprechend der Größe der verwendeten Schraubwinde des Systems. Der Mikroprozessor 30 ist so programmiert, daß er die verschiedenen Eingangssignale verarbeitet und ein digitales Ausgangssignal erzeugt, das dem Drehmoment des Drehmomentschlüssels oder der Schraubwinde in Echtzeit entspricht, während sich die Schraubwinde in Tätigkeit befindet. Dieses Ausgangssignal wird durch die Flüssigkristallanzeige 31 dargeboten. Es sei nun Fig. 2 betrachtet. Hier ist ein Funktionsdiagramm des Drehmomentmeß- und Anzeigesystems gezeigt. Der Druckwandler 26 ist ein Halbbrücken-Anspannungsmeßwandler, beispielsweise ein von der Firma DJ-Instruments erhältlicher Wandler der Typenbezeichnung MFP 0-10,000. Das Ausgangssignal des Wandlers 26 erfährt einen Vergleich mit dem Ausgangssignal einer Druckverschiebungs-Abstimmbrücke 36 und die Signale des Wandlers 26 und der Abstimmbrücke 36 werden einem Verstärker 38 zugeführt. Der Ausgang des Instrumentenverstärkers 38 gelangt zu einem Analog-Multiplexer 40, der außerdem ein Eingangssignal von dem Temperaturfühler 32 her empfängt. Abhängig von einem Steuersignal vom Mikroprozessor 30 gibt der Multiplexer 40 entweder das dem Druck entsprechende Signal oder das der Temperatur entsprechende Signal an einen Vergleicher 42 ab. Der Mikroprozessor 30 liefert Digitalsignale zu dem Digital-/Analogumsetzer 44, der seinerseits eine Analogspannung an den Vergleicher abgibt. Der Vergleicher 42 vergleicht das Eingangssignal vom Multiplexer 40 (entweder das Drucksignal oder das Temperatursignal) mit dem Eingang von dem Digital-/Analogumsetzer 44. Wenn das Eingangssignal in den Vergleicher 42 vom Multiplexer 40 her den Ausgang des Digital-/Analogumsetzers 44 übersteigt, so ist der Ausgangszustand des Vergleichers 42 für den Mikroprozessor 30 ein logisches Signal niedrigen Signalwertes. Wenn das Eingangssignal zu dem Vergleicher 42 vom Multiplexer 40 her kleiner als das Ausgangssignal vom Digital-Analogumsetzer 44 ist, so ist das logische Ausgangssignal des Vergleichers 42 zum Mikroprozessor 30 hoch. Der Mikroprozessor 30 bestimmt den Druck- oder Temperaturwert durch Anpassung des Digital-/Analogumsetzers mit seinem Ausgang an den Druckfühler oder Temperaturfühler.

Der entsprechend der Größe der verwendeten Schraubwinde eingestellte Wählerschalter 34 liefert ebenfalls ein Eingangssignal an den Mikroprozessor 30, um diesen über die Größe der in Betrieb befindlichen Schraubwinde zu informieren. Das Signal des Wählschalters 34 bestimmt einen Maßstabsfaktor oder Multiplikationsfaktor und einen Versatzwert, welche in einen permanenten Speicher abgelegt werden und von dem Mikroprozessor 30 dazu verwendet werden, um die Druckinformation (welche temperaturkompensiert ist), in eine Drehmomentanzeige umzuformen. Der Mikroprozessor 30 erzeugt dann ein Drehmomentsignal, welches zu der Flüssigkristallanzeige 25 weitergegeben und dort angezeigt wird.

Der Mikroprozessor 30 bietet auch die Möglichkeit, andere digitale Ausgangssysteme 31 zu betreiben und Verbindung mit einem äußeren Rechner 33 aufzunehmen.

Es seien nun die Fig. 4, 5 und 6 zusammen betrachtet. Der Mikroprozessor 30 hat eine Typenbezeichnung 6805 CMOS und liefert ein Steuersignal an die Flüssigkristallanzeige 25. Weiter wird eine Temperaturmessung und eine Druckmessung durchgeführt. Der Mikroprozessor 30 enthält einen Speicher wahlfreien Zugriffes RAM mit einer Kapazität von 128 Bytes und ist mit einer 2K 2716-Festspeichereinheit mit löschbarem Programm (EPROM) 48 zusammengeschaltet. Die Meßfunktionen und Steuerfunktionen werden durch sechzehn Eingangs-/Ausgangsleitungen ermöglicht, welche ingetraler Bestandteil des Mikroprozessors 30 sind. Das Mikroprozessorsystem enthält außerdem einen Ausgangshaltekreis 50 mit drei Signalzustände darbietenden Ausgängen zwischen dem Festwertspeicher 48 und dem Mikroprozessor 30. Zwölf Ausgänge vom Mikroprozessor 30 werden für Steuerungszwecke dargeboten, wobei zwei 6-Bit-4147-Flip-Flops 52 und 54 Verwendung finden. Zehn dieser Ausgänge haben auch Verbindung mit dem zehnstelligen Digital-/Analogumsetzer 45 (ICL-7533, siehe Fig. 4). Das System regelt seine eigene Leistung auf +5 Volt und verbraucht im Maximum 50 mA Strom bei dieser Spannung. Der Mikroprozessor wird von einem mit 3,79 MHz schwingenden Oszillator 56 gespeist.

Im einzelnen ist aus Fig. 4 zu ersehen, daß das Druck meldende Signal von dem Druckwandler 26 zu dem Verstärker 38 weitergegeben wird. Der Ausgang vom Druckwandler 26 (welcher ein Halbbrückenwandler ist) verändert sich von annähernd 2,4 bis 2,5 mV über einen Druckbereich von 0 bis 690 Bar. Dieses Ausgangssignal wird in Vergleich gesetzt mit einem Druckverschiebungs-Abstimmsignal einer Widerstandsbrücke und die Differenz wird in dem Verstärker 40 gebildet. Der Ausgang des Verstärkers 40, welcher ein analoges Spannungssignal entsprechend dem Betriebsdruck in der Schraubwinde ist, gelangt zu einem Analogmultiplexer 58 mit der Typenbezeichnung 4051. Der Multiplexer 58 empfängt außerdem analoge Spannungseingangssignale entsprechend der Temperatur im Druckwandler, also die Signale des Temperaturwandlers 32. Der Multiplexer 58 liefert zu dem Mikroprozessor 30 und empfängt von dem Mikroprozessor 30 Steuersignale auf den Leitungen, welche mit Mux A Control und Mux B Control bezeichnet sind. Entsprechend den Festlegungen durch das Software-Programm veranlaßt der Mikroprozessor 30 den Multiplexer 58 dazu, entweder das Eingangsspannungssignal entsprechend dem Druck oder das Eingangsspannungssignal entsprechend der Temperatur zu dem Vergleicher 42 (LM311) durchzulassen.

Das analoge Spannungssignal (entweder Druck oder Temperatur) vom Multiplexer 58 wird von dem Vergleicher 42, dem zehnstelligen Digital-/Analogumsetzer 45 und dem Mikroprozessor 30 untersucht. Die Umsetzung wird durch einen Software-Algorithmus gesteuert, der eine binäre Recherche nach digitalen Spannungswerten für den Digital-/Analogumsetzer 45 für die Weitergabe zum Vergleicher 42 hin durchführt. Wenn der Eingang vom Digital-/Analogumsetzer 45 zum Vergleicher 42 innerhalb eines Bit des Druckeingangssignales oder Temperatureingangssignales vom Multiplexer 58 zum Vergleicher 42 hin liegt, so ist der Digitalwert des Druckes oder der Temperatur gleichwertig dem Digitalwert zu dem Digital-/Analogumsetzer 44. Dies versorgt den Mikroprozessor mit der Information bezüglich Druck oder Temperatur durch Inbeziehungsetzung mit dem Spannungspegel im Vergleicher 44, wobei dieser Spannungspegel durch den Mikroprozessor vorgegeben wird.

Nach Bestimmung der Digitalspannung veranlaßt die Programmierung des Systems den Mikroprozessor 30 zu einer Wiederholung des Vergleichsvorganges für zweiunddreißig Male zur Erzielung einer gemittelten Spannung oder Temperatur über einen Zeitraum von fünf Millisekunden. Sodann verursacht die Programmierung des Systems als zusätzlichen Filterungsschritt eine sechzehnmalige Wiederholung des fünf Millisekunden dauernden Schrittes (32 Ablesungen) für die Temperaturanzeige und die Druckanzeige vor den Schritten der Temperaturkompensation und der Umwandlung der Druckablesungen in Drehmomentmessungen (beide werden in dem Mikroprozessor unter Steuerung durch den Algorithmus des Software-Programms durchgeführt).

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist ein Wählschalter 60 mit einer Mehrzahl von Schaltstellungen an den Mikroprozessor 30 angeschaltet, um das Drehmoment für Schraubwinden unterschiedlicher Größe errechnen und darstellen zu können. Im vorliegenden Falle hat der Schalter 60 acht Schaltstellungen, die dazu verwendet werden, Drehmomentmeßwerte für Schraubwinden von sieben unterschiedlichen Größen anzuzeigen und darstellen zu können (Schaltstellungen 2 bis 8 für die Drehmomentanzeige), und es ist eine Schalterstellung für die Anzeige des Betriebsdruckes vorgesehen, wenn dieser Parameter von Interesse ist. Der Schalter 60 ist mit einem Analogschaltmultiplexer 62 der Typenbezeichnung 4051 verbunden. Der Schaltmultiplexer 62 empfängt drei TTL-Digitalsignale vom Mikroprozessor 30 ("Schalter A Steuerung", "Schalter B Steuerung", "Schalter C Steuerung") an den mit A bzw. B bzw. C bezeichneten Eingängen. Sämtliche den Schalterstellungen entsprechende Eingänge des Schalters 60 sind jeweils mit je einem von acht Eingangskanälen des Multiplexers 62 verbunden, dessen Ausgang wiederum Verbindung zu dem "Schalter-Eingang" des Mikroprozessors 30 hat. Jede einzelne Schalterstellung (Stellungen 1 bis 8) des Schalters 60 ist bezüglich der Anschlußklemme an den Kanal "Ausgang" aufgrund eines jeweils unterschiedlichen binären Codes an den Anschlüssen A, B und C des Multiplexers 63 vom Mikroprozessor angelegt, so daß acht Schalterstellungsanzeiger vorgegeben sind. Der Mikroprozessor 30 fragt den Schaltmultiplexer 62 mit einer Geschwindigkeit von 25 Arbeitsspielen je Sekunde ab, um die Schalterstellung zu bestimmen, in der sich der Wählerschalter 60 befindet. Unter Steuerung durch das Softwareprogramm werden Eichkoeffizienten oder Umwandlungskoeffizienten mit den Druckmeßsignalen verarbeitet, um diese in Drehmomentwerte umzuformen, welche dann in der Flüssigkristallanzeige angezeigt werden.

Wie in Fig. 5 gezeigt, liegt der Haltekreis 52 zwischen dem Mikroprozessor 30 und dem Multiplexer 58 über die Leistungen, welche mit "Analog Mux A Steuerung" und "Analog Mux B Steuerung" bezeichnet sind und außerdem verbindet der Haltekreis 52 den Mikroprozessor 30 mit dem Schaltmultiplexer 62 über die Leitungen, welche mit "Schalter Mux A Steuerung", "Schalter Mux B Steuerung" und "Schalter Mux C Steuerung" bezeichnet sind. In entsprechender Weise liegt der Haltekreis 54 zwischen dem Mikroprozessor 30 und den fünf Anzeigetreibern 64 bis 72 über die Anzeigestellen-Einstelleitungen 1 bis 5.

Es sei nun Fig. 5A betrachtet. Hier ist die Spannungsquelle für das System dargestellt. Ein Spannungsregler 84 liefert eine geregelte Spannung von +5 Volt. Ein Spannungsregler 86 liefert eine präzise auf -5 Volt geregelte Spannung für den Vergleicher 42.

Wie aus Fig. 6 entnehmbar, ist der Mikroprozessor 30 über fünf Anzeigetreiber 64 bis 72 (Typenbezeichnung 4543) mit der Flüssigkristallanzeige 74 verbunden. Die Anzeigetreiber 64 bis 72 wandeln binär codierte Dezimal-Ausgangssignale des Mikroprozessors 30 in die sieben Segmente mit den jeweils wiederzugebenden Stellen um. Ein Taktsignal, das durch zeitgesteuerte Unterbrechungen innerhalb des Mikroprozessorsystems (vom Kontaktstift 10 am Haltekreis 54 abnehmbar) erzeugt wird, dient als Wechselspannungstakt an der Flüssigkristallanzeige zum Vermeiden eines sogenannten Einbrennens einzelner Anzeigen oder Stellen an der Flüssigkristallanzeige. Sämtliche anderen Aufgaben innerhalb des Systems werden ebenfalls durch die Schaltunterbrechungen mit dem 25 Hz-Takt gesteuert. Der Ausgang zur Flüssigkristallanzeige 74 wird unter Steuerung des Programms alle sechzehn Unterbrechungen (also etwa alle 0,6 Sekunden) aufdatiert.

Es sei bemerkt, daß das vorliegende System auch die Voreinstellung, durch die das Druckbegrenzungsventil auf den maximalen Betriebsdruck der Schraubwinde voreingestellt wird, vereinfacht und präziser gemacht. Im vorliegenden System sieht der Verwender den Druckwert in Echtzeit digital dargestellt, während er das Ventil 20 einstellt. Weiter kann die Bedienungsperson das Ventil 20 präzise auf einen bestimmten Druckwert einjustieren und ist nicht bezüglich der Genauigkeit der Einstellung auf die Teilung einer Skala beschränkt.

Die hier angegebene Einrichtung mit digitaler Anzeige des Drehmoments sollte bezüglich Druck und Temperatur geeicht werden, bevor ein erster Gebrauch erfolgt oder wenn Grund für die Annahme besteht, daß eine Verschiebung im Druckwandler oder im Temperaturwandler oder Temperaturfühler stattgefunden hat.

Eine Eichung wird bewirkt, indem eine bestimmte Betriebsart unter Steuerung durch den Mikroprozessor und die Programmierung des Systems vermittels des Wählerschalters 60 gewählt wird. Der Mikroprozessor 30 wird eingeschaltet, wonach die Flüssigkristallanzeige 74 fünf Gruppen von jeweils acht Anzeigestellen zeigt. Der Wählerschalter 60 wird dann von der Stellung 1 auf die Stellung 2 und zurück in die Stellung 1 gedreht. Die Wählerschalterstellung 1 bewirkt dann eine Anzeige des Druckes und die Stellung 6 (Drehmomentstellung 5) bewirkt eine Anzeige des Temperaturkorrekturfaktors, multipliziert mit 256.

Die Temperatureichung wird zunächst mit dem Wählerschalter 60 in der Stellung 6 durchgeführt, bei welcher die Temperatur an der Flüssigkristallanzeige 74 angezeigt wird, wobei die Anzeige 256 der Raumtemperatur entspricht. Dann erfolgt die Temperatureichung durch Einstellung eines Potentiometers 76 in der Schaltung des Vergleichers 42, bis die Raumtemperaturanzeige 256 lautet (Raumtemperatur ist beispielsweise 20°C). Hiernach kompensiert der Temperaturfühler 32 während des Normalbetriebes Einflüsse von Betriebstemperaturen, welche von der Raumtemperatur verschieden sind.

Nach der Temperatureichung wird das System bezüglich des Druckes geeicht. Zur Durchführung der Druckeichung muß das lineare Verhalten des Druckwandlers 26 auf ein geeichtes Druckmeßgerät abgestimmt werden.

Der Versatz und der Verstärkungsgewinn jedes einzelnen Wandlers wird durch Potentiometer 80 und 78 einjustiert, bis das lineare Verhalten des Druckwandlers innerhalb von 2% des tatsächlichen Druckes gelegen ist.

Das vorliegende System mit digitaler Anzeige des Drehmomentes wird von dem Mikroprozessor 30 sowie dem Programm im Speicher 48 (EPROM) gesteuert. Ein großer Teil dieses Programmes und sein Ablauf sind im Zuge der obigen Beschreibung schon erläutert worden. Das gesamte im Speicher 48 gespeicherte Programm ist als Anhang in einer Tabelle beigefügt. Diese Tabelle hat fünf Spalten. Spalte 1 enthält jeweils eine vierstellige Hexadezimaladresse. Spalte 2 enthält als vierstellige Hexadezimal-Maschinencode die Darstellung der Spalten 3 und 4. Spalte 3 enthält den Operanden oder Operationscode. Spalte 4 enthält das Argument und Spalte 5 enthält in kurzen Bemerkungen eine Erklärung der auszuführenden Operation. Der Fachmann findet in dem Programm nach der Tabelle des Anhangs eine vollständige und präzise Beschreibung jedes Schrittes bei der Durchführung des Programms für die hier angegebene Einrichtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Klarheit seien hier nur die wesentlichen Operationen des Programms in allgemeinen Ausdrücken zusätzlich zu der Programmbeschreibung innerhalb der obigen Äußerungen im Zusammenhang mit den Schaltungseinzelheiten nachfolgend beschrieben.

Die Fig. 3A und 3B zeigen Flußdiagramme mit den wesentlichen Merkmalen des vorliegend durchgeführten Programms. Fig. 3A zeigt das Programm für die Inbetriebsetzung des Prozesses und die Eichung. Fig. 3B zeigt den Programmablauf für den regulären Betrieb.

Zunächst sei Fig. 3A betrachtet. Beim Einschalten des Systems erscheint in der Flüssigkristallanzeige 74 eine Darstellung von fünf Gruppen mit je acht Stellen. Dann prüft das Programm, ob der Eichvorgang eingeleitet ist. Der Unterbrechungstaktgeber mit einer Arbeitsfrequenz von 25 Hz wird in Lauf gesetzt und geht in eine Standardschleife, wenn der Eichbetrieb eingeleitet worden ist. Ist der Eichbetrieb nicht eingeleitet worden, so wird ein Zeitgeber-Unterbrechungssignal abgegeben, um den Zustand des Anzeige-Taktgebers umzuschalten. Ist das Taktgebersignal hoch, so veranlaßt das Programm den Mikroprozessor zur Feststellung der Druckanzeige und Temperaturanzeige (dies geschieht 32mal), und es wird versucht, die zweiunddreißig Druckanzeigen und Temperaturanzeigen sechzehnmal zu wiederholen. Die sechzehn Wiederholungen werden mit dem Zeitgeber-Unterbrechungssignal synchronisiert. Nach der sechzehnten Ablesung liest der Mikroprozessor die Stellung des Wählerschalters 60 ab. Dann erfolgt die Korrektur der Druckanzeige für die Temperaturkompensation und hierauf wird das Drucksignal in das Drehmomentsignal entsprechend dem im Programm vorgegebenen Algorithmus umgesetzt.

Ist das Taktsignal niedrig und hat die sechzehnte Ablesung stattgefunden, so wird ein Signal zum Aufdatieren der Flüssigkristallanzeige erzeugt. Nach der sechzehnten Ablesung wird ein Signal zur Aufdatierung der Flüssigkristallanzeige vor Empfang eines Unterbrechersignals vom Zeitgeber erzeugt, so daß die Eingangssignale für die Neueinstellung der Darstellung in der Flüssigkristallanzeige 74 wirksam werden. Ist ein äußerer Rechner mit dem System verbunden, so werden Signale auch zu ihm geführt, wenn die Neueinstellung oder Aufdatierung der Flüssigkristallanzeige erfolgt. Wie zuvor beschrieben, wird der wesentliche Teil des Programms durch den 25 Hz-Takt in dem System durch Unterbrechungen gesteuert.

Der Fachmann erkennt, daß vorliegend eine neuartige Methode und Einrichtung zur Bestimmung des tatsächlichen Drehmomentes geschaffen ist, welches beim Festziehen von Bauelementen oder Verbindungselementen mittels einer druckmittelbetriebenen Schraubwinde zur Einwirkung gebracht wird. Das Drehmoment wird in Echtzeit bestimmt und als Digitalanzeige dargeboten. Hierdurch werden die Probleme bei bekannten druckmittelbetriebenen Winden vermieden und ein Bedarf auf diesem Gebiete befriedigt. Weiter wird der Gebrauch druckmittelbetriebener Schraubwinden vereinfacht. Ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit wird verbessert und eine bedeutsame Fehlerquelle wird vermieden.

Dadurch, daß eine unmittelbare digitale Anzeige des Drehmomentes zur Verfügung steht, werden auch die zuvor erwähnten Probleme bezüglich der Verwendung von Ablesungen an Druckmeßgeräten ausgeschlossen.

Die Ausführungsform nach den Fig. 7-13 zeigt ein System zum automatischen taktweisen Betätigen der Schraubwinde und zur Beendigung der Schraubwinde beim Erreichen eines bestimmten Drehmomentes, welches auf das festzuziehende Bauelement ausgeübt worden ist. Bei der Betrachtung des Systems ist festzustellen, daß das automatische taktweise Betätigen und Abschalten des Betriebes die Hinzufügung verschiedener Bauteile zu dem System gemäß dem Blockdiagramm nach Fig. 1 gezeigt und enthält in den Leitungen zwischen dem Mikroprozessor 30 und dem Dreistellungs-Vierwegeventil 18 ein Arbeitshubrelais 110 und ein Rückhubrelais 112. Ein Signal vom Mikroprozessor 30 im Sinne einer Schließung des Arbeitshubrelais 110 bewirkt, daß das Ventil 18 in eine Stellung gebracht wird, in welcher Hydraulikflüssigkeit zur Ausführung des Arbeitshubes zur Schraubwinde 10 gelangt und ein Signal vom Mikroprozessor 30 zur Öffnung des Relais bewirkt, daß das Relais 110 geöffnet wird und das Ventil 118 in seine Neutralstellung oder Rücklaufstellung gebracht wird, in der die Hydraulikflüssigkeit von der Pumpe 14 zu dem Vorratsbehälter 16 zurückgeleitet wird. In entsprechender Weise bewirkt ein Signal vom Mikroprozessor 30, welches eine Schließung des Rückhubrelais 112 veranlaßt, daß das Ventil 18 in eine Stellung gebracht wird, in der Hydraulikflüssigkeit im Sinne eines Rückhubes der Schraubwinde 10 zu dieser geleitet wird und ein Signal vom Mikroprozessor im Sinne der Öffnung des Relais 112 bewirkt, daß das Ventil 18 in die Neutralstellung oder in die Rückleitungsstellung geführt wird. Das weitergebildete System nach Fig. 7 enthält außerdem einen Steuercomputer 114, der mit dem Mikroprozessor 30 in Verbindung steht, ferner eine Tastatur 116 zum Eingeben von Steuerdaten in den Steuercomputer 114 sowie Anzeigemittel 118, welche mit dem Steuercomputer 114 verbunden sind. Ein Drucker 120 kann außerdem vorgesehen sein, um eine fortlaufende Aufzeichnung der Historie des Festziehens eines Bauelementes vorzunehmen.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, wird bei dem weitergebildeten Ausführungsbeispiel das Funktionsdiagramm gemäß Fig. 2 in der Weise modifiziert, daß die beiden Digitalausgänge vom Schaltungsblock 31 zu dem Arbeitshubrelais 110 und dem Rückhubrelais 112 geführt sind. Weiter zeigt Fig. 10, welches ein modifiziertes Blockschaltbild des Schaltdiagramms nach Fig. 5 ist, daß das Arbeitshubrelais 112 mit dem Anschlußkontakt 8 des Mikroprozessors 30 verbunden ist und daß das Rückhubrelais 110 mit dem Anschlußkontakt 7 des Haltekreises 52 verbunden ist, während der Steuercomputer 114 mit dem Ausgang RS-232 (33(O)) verbunden ist, um Signale vom Mikroprozessor 30 an den Steuercomputer 114 zu liefern und über den Eingang (33(I)) des Bauteils RS-232 Signale von dem Steuercomputer 114 dem Mikroprozessor 30 zuzuführen.

Der Steuercomputer 114 kann beispielsweise ein programmierbarer Rechner Epson Modell HX 20 sein oder es kann sich um eine programmierbare, in der Hand mitführbare Einheit handeln, welche in einem einzigen Gehäuse Bestandteil der am Kabel hängenden Steuereinheit 24 ist.

Es sein nun auf die Fig. 7 und 8 Bezug genommen. Das gewünschte Drehmoment, das auf ein festzuziehendes Bauelement ausgeübt werden soll, wird von der Bedienungsperson dem Rechner 114 über die Tastatur 116 eingegeben. Die Bedienungsperson wählt einen Drehmomentwert, welcher von dem Steuercomputer 114 in einen Druckwert für die gewählte Windengröße umgerechnet wird und der wiederum in einen Spannungspegel zur Unterbrechung des Arbeitshubtaktes umgewandelt wird, wobei dieser Spannungspegel dem Mikroprozessor 30 mitgeteilt wird. Der Steuercomputer 114 wirkt mit dem Mikroprozessor 30 in dem Sinne zusammen, daß die Relais 110 und 112 betätigt werden, um das Mehrstellungsventil 18 hin- und herzubewegen und damit die Arbeitstakte der Schraubwinde 10 zu steuern. Beim Betrieb des Systems nach Fig. 7 wird das Arbeitshub-Überdruckventil 20 auf den Maximalwert eingestellt, so daß das Ventil 20 wirkungsmäßig aus dem System ausgeschlossen ist und der maximale hydraulische Betriebsdruck von dem Druckwandler 26, von dem Mikroprozessor 30, dem Steuercomputer 114 und den Relais 110 und 112 bestimmt wird.

Es sei hier bemerkt, daß der Mikroprozessor 30 selbstverständlich Bestandteil des Steuercomputers 114 sein kann.

In dem System nach den Fig. 7-13 bewirkt die Einstellung eines Drehmomentwertes im Steuercomputer 114 aufgrund der Programmierung des Systems und aufgrund der Tätigkeiten des Mikroprozessors 30, daß ein Signal im Sinne einer Schließung des Arbeitshubrelais 110 erzeugt wird, um das Mehrwegeventil 18 in eine Stellung zu bringen, in der Druckmittel zur Durchführung eines Arbeitshubes der Schraubwinde 10 geliefert wird, welche an ein festzuziehendes Bauelement angesetzt ist, um ein Drehmoment auf dieses Bauelement auszuüben. Während die Schraubwinde 10 ihren Arbeitshub fortsetzt, bestimmt der Druckwandler 26 den ansteigenden Druck in der Schraubwinde beim Festziehen des Bauteils. Wenn die Schraubwinde am Ende irgendeines Arbeitshubes vor dem letzten Arbeitshub sich ausschaltet, so tritt ein großer und rascher Druckanstieg auf, der von dem Druckwandler 26 festgestellt wird und über den Vergleicher 42 als ein Digitalsignal dem Mikroprozessor 30 gemeldet wird. Anstatt den Druckwert, wie er vom Vergleicher 42 bestimmt wird, darzustellen, wie dies bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall war, ist der Mikroprozessor 30 so programmiert, daß der festgestellte Druckwert in Gestalt eines Spannungspegels mit demjenigen Spannungspegel verglichen wird, welcher den Arbeitshub unterbricht und welcher von dem Steuercomputer 114 geliefert wird. Wenn der gemessene Druckpegel über dem zur Erzielung des gewünschten Anziehmomentes liegenden eingestellten maximalen Druck liegt, so öffnet der Mikroprozessor 30 das Arbeitshubrelais 110, um das Mehrwegeventil 18 in die Neutralstellung zu bringen. Wie nachfolgend im Einzelnen angegeben wird, wird die Druckzunahme aufgrund der Programmierung des Systems als das Arbeitshubende von dem Computer 114 erkannt. Wenn dies geschieht, so trifft der Steuercomputer 114 eine Entscheidung bezüglich der Rückführung, so daß der Mikroprozessor 30 ein Signal erzeugt, welches das Rückhubrelais 112 schließt und das Mehrwegeventil 18 in eine Stellung bringt, in der Druckflüssigkeit zu der Schraubwinde 10 geleitet wird, um diese zurückzuführen. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit wirken dann Signale des Mikroprozessors 30 eine Öffnung des Rückhubrelais 112 und eine Schließung des Arbeitshubrelais 110, so daß wiederum das Mehrwegeventil 18 in eine Stellung kommt, in der Druckflüssigkeit zur Schraubwinde 10 gelangt, um einen neuerlichen Arbeitshub der Schraubwinde auszuführen und das festzuziehende Bauteil stärker festzuziehen. Diese Arbeitsspiele dauern an, bis der Steuercomputer 114 aufgrund einer entsprechenden Programmierung bestimmt, daß das festzuziehende Bauteil mit dem gewünschten Anziehmoment festgezogen ist. Der Steuercomputer 114 beendet dann die Betätigung des Systems und die Anzeigeeinrichtung 118 zeigt nun an, daß der gewünschte Drehmomentwert erreicht worden ist. Eine fortlaufende Aufzeichnung der Historie des Festziehens des betreffenden Bauteils unter der Schraube wird von dem Drucker 120 gemacht.

Man erkennt, daß das System in dem Messungs- und Anzeigebetrieb entsprechend den Fig. 1-6 oder im automatischen Arbeitstaktbetrieb und mit automatischer Abschaltung betrieben werden kann, wie dies anhand der Fig. 7-13 erläutert wird. In der erstgenannten Betriebsweise bleiben der Steuercomputer 114, die Tastatur 116, die Anzeigevorrichtung 118 und der Drucker 120 sowie die Relais 110 und 112 außer Betrieb und der Schraubenwinden-Wahlschalter 34 sowie die Anzeigeeinrichtung 25 arbeiten. In dem zuletzt erwähnten Betrieb sind der Schraubenwinden-Wahlschalter 34 und die Anzeigevorrichtung 25 außer Betrieb, die Relais 110 und 112 sind in Betrieb, die Anzeige erfolgt durch die Anzeigeeinrichtung 118 und die Wahl der Windengröße, der Drehmomentwert und die Informationen für die Aufzeichnung, beispielsweise Datum, Schraubennummer, Kennummer der Bedienungsperson, Kennzeichen der herzustellenden Schraubverbindung, werden über die Tastatur 116 in den Steuercomputer 114 eingegeben. Der automatische taktweise Betrieb und das automatische Abschalten kann auch in einer Weise erfolgen, welche halbautomatisch ist, wobei die Bedienungsperson von Hand jeden Arbeitshub und jeden Rückhub durch entsprechende Steuersignale als Eingabe an der Tastatur 116 auslöst. Dieser halbautomatische Betrieb kann, falls dies gewünscht wird, den vollautomatischen Betrieb vorrangig ersetzen.

Die automatische Steuerung der Arbeitstakte und das Abschalten und auch der halbautomatische Betrieb sowie der reine Handbetrieb werden durch den Mikroprozessor 30 und seine Programmierung in den EPROM 48 sowie den Steuercomputer 114 und seine Programmierung verwirklicht. Ein wesentlicher Teil dieser Programme und ihres Ablaufs ist bereits beschrieben worden und wird beschrieben, wenn die Wirkungsweise des Systems erläutert wird.

Unter gemeinsamer Betrachtung der Fig. 9A-9D sowie unter gleichzeitiger Bezugnahme auf Fig. 10 sei ein Flußdiagramm des Programms für den Mikroprozessor 30 bei der Betriebsweise des automatischen Arbeitstaktes und der automatischen Beendigung des Betriebes betrachtet. Nach dem Einschalten des Systems (siehe Fig. 9A) ist die Wirkungsweise genauso wie im Zusammenhang mit Fig. 3A erläutert, jedoch mit dem zusätzlichen Schritt, daß Signale von dem Mikroprozessor 30 zu dem Arbeitshubrelais 110 und dem Rückhubrelais 112 geleitet werden, so daß das Mehrwegeventil 118 entweder in die Neutralstellung oder in die Rückhubstellung bewegt wird. In dieser Stellung des Mehrwegeventils 18 wird sämtliches von der Pumpe 14 gefördertes Druckmittel zu dem Sammelbehälter 16 zurückgeleitet und kein Druckmittel gelangt zu der Schraubwinde 10. Es geschieht entsprechendes wie bei dem System nach Fig. 3A. Nach Prüfung bezüglich des Eichbetriebes wird ein Signal zur Umstellung des Verzögerungs-Zeitgebers abgegeben und wenn das Ausgangssignal des Verzögerungs-Zeitgebers einen hohen Signalwert besitzt, so veranlaßt das Programm den Mikroprozessor 30 dazu, Druck- und Temperaturablesungen zu bestimmen (32 Zeiten 16mal wiederholt). Wenn das Taktsignal einen niedrigen Signalwert hat oder low ist und nachdem die sechzehnte Ablesung durchgeführt ist, fragt der Mikroprozessor 30 den Eingang 33(I) am Kontaktstift 2 (siehe Fig. 10) ab, um festzustellen, ob ein Eingang (RS-232-Unterbrechungssignal) vom Computer 114 vorliegt. Wenn kein Eingang 33(I) vorhanden ist, so arbeitet das System im Anzeigebetrieb zur Lieferung einer Anzeige an der Flüssigkristallanzeigevorrichtung 25. Ist der Eingang 33(I) vom Steuercomputer 114 vorhanden, (was der Fall ist, wenn das System im automatischen Arbeitstaktbetrieb arbeitet), steuert das Programm nach den Fig. 9C und 9D, welches innerhalb des Programms für den Mikroprozessor 30 im EPROM 48 vorgegeben ist, den Betrieb des Mikroprozessors 30.

Aus Fig. 9C ist ersichtlich, daß der Mikroprozessor 30 eine Informationsfolge liest, welche ihm von dem Steuercomputer 114 zugesandt wird. Der Mikroprozessor 30 sendet diese Informationsfolge dann gleichsam als Echo zu dem Steuercomputer 114 zurück, um feststellen zu können, daß die betreffende Informationsfolge richtig ist. Wenn der Mikroprozessor 30 die richtige Informationsfolge erhalten hat, so wird dies durch einen weiteren Eingang vom Steuercomputer 114 bestätigt. War die Informationsfolge nicht richtig, dann untersucht der Mikroprozessor 30 die Informationsfolge. Das erste Symbol oder die erste Ziffer bestimmt, ob das System von Hand betrieben wird bzw. halbautomatisch (Betriebsweise 1) oder ob das System automatisch arbeitet (Betriebsweise 2). Die zweite bis fünfte Ziffer geben dem Mikroprozessor 30 den gewünschten Abschaltdruckwert als Spannung in Millivolt an. Die letzte Ziffer bezeichnet das Relais 110 oder 112, welches zu schließen ist. Abhängig von der letzten Ziffer wird ein Arbeitshub oder ein Rückhub ausgelöst.

Es sei nun auf Fig. 9D Bezug genommen, wobei ein automatischer Betrieb des Systems angenommen wird. Wenn der Rückhub durchgeführt werden soll, so wird das Relais 112 geschlossen und das Mehrwegeventil 18 in eine Stellung gebracht, um den Rückhub der Schraubwinde auszulösen. Dann betrachtet der Mikroprozessor 30 das nächste Signal (mit allen Ziffern) vom Computer 114, welches vom Computer 114 zeitverzögernd geliefert wird. Wenn dieses nächste Signal erscheint, öffnet der Mikroprozessor 30 das Rückhubrelais 112, um den Rückhub zu beenden. Der Mikroprozessor 30 sendet dann eine Prüfziffer zum Steuercomputer 114, um zu bestätigen, daß der Rückhub vervollständigt ist. Das Arbeitsspiel kehrt dann zur Taktunterbrechung (Fig. 9A) zurück.

Es sei weiterhin Fig. 9D betrachtet und weiterhin davon ausgegangen, daß das System im automatischen Betrieb arbeitet. Wenn der Arbeitshub durchgeführt werden soll, wird ein Zähler in dem Speicher (I), welch ersterer die Anzahl von Drucksignalen vom Druckwandler 32 zählt, auf "O" gestellt und das Relais 110 wird geschlossen, um das Mehrwegeventil 18 in eine Stellung zu bringen, bei der der Arbeitshub der Schraubwinde eingeleitet wird. Der Mikroprozessor 30 liest dann das Signal aus dem Druckwandler 26 (im Mikroprozessor temperaturkondensiert) unter Abspielen derselben logischen Vorgänge ab, wie sie zuvor im Zusammenhang Fig. 3B für einen hohen Signalwert des Taktsignals beschrieben worden sind. Der Mikroprozessor prüft sodann, ob das System im automatischen Betrieb oder im Handbetrieb bzw. halbautomatischen Betrieb arbeitet. Arbeitet das System im automatischen Betrieb und ist der Stand des Zählers (I) nicht größer als Ziffer 0 (dh. es sind noch keine Druckablesungen gezählt worden) und ist der von dem Druckwandler 26 festgestellte Druck nicht größer als 0, so wird der Zähler I nicht hochgeschaltet. Eine umlaufende Speicherung in dem Speicher hält die letzten 20 Ablesungen von dem Druckwandler 26 fest. Wenn ein Signal von dem Steuercomputer 114 erhalten wird, beispielsweise ein Nothaltsignal, dann schaltet sich das System ab. Anderenfalls wiederholt sich das Arbeitsspiel (bei (5)). Bei diesen Wiederholungen des Arbeitsspiels wird der Zähler (I) weitergeschaltet und wenn die Ablesung vom Druckwandler 26 den voreingestellten Wert (über die Tastatur 116 dem Steuercomputer 114 eingegeben) übersteigt, so wird das Arbeitshubrelais 110 geöffnet, um die Stellung des Mehrwegeventiles 18 zu ändern und den Arbeitshub der Schraubwinde 10 zu beenden. Der Mikroprozessor 30 prüft dann abermals, ob das System im Handbetrieb bzw. halbautomatisch (Betriebsweise 1) oder im automatischen Betrieb (Betriebsweise 2) arbeitet. Befindet sich das System im automatischen Betrieb, so werden die letzten 20 Ablesungen des Druckwandlers 26 und der Zählerstand des Zählers I zum Steuercomputer 114 übertragen und das Arbeitsspiel kehrt zu "Starttaktgeberunterbrechung" (siehe Fig. 9A) für das nächste Arbeitsspiel des Systems zurück, das durch den Steuercomputer 114 ausgelöst wird, wobei es sich um einen Rückhub handelt, außer in dem Fall, daß der gewünschte Drehmomentwert erreicht worden ist, der den gewünschten Festziehmoment an dem festzuziehenden Bauteil entspricht.

Wenn das System im Handbetrieb gefahren wird bzw. halbautomatischen Betrieb durchführt, so löst die Bedienungsperson über die Tastatur 116 einen Arbeitshub aus. Der Mikroprozessor beendet automatisch den Arbeitshub, wenn der vom Druckwandler 26 festgestellte Druck einen voreingestellten Druckwert überschreitet. Die Anzeigevorrichtung 118 meldet der Bedienungsperson, daß nun ein Rückhub durchgeführt werden muß und die Bedienungsperson löst diesen Rückhub wiederum über die Tastatur 116 aus. Der Rückhub wird automatisch nach einer bestimmten Zeitdauer beendet und die Schraubwinde wird ausgeschaltet, um neuerlich einen Arbeitshub einzuleiten.

Das automatische Steuersystem zur Steuerung des taktweise aufgebrachten Drehmomentes verwendet einen Algorithmus, der in den Fig. 11-13 abgeleitet ist, um den jeweiligen Zustand beim Festziehen des festzuziehenden Bauelementes oder der Schraube zu bestimmen. Wie in den Fig. 11-13 gezeigt ist, gibt es drei mögliche Zustände, wenn die Schraubwinde ihren Arbeitshub ausführt:

1) Es ist möglich, daß die Schraubwinde sich im Zustand eines Zwischenhubes befindet, d. h. die Schraubwinde ist abgeschaltet und der vorgewählte Drehmomentwert ist an dem festzuziehenden Bauteil (siehe Fig. 11) noch nicht erreicht;
2) Die Schraubwinde hat den letzten Hub ausgeführt, d. h. der voreingestellte Drehmomentwert ist an dem festzuziehenden Bauteil erreicht (siehe Fig. 12);
3) Die Schraubwinde hat nicht richtig gearbeitet, d. h. der Ratschmechanismus ist nicht eingerastet (siehe Fig. 13).

Fig. 11 zeigt ein Diagramm des Schraubwindenbetriebes bei einem normalen mittleren Arbeitsspiel, d. h. vor Erreichen des voreingestellten Drehmomentwertes. Fig. 11 stellt ein Diagramm des Druckmitteldruckes in der Schraubwinde über der Zeit aufgetragen dar. Der Druckanstieg beim Arbeitshub der Schraubwinde ist aufgetragen und die Steigung, welche die Änderungsgeschwindigkeit des Druckes in Abhängigkeit von der Zeit angibt, wird als dPave bezeichnet. Wenn sich die Schraubwinde abschaltet, so erhöht sich der Druck in einer kurzen Zeitspanne beträchtlich, wenn der Druckmitteldruck sich auf die Zylinderwände einwirkt. Diese hohe Druckänderungsgeschwindigkeit ist bei dP _f angedeutet. Der Zustand der raschen Druckänderung dP _f (über eine Zeit der letzten 10 Zeiteinheiten) ergibt eine größere Druckänderung als dPave über eine bestimmte Anzahl von Zeiteinheiten (beispielsweise 60 Zeiteinheiten), was bedeutet, daß die Schraubwinde einen Zwischen-Arbeitshub beendet hat und der endgültige Drehmomentwert für das Festziehen einer Schraube oder Mutter noch nicht erreicht worden ist, so daß die Schraubwinde weitere Arbeitsspiele durchführen muß. In dem automatischen System geschieht dieses Wiederholen der Arbeitsspiele automatisch. Im halbautomatischen Betrieb muß die Bedienungsperson darauf achten, daß sich die Schraubwinde ausgeschaltet hat und muß durch Betätigen der Tastatur einen Rückhub und einen neuerlichen Arbeitshub einleiten. Die Bedienungsperson kann aber auch durch Sichtkontrolle feststellen, daß die Schraubwinde sich innerhalb eines Arbeitshubes befindet und dabei den Abschalt-Drehmoment erreicht hat.

Es sei nunmehr Fig. 12 betrachtet. dP _f ist größer als dPave, doch die Zeit, die zur Beendigung des Arbeitshubes notwendig ist, ist weniger als 90% der Zeit, die für den ersten Arbeitshub benötigt wird, beispielsweise der in Fig. 11 zugrundegelegte Arbeitshub. Das bedeutet, daß dieser Arbeitshub nicht unter Einrasten durchgeführt wurde und der Bedienungsperson wird signalisiert, beispielsweise durch eine akustische Anzeige oder eine Sichtanzeige, daß die Anbringung der Schraubwinde korrigiert werden muß und/oder daß ein Rückhub und ein neuerlicher Arbeitshub der Schraubwinde durchgeführt werden muß.

In dem Diagramm nach Fig. 13 ist für die letzten 10 Zeiteinheiten der Druckanstieg dP _f kleiner als dPave. Das bedeutet, daß der vorbestimmte Drehmomentwert, welcher dem Festziehmoment für das festzuziehende Bauteil entspricht, erreicht worden ist und daß der Druckwandler 26 den Abschaltdruck aufgenommen hat, so daß das Arbeitshubrelais 110 geöffnet worden ist, um den Druckmittelzustrom zu der Schraubwinde zu beenden. Der vorbestimmte Drehmomentwert ist also erreicht worden und die Anzeigevorrichtung 118 meldet der Bedienungsperson, daß die Schraubwinde an die nächste festzuziehende Mutter oder das nächste festzuziehende Bauelement angesetzt werden kann.

Das Programm des Steuercomputers 114 sei nachfolgend kurz erläutert. Der Steuercomputer 114 beginnt das Schraubwinden-Unterprogramm durch Vorbereiten der Bedienungsperson vermittels der Anzeigevorrichtung 118 für die durchzuführenden Handlungen und Angabe des Drehmomentes, das zum Festziehen des betreffenden Bauteiles einwirken soll. Die Bedienungsperson gibt dann die entsprechenden Daten über die Tastatur 116 ein, beispielsweise Windengröße, Drehmomentwert und allgemeine festzuhaltende Daten. Wenn das von der Bedienungsperson eingegebene Drehmoment größer als das erzeugbare Drehmoment derjenigen Schraubwinde ist, welche von der Bedienungsperson bezeichnet worden ist, so signalisiert der Computer der Bedienungsperson über die Anzeigevorrichtung 118, daß entweder eine andere Schraubenwinde notwendig ist oder die Drehmomentparameter geändert werden müssen. Der Steuercomputer errechnet den der Schraubwinde zuzuführenden Druckmitteldruck, welcher erforderlich ist, um das von der Bedienungsperson gewählte Drehmoment zu verwirklichen und errechnet dann den Spannungswert in Millivolt, welcher diesem Drehmoment entspricht.

Hiernach drückt die Bedienungsperson die "GO-Taste", um den Betrieb aufzunehmen. Die "GO-Taste" ist eine sog. Totmanntaste, welche von Hand während der gesamten Arbeitszeit der Schraubwinde niedergedrückt werden muß. Die Schraubwinde wird stillgesetzt, wenn die Taste losgelassen wird. Nach Drücken der "GO-Taste" werden von dem Steuercomputer 114 die Daten eingesammelt, welche eine die Betriebsweise kennzeichnende Ziffer und eine ein bestimmtes Relais kennzeichnende Ziffer enthalten. Der Steuercomputer 114 sendet diese Ziffer zu dem Mikroprozessor 30. Die Betriebsweisenkennzeichnung unterscheidet zwischen automatischem Betrieb (Betriebsweise 2) und Handbetrieb (Betriebsweise 1), was durch entsprechende Eingabe der Bedienungsperson jeweils wählbar ist.

Die ein Relais bezeichnende Ziffer innerhalb der Signale für den Mikroprozessor 30 bewirkt, daß entweder das Arbeitsrelais 110 oder das Rückhubrelais 112 geschlossen ist.

Das Programm stellt sicher, daß die Schraubwinde zurückgezogen ist (Relaiskennzeichnungssignal $ = R). Im Programm wird dann durch Abzählung die Zeitdauer J vorgegeben, um den Rückhub vollständig auszuführen und es erfolgt dann ein Übergang zu einem Unterbrechungsunterprogramm, so daß der Mikroprozessor 30 den Rückhub beendet. Das Programm kehrt dann zu dem Punkt zurück, an dem das Arbeitshubrelais geschlossen wird. Hierauf geht das Programm zu einem Kommunikationsunterprogramm über, um wiederum die Kommunikationsinformationsfolge anzusammeln, nämlich die Betriebsweisenkennzeichnung, den voreingestellten Druckwert und die das Relais kennzeichnende Ziffer im Steuercomputer 114. Diese Informationsfolge wird dann von dem Steuercomputer 114 dem Mikroprozessor 30 mitgeteilt, so daß letzterer das Arbeitshubrelais schließt und einen Festzieh-Arbeitsgang der Schraubwinde in Gang setzt. Für den Arbeitshub schließt der Mikroprozessor 30 das Arbeitshubrelais und überwacht den Druckwandler 26 (über den Vergleicher 42), bis der Druck einen vorbestimmten Wert erreicht hat, der durch den Steuercomputer 114 gewählt worden ist. Ist dieser Druck erreicht, so öffnet der Mikroprozessor 30 das Arbeitsrelais 110, so daß der Arbeitshub der Schraubwinde beendet wird.

Wenn die Schraubwinde ihren Arbeitshub ausführt, speichert der Mikroprozessor 30 die letzten 20 Druckablesungen vom Vergleicher 42. Wird der Arbeitshub unterbrochen, so werden diese Daten plus eins, also eine Zahl, welche die Gesamtanzahl der Druckablesungen über ein vollständiges Arbeitsspiel angibt (d. h. insgesamt also 21 Datenpunkte) zu dem Computer 114 übertragen (siehe Fig. 9D).

Das Programm im Steuercomputer 114 errechnet nun eine mittlere Steigung (Druck/Zeit) für das soeben vollendete Arbeitsspiel durch Dividieren der letzten Druckablesung durch die Gesamtzahl der vorgenommenden Ablesungen. Dieser Wert ist in den Fig. 11-13 als dPave bezeichnet. Dann errechnet der Computer 114 die Steigung dP _f (Druck/Zeit) für die letzten 10 Aufnahmepunkte während des Arbeitsspieles.

(P₂₀ - P₁₀)_/10 = dP _f

Hierin ist P₂₀ die letzte Druckablesung. P₁₀ ist die zehnte Druckablesung einer Folge von zwanzig Druckablesungen bis zum Wert P₂₀.

Der Computer 114 vergleicht die zuletzt festgestellte Steigung dP _f mit der mittleren Steigung dPave und vergleicht außerdem die Gesamtzahl von Meßpunkten für das vorliegende Arbeitsspiel mit den Werten für das vorausgegangene Arbeitsspiel um festzustellen, ob eine der folgenden drei Bedingungen existiert:

a) Ist dP _f größer als dPave (siehe Fig. 11) und ist das 1,1fache der Zahl von Druckablesungen, welche vorgenommen wurden, gleich oder größer als die Anzahl von Druckablesungen bei dem unmittelbar vorhergehenden Arbeitshub? Diese Bedingung bedeutet einen zwischenliegenden Arbeitshub und das festzuziehende Bauteil ist noch nicht festgezogen. Ein weiterer Arbeitshub ist erforderlich.
b) Ist dP _f größer als dPave (Fig. 12) und die Zahl der genommenden Ablesungen ist nicht größer als das 1,1fache der Zahl der Ablesungen bei dem unmittelbar vorhergehenden Arbeitshub? Diese Bedingung bedeutet, daß bei dem Arbeitshub der Ratschmechanismus nicht eingerastet ist und daß ein das Nichteinrasten meldendes Signal in der Anzeigevorrichtung 118 erzeugt wird. Die Bedienungsperson wird angewiesen, die Anbringung der Schraubwinde zu überprüfen und ein weiterer Arbeitshub ist erforderlich, welcher von der Bedienungsperson eingeleitet werden muß.
c) dP _f ist kleiner als dPave (siehe Fig. 13). Diese Bedingung bedeutet, daß die Schraubwinde während der Ausführung des Arbeitshubes stillgesetzt worden ist und daß der voreingestellte Druckwert erreicht worden ist. Es handelt sich also um den letzten Arbeitshub und die Bedienungsperson wird angewiesen, die Schraubwinde an die nächste Schraube oder Mutter oder dergleichen anzusetzen. Der Drucker liefert einen Ausdruck bezüglich des Drehmomentwertes und der übrigen historischen Daten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der hier angegebenen Konstruktion kann die Drehmoment-Drehungs-Beziehung dazu verwendet werden, einen Schraubmutterfaktor K zu bestimmen und die Vorspannung festzulegen, die auf das festzuziehende Bauteil aufgebracht wird. Der Abschalt-Drehmomentwert kann in der Weise eingestellt werden, daß sichergestellt ist, daß die gewünschte Vorspannung (d. h. die Vorspannkraft) auf die betreffende Schraubverbindung aufgebracht wird.

Bei Herstellung einer Verbindung, beispielsweise einer Flanschverbindung mit einem Kranz von Schrauben, ist es ein erklärtes Ziel, dieselbe Vorspannung oder Vorspannkraft an jeder Schraubverbindung vorzusehen. Allerdings unterscheidet sich die Schmierung jeder Schraubverbindung beispielsweise aus Schraube und Mutter von Schraubverbindung zu Schraubverbindung, was eine Vielzahl von Gründen haben kann, beispielsweise unterschiedlicher Schmiermittelauftrag, Schmutzteile, Reibstellen usw. Durch das hier angegebene System wird die Möglichkeit geschaffen, die Vorspannung an jeder Schraubverbindung gleich zu machen oder nahezu gleich zu machen, so daß sich eine optimale Verbindung der zusammenzuspannenden Teile, etwa einer Flanschverbindung erreichen läßt.

Während eine Schraube bei jedem Zwischenhub der Schraubwinde festgezogen wird, werden Druckdaten gesammelt, welche dazu verwendet werden können, das Verhältnis von Drehmoment zu Drehung, den Schraubmutterfaktor und die Vorspannung zu errechnen. Während die Schraubwinde während eines vollständigen Vorwärtshubes eine Drehung über einen Winkel von R ausführt, werden zahlreiche Druckablesungen P aufgenommen und die Daten werden in dem Speicher des Computers 114 oder des Mikroprozessors 30 abgespeichert. Der Unterschied Δ P zwischen dem Druck P₂ am Ende des Arbeitshubes und dem Druck P₁ am Beginn des Arbeitshubes entspricht dem Drehmoment T, welches während des Arbeitshubes auf das festzuziehende Bauelement ausgeübt wird. Der Druck P₁ ist derjenige, bei welchem der Druckanstieg während eines Arbeitshubes den linearen Bereich nach einem kurzen Anfangsabschnitt des Arbeitshubes erreicht (siehe beispielsweise Fig. 11 bis 13).

Durch Kombination dreier bekannter theoretischer Gleichungen, wie sie bei der Behandlung von Schraubverbindungen verwendet werden, ist es möglich, um näherungsweise den Schraubmutterfaktor K und die Vorspannung für eine bestimmte Schraubverbindung innerhalb einer Verbindungskonstruktion zu bestimmen. Der abgekürzte Ausdruck für die Drehmoment-Vorspannungs-Gleichung ist:

T = K DF _p (1)

Hierin bedeuten:

T = aufgebrachtes Drehmoment (in.-lbs.)
D = Schrauben-Nenndurchmesser (in.)
F _p = Schrauben-Vorspannung (lbs.)
K = Schrauben-Mutter-Faktor

Die theoretische Anzugs-Vorspannungs-Gleichung lautet:

Hierin bedeuten:

R = Drehung der Mutter (Grad)
K _B = Schrauben-Festigkeit (lbs./in.)
K _J = Flansch-Festigkeit (lbs./in.)
Pi = Gewindesteigung (in.)
F _p = Vorspannung

(K _B und K _J werden in bekannter Weise entsprechend Werkstoff und Geometrie der Schraubverbindung bestimmt).

Die Gleichung für die Abhängigkeit des Drehmomentes vom Druck zur Bestimmung des von einer bestimmten ausgewählten Winde erzeugbaren Drehmomentes lautet folgendermaßen:

T = A _c PL (3)

Hierin bedeuten

A _c = Querschnittsfläche des Antriebszylinders der Schraubwinde (in²)
L = Länge des Hebelarmes der Winde (in.)
P = Zylinderdruck (psi)

Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) kann die folgende Gleichung zur Bestimmung des Schraubmutterfaktors während jedes Arbeitshubes abgeleitet werden:

Hierin bedeuten:

K = Schraubmutterfaktor
L = Länge des Hebelarmes der Schraubwinde (in)
A _c = Querschnittsfläche des Arbeitskolbens der Schraubwinde
K _B = Festigkeit der Schraube (lbs/in)
K _J = Festigkeit der Flanschverbindung (lbs/in)
D = Nenndurchmesser der Schraube
Δ P = Druckänderung während des Arbeitshubs der Schraubwinde (P₂ - P₁) (psi)
ΔR = winkelmäßig angegebener Arbeitshub der Schraubwinde oder Änderung des Drehwinkels der Mutter
Pi = Gewindesteigerung (inch)

Ist K bekannt, so kann das aufzuwendende Drehmoment zur Erzielung einer bestimmten Vorspannung entsprechend Gleichung (1) eingestellt werden, um eine vorbestimmte Vorspannung in jeder Schraubverbindung einer Verbindungskonstruktion zu erhalten.

Die wichtige Eigenschaft der hier angegebenen Konstruktion ist es, daß eine Möglichkeit aufgezeigt ist, um Unterschiede der Schraubmutterfaktoren in jeder Schraubverbindung zu berücksichtigen, um schließlich zu einer Verbindungskonstruktion zu kommen, bei der sämtliche Schraubverbindungen dieselbe oder nahezu dieselbe Vorspannung haben. Wie zuvor schon ausgeführt, hat im Idealfall jede Schraubverbindung etwa in einer Flanschverbindungskonstruktion dieselbe Vorspannung. Durch Ableitung des Schraubmutterfaktors K und nachfolgende Einstellung des Drehmomentes T zur Erzielung einer bestimmten Endvorspannung ist es bei dem hier angegebenen System möglich, bei allen Schraubverbindungen innerhalb einer Verbindungskonstruktion den Idealfall einer gleichen Vorspannung anzunähern.

Bei dem vorliegenden System ist es möglich, den Schraubmutterfaktor K für jeden zum Festziehen des festzuziehenden Bauteils verwendeten Arbeitshub der Schraubwinde zu bestimmen oder es kann auch so verfahren werden, daß der Schraubmutterfaktor K nur für einen oder zwei Arbeitshübe vor dem letzten Arbeitshub ermittelt wird. Ist der Schraubmutterfaktor K bekannt, so kann das zum Erzielen einer bestimmten Vorspannung notwendige Drehmoment T entsprechend Gleichung (1) erreichnet werden und dann kann das gewählte Abschaltdrehmoment, welches in das System eingegeben wird, auf entsprechende neue Werte abgeändert werden, die sich aus der Analyse der Beziehung zwischen Drehmoment und Schraubendrehung ergeben. Diese Einstellung des gewählten Abschaltdrehmomentes kann automatisch durch ein Programm im Computer 114 vorgenommen werden oder kann von Hand durch die Bedienungsperson geschehen.

Zusätzlich zur Bestimmung des Drehmomentes, welches aufgebracht werden muß, um eine gewünschte Vorspannung der Verbindungskonstruktion zu erreichen, kann das vorliegende System auch eine Anzeige bezüglich Reibstellen oder Hindernissen an einer Schraube liefern und verhindern, daß eine nicht korrigierbare Beschädigung der Gewindegänge auftritt. Ein ungewöhnlicher Reibwiderstand wird durch einen wesentlichen Anstieg des Schraubmutterfaktors signalisiert. Das Auftreten eines solchen Anstieges des Schraubmutterfaktors sagt der Bedienungsperson, daß der Wert des Abschaltdrehmomentes nicht erhöht werden darf. Vielmehr muß die Mutter gelöst werden und die Gewindegänge der Schraube müssen gereinigt werden, gegebenenfalls nachgeschnitten werden, geschmiert werden oder in anderer Weise behandelt werden, um eine ungewöhnliche Reibung zu vermeiden. Da Gewindegänge, die zum Festfressen neigen, entfernt werden müssen, beispielsweise abgedreht werden müssen, führt die zuvor erwähnte Eigenschaft des hier angegebenen Systems zu beträchtlichen Einsparungen.

Um in dem System die Abhängigkeit von Drehmoment und Schraubendrehung oder Mutterdrehung zu berücksichtigen, ersetzt ein digitaler Plotter 25 A gemäß Fig. 7 die digitale Ablesung im Bauteil 25 von Fig. 1. Der digitale Plotter 25 A ist mit dem Mikroprozessor 30 verbunden und empfängt sämtliche Druckablesungen vom Mikroprozessor 30 während eines zum Festziehen dienenden Arbeitshubes. Es sei hier auf das Flußdiagramm von Fig. 9D aufmerksam gemacht, in welchem gezeigt ist, daß die genannten Druckablesungen zu dem digitalen Plotter 25 A unmittelbar oberhalb des Entscheidungsblockes MMV < Voreinstellungswert zugeführt werden. Der digitale Plotter 25 A erzeugt Aufzeichnungen der Druckablesungen in Abhängigkeit von der Zeit ähnlich denen, die in den Fig. 11 bis 13 für jeden Arbeitshub der Schraubwinde gezeigt sind. Jede Schraubverbindung erfordert mehrere Arbeitshübe zum Erreichen des voreingestellten Drehmomentes, beispielsweise 3 bis 7. Die Bedienungsperson wählt einen mittleren Arbeitshub, d. h., weder den ersten noch den letzten Hub, und vorzugsweise einen mittleren Hub innerhalb einer Serie von Arbeitshüben, um den zuvor beschriebenen Prozeß zur Bestimmung des Schraubmutterfaktors K und des Wertes F _p durchzuführen und das Abschaltdrehmoment neu zu bestimmen, so daß die gewünschte Vorspannung erreicht wird. Um das Verfahren weiter zu verfeinern, sollte die Bedienungsperson vorzugsweise die Daten aus dem mittleren Drittel des Diagramms der Drücke in Abhängigkeit von der Zeit verwenden, um den Wert Δ P zu bestimmen und sollte für die Schraubdrehung 1/3 R verwenden. Für das Beispiel von Fig. 11 bedeutet dies, daß die Bedienungsperson die Druckwerte zu den Ablesungszeichen 27 und 43 zur Bestimmung von P₁ zu 27 MMV und P₂ zu 38 MMV verwendet. Selbstverständlich müssen diese Millivoltablesungen mit einem konstanten Faktor (10,25im vorliegenden Falle) multipliziert werden, um die Millivoltablesungen in die entsprechenden Druckwerte umzuwandeln.

Bei einigen Anwendungsfällen, beispielsweise für große Schraubbolzen und Schrauben an Druckgefäßen, Pipelines und dergleichen, ist es allgemein Übung, die Schraubverbindungen in mehreren Durchgängen festzuziehen. Das bedeutet, daß bei einem Durchgang sämtliche Schrauben oder Muttern mit einem Drehmoment von beispielsweise 100 ft. lbs., dann in einem zweiten Durchgang sämtlich mit einem Drehmoment von 200 fl. lbs. und schließlich in einem dritten letzten Durchgang mit einem Drehmoment von 300 ft. lbs. festgezogen werden. In diesem Falle kann die Bestimmung des Schraubmutterfaktors K unter Betrachtung der Abhängigkeit von Drehmoment und Schraubendrehung, die Bestimmung der Vorspannung und die Neueinstellung des Drehmomentes am Ende eines mittleren Durchganges vorgenommen werden und ein endgültiges Abschaltdrehmoment kann für den letzten Durchgang festgelegt werden.

Während das Verfahren zur Bestimmung eines Faktors zur Kennzeichnung von Drehmoment und Schraubendrehung vorliegend anhand eines von Hand durchzuführenden Verfahrens erläutert worden ist, versteht es sich, daß dieses Verfahren auch automatisch durchgeführt werden kann und von dem Steuercomputer durch Eingabe eines entsprechenden Programms verwirklicht werden kann.

Abschließend sei angemerkt, daß sich in der Akte dieser Anmeldung ein Beispiel eines Programms in Gestalt von Flußdiagrammen und Tabellen als Anhang zu vorstehender Beschreibung findet.

Claims

1. Einrichtung zum Bestimmen und zur Anzeige des Drehmomentes an druckmittelbetriebenen Schraubwinden (10) sowie zur automatischen Betätigung und Beendigung der Betätigung solcher Schraubwinden, welche von einer Druckmittelpumpe gespeist werden, gekennzeichnet durch eine erste Steuereinrichtung (114) zur Auswahl eines gewünschten Wertes des auf ein festzuziehendes Bauteil mittels der Schraubwinde (10) aufzubringenden Drehmomentes, durch eine zweite Steuereinrichtung (30), die mit der ersten Steuereinrichtung (114) in Verbindung steht und von dieser ein erstes Signal enthält, das dem gewünschten Drehmomentwert entspricht und einem zum Festziehen des festzuziehenden Bauteils dienenden Arbeitshub der Schraubwinde auslöst, durch Überwachungsmittel (26) zur Überwachung des Druckes des Druckmittels für die Schraubwinde und zur Erzeugung eines zweiten Signales, das dem Drehmoment entspricht, das von der Schraubwinde (10) auf das festzuziehende Bauteil ausgeübt wird, durch einen Vergleicher (42) zum Vergleichen des ersten und des zweiten Signals und zur Abgabe eines dritten Signals an die zweite Steuereinrichtung (30) zum Unterbrechen des Betriebes der Schraubwinde (10) sowie durch eine solche Ausbildung der ersten Schraubwinde (10) sowie durch eine solche Ausbildung der ersten Steuereinrichtung, daß sie den zeitlichen Druckverlauf beim Arbeitshub der Schraubwinde analysiert und entweder einen weiteren Arbeitshub einleitet oder den Arbeitshub beendet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (114) mit einer Eingabevorrichtung (116) zusammenwirkt, um die ausgewählte Windengröße und einen bestimmten Wert des Drehmomentes einzugeben, das auf das festzuziehende Bauteil einwirken soll, wobei der Rechner (114) den gewählten Drehmoment in eine das erste Signal bildende Spannung umwandelt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung (30) einen zweiten Rechner enthält, der das das erste Signal darstellende Spannungssignal empfängt und eine Reihe von Bezugssignalen an den Vergleicher (42) liefert und daß die Überwachungseinrichtung einen Druckwandler (26) enthält, der auf den Druck der die Schraubwinde (10) betätigenden Druckflüssigkeit anspricht und ein Spannungssignal erzeugt, das diesem Druck entspricht und das zweite Signal darstellt und daß der Vergleicher die genannte Reihe von Bezugssignalen mit dem das zweite Signal darstellenden Spannungssignal vergleicht und ein elektrisches Signal als das genannte dritte Signal in Abhängigkeit von einer bestimmten Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal abgibt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (114) zwischen einem Zwischen-Arbeitshub, bei dem ein Drehmoment kleiner als das gewählte Drehmoment zum Festziehen des festzuziehenden Bauteils erreicht wird, und einem End-Arbeitshub zu unterscheiden vermag, bei welchem der gewählte Wert des Drehmomentes erreicht wird, mit dem das festzuziehende Bauteil schließlich festgezogen werden soll.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung zwischen einem Zwischen-Arbeitshub der Schraubwinde und einem End-Hub in der Weise unterscheidet, daß das Verhältnis zwischen der mittleren Änderungsgeschwindigkeit des Druckes der Druckflüssigkeit für die Schraubwinde über einen wesentlichen Teil des zum Festziehen dienenden Arbeitshubes der Schraubwinde hin und der am Ende des Arbeitshubes auftretenden Änderungsgeschwindigkeit des Druckes des Druckmittels untersucht wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein größeres Verhältnis zwischen der am Ende auftretenden Änderungsgeschwindigkeit des Druckes des Druckmittels zu dem Mittelwert der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes des Druckmittels, welches einen höheren Wert annimmt, als Anzeichen für einen Zwischen-Arbeitshub der Schraubwinde dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis, bei dem der zu Ende des Arbeitshubes auftretende Wert der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes der Druckflüssigkeit kleiner ist als der Mittelwert der Änderungsgeschwindigkeit des Druckes der Druckflüssigkeit ein Anzeichen für einen End-Arbeitshub der Schraubwinde darstellt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (114) zwischen einem Zwischen-Arbeitshub und einem nicht ordnungsgemäßen Arbeitshub der Schraubwinde zu unterscheiden vermag.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis, bei dem die zu Ende des Arbeitshubes auftretende Änderungsgeschwindigkeit des Druckes der Druckflüssigkeit größer als die mittlere Änderungsgeschwindigkeit des Druckes der Druckflüssigkeit über eine Zeit von weniger als 90% der Zeitdauer des vorausgegangenen Arbeitshubes ist, einen nicht ordnungsgemäßen Arbeitshub der Schraubenwinde signalisiert (Fig. 12).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmittelsteuerventil (18) in den Druckmittelleitungen zwischen der Druckmittelpumpe (14) und der Schraubwinde (10) gelegen ist, um Druckmittel für einen Arbeitshub oder einen Rückhub der Schraubwinde dieser zuzuführen, daß mit dem Druckmittelsteuerventil ein erstes Ventilsteuerorgan (110) gekoppelt ist, das das Ventil entweder in eine Neutralstellung oder in eine Arbeitshubstellung bewegt, um Druckmittel im Sinne eines Arbeitshubs zur Schraubwinde (10) zu leiten, daß mit dem Druckmittelsteuerventil ein zweites Ventilsteuerorgan (112) verbunden ist, welches das Druckmittelsteuerventil entweder in eine Neutralstellung oder in eine Rückhubstellung bewegt, um Druckmittel im Sinne eines Rückhubs der Schraubwinde (10) zu dieser zu leiten und daß die zweite Steuereinrichtung (30) zur Steuerung eines Arbeitshubes oder eines Rückhubes der Schraubwinde mit den Ventilsteuerorganen (110, 112) verbunden ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucküberwachungsvorrichtung, welche einen Druckwandler (26) enthält, außerdem einen Verstärker (38) aufweist, der mit dem Druckwandler verbunden ist und dessen Ausgangssignale aufnimmt und ein Signal abgibt, welches dem Vergleicher (42) zugeführt wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung einen Mikroprozessor (30) sowie einen damit verbundenen Digital-/Analogumformer (44) enthält, der eine Folge digitaler Spannungssignale von dem Mikroprozessor aufnimmt und sie der Reihe nach dem Vergleicher (42) zum Vergleich mit den Ausgangssignalen bzw. mit den verstärkten Ausgangssignalen der Drucküberwachungsvorrichtung entsprechend dem jeweiligen Druckwert zuleitet und daß der Vergleicher (42) in der Weise mit dem Mikroprozessor (30) verbunden ist, daß er ein Signal an den Mikroprozessor liefert, wenn die digitale Signalspannung am Vergleicher und das verstärkte Ausgangssignal der Drucküberwachungsvorrichtung etwa gleich sind.

13. Verfahren zur Bestimmung und Anzeige des Drehmomentes an druckmittelbetriebenen Schraubwinden sowie zur automatischen Betätigung und Beendigung der Betätigung solcher Schraubwinden, insbesondere unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Steuereinrichtung ein bestimmter Drehmomentwert zum Festziehen eines festzuziehenden Bauteils mittels der Schraubwinde gewählt wird und an eine mit der ersten Steuereinrichtung verbundene zweite Steuereinrichtung ein dem gewählten Drehmoment entsprechendes erstes Signal geführt wird, um ein Festzieh-Arbeitsspiel der Schraubwinde einzuleiten, daß der Betriebsdruck an der Schraubwinde überwacht und ein zweites Signal erzeugt wird, das dem tatsächlich von der Schraubwinde auf das festzuziehende Bauteil aufgebrachten Drehmoment entspricht, daß die beiden genannten Signale miteinander verglichen werden, um den Betrieb der Schraubwinde zu unterbrechen und daß in der ersten Steuereinrichtung der zeitliche Druckverlauf beim Festzieh-Arbeitsspiel der Schraubwinde analysiert wird, entweder ein weiteres Arbeitsspiel im Sinne eines Festziehens einzuleiten oder den Betrieb zu beenden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wahl eines günstigen Drehmomentwertes in der ersten Steuereinrichtung einem ersten Rechner zusätzliche Eingaben entsprechend der gewählten Windengröße eingegeben werden und daß der erste Rechner die Eingaben in ein erstes Spannungssignal umformt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner der zweiten Steuereinrichtung das erste Spannungssignal zur Bildung einer Reihe von Bezugssignalen für den Signalvergleich zwischen diesen Bezugssignalen und dem Ausgangssignal der Drucküberwachungsvorrichtung entsprechend dem tatsächlich am festzuziehenden Bauteil wirksamen Drehmoment verwendet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch Analysieren des zeitlichen Verlaufes der Druckänderung der Druckflüssigkeit für die Schraubwinde in Relation zu einer mittleren Druckänderung über ein bestimmtes Betriebsintervall hin zwischen einem Zwischen-Arbeitshub in einer Folge von Arbeitshüben oder einem abschließenden Arbeitshub oder einem unvollständigen, fehlerhaften Arbeitshub der Schraubwinde unterschieden wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schraubmutterfaktor für das festzuziehende Bauteil ermittelt wird, daß, basierend auf diesem Schraubmutterfaktor eine bestimmte Vorspannung für jedes festzuziehende Bauteil ermittelt wird und daß abhängig von der ermittelten bestimmten Vorspannung der gewünschte Wert des aufzubringenden Drehmomentes am festzuziehenden Bauteil geändert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubmutterfaktor aus dem Druck der Druckflüssigkeit für die Schraubwinde und der Winkelbewegung der Schraubwinde ermittelt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubmutterfaktor entsprechend folgender Beziehung ermittelt wird: hierin bedeuten:K = Schraubmutterfaktor
L = Länge des Hebelarms der Schraubwinde (in.)
Ac = Querschnittsfläche des Arbeitskolbens der Schraubwinde
K _B = Festigkeit der Schraube (lbs/in)
K _J = Festigkeit der Flanschverbindung (lbs/in)
D = Nenndurchmesser der Schraube
Δ P = Druckänderung während des Arbeitshubs der Schraubwinde (P₂-P₁) (psi)
ΔR = winkelmäßig angegebener Arbeitshub der Schraubwinde oder Änderung des Drehwinkels der Mutter
Pi = Gewindesteigung (inch)

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung entsprechend folgender Beziehung ermittelt wird: F _p = T/KD,worin F _p die Vorspannung bedeutet, T das Drehmoment ist und D den Durchmesser des festzuziehenden Bauteils bedeuten.