DE4024577C2 - Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer SchraubverbindungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung
einer Vorspannkraft in einer Schraubverbindung der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE 35 21 937 C2)
wird als Meßwert im ersten und zweiten Verfahrensschritt
jeweils das Drehmoment (Anzugsmoment bzw. Lösemoment)
gemessen und gespeichert, das vom Schrauber bei einer
mittleren Position der Schraubverbindung bei einem genau
definierten Rotations- oder Drehwinkel ϕ0 auf das
Schraubelement ausgeübt wird. Aus dem dabei gemessenen
Anzugsdrehmoment MAO und Lösedrehmoment MLO sowie aus der
Gewindesteigung P der Schraubverbindung und der vorgegebenen
gewünschten Vorspannkraft FV wird das Endanzugsdrehmoment
MAE gemäß
ermittelt.
Bei diesem Verfahren ist eine genaue Winkelmessung bei der
Rotations- oder Drehwinkelmessung erforderlich, da beide
Drehmomente bei exakt dem gleichen Drehwinkel ϕ0 gemessen
werden müssen. Bei der Praxisanwendung dieses Verfahrens ist
es daher erforderlich, zum einen vor Einleiten der einzelnen
Verfahrensschritte den Nullpunkt des als Drehwinkelgebers
verwendeten Winkelkodierers auf ein bestimmtes
Bezugsdrehmoment einzustellen und ab da den Drehwinkel zu
messen, und zum anderen beim Lösen der Schraubenverbindung
ein Spiel oder einen toten Gang im Schrauber dadurch
auszugleichen, daß die Rotationswinkelimpulse des
Winkelkodierers zunächst unterdrückt werden, bis ein
gewisses Umkehr- oder Gegendrehmoment (Lösemoment)
festgestellt worden ist.
Aus der EP 96 620 B1 ist ein Verfahren zum Anziehen einer
Schraubverbindung bekannt, bei dem zur Berechnung des
endgültigen Klemmomentes der Gradient von Drehmoment- zur
Drehwinkeländerung sowohl beim Anziehen, als auch in
Gegenrichtung beim Lösen der Schraubverbindung, dem
sogenannten Reversieren, ermittelt wird. Dies hat den
Vorteil, daß eine absolute Winkelmessung nicht erforderlich
ist und damit beim Reversieren des Schraubers auftretende
Winkelmeßfehler nicht verfälschend in das Meßergebnis
eingehen können. Maßnahmen zur Unterdrückung der
Winkelmeßfehler, wie sie bei dem aus der DE 35 21 937 C2
bekannten Verfahren erforderlich sind, sind dadurch
überflüssig.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruches 2 hat den Vorteil, daß es relativ
unempfindlich gegenüber statischen Momentschwankungen ist,
wobei allerdings wiederum genaue Winkelmessungen
erforderlich sind. In allen Fällen wird durch einfache
Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel eine hochgenaue
Einstellung der Vorspannkraft erreicht. Zusätzliche
Maßnahmen sind nicht erforderlich.
Bei einer ersten Verfahrensvariante werden als Meßwerte im
ersten und zweiten Verfahrensschritt jeweils das Integral
(∫Mdϕ) des Drehmoments M (Anzugsmoment bzw. Lösemoment) beim
Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung über den
Drehwinkel ϕ in einem exakt definierten Winkelbereich,
dessen Größe sowohl beim Anziehen als auch beim Lösen der
Schraubverbindung eingehalten wird, gebildet und gespeichert
und daraus mit den bekannten Größen der gewünschten
Vorspannkraft und der Steigung des Schraubgewindes das
Endanzungsdrehmoment errechnet, mit dem dann das
Schraubelement durch den Schrauber angezogen wird. Diese
Verfahrensvariante hat den Vorteil, daß die Integralmessung
relativ unempfindlich gegenüber statistischen
Momentschwankungen, dem sog. Rauschen, ist und damit ein
relativ genauer Wert des erforderlichen
Endanzungsdrehmoments ermittelt wird.
Bei einer zweiten Verfahrensvariante wird wiederum als
Meßwerte im ersten und zweiten Verfahrensschritt jeweils der
Gradient oder das Differential (dM/dϕ) des Drehmoments
(Anzugsmoment bzw. Lösemoment) als Funktion des Drehwinkels
ϕ, also die Änderung des Drehmoments über den Drehwinkel,
beim Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung erfaßt und
gespeichert und daraus mit den bekannten Größen der
gewünschten Vorspannungskraft ein Endanzugsdrehwinkel
errechnet, wobei im vierten Verfahrensschritt ein unter
Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten extrapolierten
Drehwinkelursprungs und der momentanen Drehwinkelstellung
sich ergebender korrigierter Endanzugsdrehwinkel eingestellt
wird.
Alle Verfahrensvarianten setzen - ebenso wie das bekannte
Verfahren - voraus, daß die Einstellung der Vorspannkraft im
hookschen (linearen) Bereich der Schraubfunktion M = f (ϕ)
liegt.
Bei der praxisgerechten Erprobung der beschriebenen
Verfahrensvarianten hat sich gezeigt, daß sich beim
Schraubvorgang eine reproduzierbare Abweichung von der
gewünschten Vorspannkraft ergibt, die insbesondere von der
Art des Schraubvorgangs, z. B. harter oder weicher
Schraubfall, abhängig ist. Zur Kompensation dieser
Abweichung wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens bei allen Verfahrensvarianten
das berechnete Endanzugsdrehmoment bzw. der berechnete
Endanzugsdrehwinkel mit einem Korrekturfaktur multipliziert
und die Endeinstellung der Schraubverbindung mit dem
korrigierten Wert vorgenommen. Dieser Korrekturfaktor wird
empirisch ermittelt und gilt für die bestimmte Art des
Schraubvorgangs, z. B. ob diese hart oder weich ausgeführt
wird.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung durch
Ausführungsbeispiele in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer Schraubverbindung, welche
einen Befestigungszustand der Schraubverbindung
darstellt,
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Drehmoments M in
Abhängigkeit von Dreh- oder Rotationswinkel beim
Anziehen bzw. Lösen der Schraubverbindung,
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Gradienten oder
Differentiale der Drehmomentkurven in Fig. 2,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
praxisgerechten Durchführung des Verfahrens.
In Fig. 1 ist eine Schraubverbindung in ihrem
Befestigungsendzustand dargestellt, bei welcher eine das
eine Schraubenelement der Schraubverbindung darstellende
Schraube 11 in einer im anderen Schraubelement 12
eingebrachte Gewindebohrung 13 verschraubt ist. Die
Schraubverbindung bringt auf das zwischen den beiden
Schraubelementen 11, 12 eingespannte Befestigungsteil 14
eine gewünschte Vorspannkraft FV auf. Die Vorspannkraft FV
kann mittels eines Schraubers 15, wie er in Fig. 4
schematisch dargestellt ist, hochgenau eingestellt werden.
Der Schrauber 15 weist in bekannter Weise einen elektrischen
Antriebsmotor 16 auf, der über ein Übersetzungsgetriebe 17
eine Antriebswelle 18 antreibt, auf welcher eine den
Schraubenkopf der Schraube 11 umfassende Bolzenstreckhülse
19 drehfest sitzt. Zwischen der Antriebswelle des
Übersetzungsgetriebes 17 und der Antriebswelle 18 ist ein
Drehmomentübertrager 20 zum Messen eines Drehmoments der
Antriebswelle 18 angeordnet. Der Rotations- oder Drehwinkel
der Antriebswelle 18 wird mittels eines Drehwinkelgebers 21
erfaßt. Die Meßwerte von Drehmomentübertrager 20 und
Drehwinkelgeber 21 werden über ein Interface 22 einer
Zentraleinheit (CPU) 23 zugeführt, der außerdem über eine
Dateneingabe 24 die gewünschte Vorspannkraft FV, sowie die
Steigung P des Gewindes der verwendeten Schraubverbindung
und ggf. noch ein Korrekturfaktor FK eingegeben wird. Die
Zentraleinheit 23 führt Rechenoperationen entsprechend dem
noch zu beschreibenden Verfahren aus und steuert den
Antriebsmotor 16 zum Anlassen, Anhalten, Reversieren und
Stillsetzen, wozu die Zentraleinheit 23 über ein weiteres
Interface 25 und einen Servoverstärker 26 mit dem
Antriebsmotor 16 verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dabei in der ersten
Verfahrensvariante wie folgt ab:
Nach Einschalten des Schraubers 15 wird in einem ersten
Schritt die Schraube 11 der Schraubverbindung bis zu einem
mittleren Bereich ihres Sitzes auf dem Befestigungsteil 14
angezogen. Dabei wird in einem definierten Winkelbereich
ϕ0 bis ϕ1 das Integral AA des Anzugsmoments MA über den
Drehwinkel gemäß
gebildet und gespeichert. Dieses Integral ist in dem in Fig.
2 dargestellten Diagramm M = f (ϕ) durch eine waagrechte
Schraffierung gekennzeichnet. Der Antriebsmotor 16 wird bei
einem Drehwinkel, der gleich ϕ1 ist oder oberhalb dieses
Winkels liegt, gestoppt und reversiert, so daß die Schraube
11 mit einem Gegendrehmoment oder Lösemoment gelöst wird.
Während dieses Lösevorgangs wird über einen gleich großen
Winkelbereich ϕ1 bis ϕ0 das Integral AL des Lösemoments ML
über den Drehwinkel ϕ gemäß
bestimmt und gespeichert. Dieses Integral ist in dem
Diagramm gemäß Fig. 2 durch vertikale Schraffur
gekennzeichnet.
Aus den beiden Integralen AA und AL wird in Verbindung mit
der gewünschten Vorspannkraft FV und der bekannten Steigung
P der Schraubverbindung ein Endanzugsmoment MAE gemäß
errechnet, wobei FK wiederum der empirisch ermittelte
Korrekturfaktor ist, der für die Art des Schraubvorgangs 15
gilt. Nach Anhalten des Antriebsmotors 16 bei dem Drehwinkel
ϕ0 oder unterhalb eines von ϕ0 liegenden Drehwinkels wird
der Antriebsmotor 16 reversiert und die Schraube 11 bis zum
errechneten Endanzugsmoment MAE angezogen. Sobald dieses
Endanzugsmoment MAE gemessen wird, wird der Antriebsmotor 16
stillgesetzt. Die Schraubverbindung weist danach die
gewünschte Vorspannkraft FV auf.
In der zweiten Verfahrensvariante entsprechen der erste und
zweite Verfahrensschritt denjenigen der ersten
Verfahrensvariante, so daß als Meßwerte die Gradienten kA
und kL gespeichert sind. Im dritten Verfahrensschritt wird
nunmehr aus diesen Gradienten kA und kL in Verbindung mit
der gewünschten Vorspannkraft FV und der bekannten Steigung
P der Schraubverbindung ein Endanzugsdrehwinkel ϕAE gemäß
errechnet, wobei FK wiederum der für den Schrauber 15 und
die Schraubstellenart gültige Korrekturfaktor ist.
Nach Reversieren des Antriebsmotors 16 wird die Schraube 11
wieder angezogen, und zwar bis zu einem korrigierten
Endanzugsdrehwinkel ϕ*AE, der sich unter Berücksichtigung
des aus dem Anzugsgradienten kA extrapolierten
Drehwinkelursprungs (ϕ = 0) und einer momentanen
Drehwinkelstellung ϕ0 ergibt. Diesen korrigierten
Endanzugswinkel ϕ*AE erhält man aus der Differenz des
errechneten Endanzugswinkels ϕAE und eines Korrekturwinkels
ϕk, der sich gemäß
errechnet. M0 ist dabei das beim momentanen Drehwinkel ϕ0
gemessene Anzugsmoment. Sobald dieser korrigierte
Endanzugsdrehwinkel ϕ*AE = ϕAE - ϕk erreicht ist, wird der
Antriebsmotor 16 des Schraubers 15 stillgesetzt und die
Schraubverbindung weist die gewünschte Vorspannkraft FV
hochgenau auf.
Bei allen Verfahrensvarianten wird davon ausgegangen, daß
der Schraubvorgang sich im hookschen Bereich der
Schraubkurve bei konstanten Reibverhältnissen bezüglich
Links- und Rechtslauf abspielt. In diesem linearen Bereich
der Schraubkurve gelten die angegebenen Berechnungsmethoden.
Die Berechnung der Gradienten kA, kL, der Integralen AA, AL
der Endanzugsdrehmomente MAE sowie des Endanzugsdrehwinkel
ϕAE wird von der Zentraleinheit 23 aus den von dem
Drehmomentübertrager 20 und dem Drehwinkelübertrager 21
zugeführten Meßwerten und über die Dateneingabe 24
eingegebenen Informationen errechnet. Ebenso findet der
Vergleich des momentanen Anzugsmoments bzw. des Drehwinkels
mit dem errechneten Endanzugsmoment bzw. Endanzugsdrehwinkel
in der Zentraleinheit 23 statt, die den Antriebsmotor 16
stillsetzt, wenn Übereinstimmung gegeben ist.
Claims (3)
1. Verfahren zur Steuerung einer Vorspannkraft in einer
Schraubverbindung unter Verwendung eines Schraubers zum
Drehen eines Schraubelements der Schraubverbindung, bei
welchem die Schraubverbindung in einem ersten Schritt bis
zu einem unterhalb ihres gewollten Endstadiums liegenden
Zustand angezogen und in einem zweiten Schritt um einen
gewissen Betrag wieder gelöst wird, in einem dritten
Schritt aus während des ersten und zweiten Schritts
erfaßten und gespeicherten Meßwerten sowie aus der
Gewindesteigung der Schraubverbindung und der
vorgegebenen Vorspannkraft ein zur Einstellung des
Endstadiums erforderlicher Anzugswert errechnet und in
einem vierten Schritt die Schraubverbindung mit dem
errechneten Anzugswert angezogen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß als Meßwerte im ersten und zweiten
Schritt jeweils das Integral AA, AL des Drehmoments
(Anzugsmoment MA bzw. Lösemoment ML) über den Drehwinkel
(ϕ) in einem definierten Winkelbereich (ϕ0 bis ϕ1)
gebildet und gespeichert wird und daß im dritten Schritt
als Anzugswert das Endanzugsmoment (MAE) gemäß
errechnet wird, wobei AA das beim Anziehen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, AL das beim Lösen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist.
errechnet wird, wobei AA das beim Anziehen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, AL das beim Lösen der Schraubverbindung über den Winkelbereich gebildete Integral, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei daß
als Meßwerte im ersten und zweiten Schritt jeweils der
Gradient oder das Differential (kA, kL) des vom Schrauber
(15) in Abhängigkeit vom Drehwinkel (ϕ) auf das
Schraubelement (11) übertragenen Drehmoments
(Anzugsmoment MA bzw. Lösemoment ML) erfaßt und
gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im dritten
Schritt als Anzugswert ein Endanzugsdrehwinkel (ϕAE)
gemäß
errechnet wird, wobei kA der beim Anziehen der Schraubverbindung gemessene Gradient, kL der beim Lösen der Schraubverbindung gemessene Gradient, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist, und daß im vierten Schritt ein unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten KA extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ0) sich ergebender korrigierter Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) eingestellt wird, wobei der korrigierte Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) sich aus der Differenz des errechneten Endanzugsdrehwinkels (ϕAE) und eines Korrekturwinkels (ϕK) ergibt, der sich gemäß
berechnet, wobei M0 das beim momentanen Drehwinkel ϕ0 gemessene Anzugsmoment ist.
errechnet wird, wobei kA der beim Anziehen der Schraubverbindung gemessene Gradient, kL der beim Lösen der Schraubverbindung gemessene Gradient, FV die vorgegebene Vorspannkraft und P die Gewindesteigung der Schraubverbindung ist, und daß im vierten Schritt ein unter Berücksichtigung des aus dem Anzugsgradienten KA extrapolierten Drehwinkelursprungs (ϕ0) sich ergebender korrigierter Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) eingestellt wird, wobei der korrigierte Anzugsdrehwinkel (ϕ*AE) sich aus der Differenz des errechneten Endanzugsdrehwinkels (ϕAE) und eines Korrekturwinkels (ϕK) ergibt, der sich gemäß
berechnet, wobei M0 das beim momentanen Drehwinkel ϕ0 gemessene Anzugsmoment ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Anzugswerts
im dritten Schritt jeweils noch ein Korrekturfaktor (FK)
hinzumultipliziert wird, der empirisch ermittelt wird
und durch die Art des Schraubvorgangs (hart oder weich)
beeinflußt ist.
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