DE4025430A1 - Drehschrauberkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehschrauberkopf mit einer Antriebswelle, die über ein Getriebe eine Spindel an­ treibt, mit der ein Schraubwerkzeug drehfest verbunden ist, und mit einem Sensor, der über eine Auswerteelek­ tronik das Erreichen eines vorgegebenen Parameters der Verschraubung anzeigt und/oder den Stillstand der Spin­ del auslöst.

Drehschrauberköpfe oder auch mit solchen Köpfen ausge­ rüstete Drehschrauberwerkzeuge, die gewöhnlich über Druckluft- oder Elektromotore angetrieben werden, sind allgemein bekannt. Die Kontrolle der Güte der herge­ stellten Schraubverbindung erfolgt praktisch ausschließ­ lich auf der Grundlage einer mittelbaren oder unmittel­ baren Messung des Anzugsdrehmomentes, bei hohen Gütean­ forderungen zusätzlich durch Messung des Anzugsdrehwin­ kels, der allerdings seinerseits unter anderem vom An­ zugsdrehmoment abhängig ist, da die Drehwinkelmessung mit dem Erreichen eines bestimmten Drehmomentwertes (z. B. 30% des Wertes des angestrebten Enddrehmoments) einsetzt. Als Sensoren werden daher bei den bekannten Drehschraubern bzw. Drehschrauberköpfen Dehnungsmeß­ streifen und, sofern eine Drehwinkelmessung vorgesehen ist, elektrooptische Winkelgeber verwendet.

Indessen hängt die Güte einer Verschraubung von der tatsächlich erreichten Klemmkraft ab. Das erreichte Anzugsdrehmoment ist aber kein zuverlässiges Maß für die erreichte Klemmkraft, denn das Drehmoment wird unter an­ derem von den Toleranzen der beteiligten Gewinde, von der Gewindeschmierung, dem Verformungsverhalten der bei­ den zu fügenden Werkstücke, dem Fließverhalten von Dich­ tungen usw. beeinflußt. Das einzige zuverlässige Ver­ fahren zur Kontrolle der Güte einer Verschraubung ist daher die Messung der durch die Verschraubung in der Schraube erzeugten Vorspannkraft. Diese sog. Schrauben­ spannungsmessung ist ebenfalls bekannt. Hierzu wird mittels eines auf das eine Ende der Schraube (oder des Schraubenbolzens) aufgesetzten elektroakustischen Wand­ lers ein Ultraschallimpuls in die Schraube gesendet, der vom anderen Ende der Schraube reflektierte Impuls emp­ fangen und mittels einer Auswerteelektronik die durch die Verschraubung eingetretene Längung der Schraube er­ rechnet, aus der sich wiederum über den Elastizitätsmo­ dul die Vorspannkraft errechnen läßt. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst zeitaufwendig, da der Verschraubungs­ vorgang mehrfach unterbrochen werden muß, um sicherzu­ stellen, daß der vorgegebene Grenzwert der Vorspannkraft keinesfalls überschritten wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Drehschrauberkopf der einleitend angegebenen Gat­ tung zu schaffen, der die auf der Drehmomentmessung be­ ruhenden Nachteile der bisherigen Drehschrauber bzw. Drehschrauberköpfe vermeidet, sich die Vorteile der Vor­ spannkraftmessung zunutze macht und daher sowohl für sog. harte als auch für sog. weiche Schraubverbindungen und insbesondere für Hochgenau- und Sicherheitsverschrau­ bungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen dieses Drehschrauberkopfes sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung sind zwei verschiedene Ausführungsfor­ men des Drehschrauberkopfes nach der Erfindung beispiel­ haft und schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform im Längsschnitt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt den Winkelkopf eines Drehschrauberwerkzeu­ ges. Innerhalb eines Gehäuses 1 ist über ein unteres Rollenlager 2 und ein oberes Rollenlager 3 eine Spindel 4 drehbar gelagert, die mit einem Kegelrad 5 drehfest verbunden ist, das seinerseits mit einem Kegelrad 6 kämmt, das drehfest mit der nicht mehr dargestellten Welle des Antriebsmotors des Drehschrauberwerkzeuges verbunden ist.

Das untere Ende der Spindel 4 ist als Schraubwerkzeug in Form einer Nuß 4a ausgebildet, die den Kopf 7 einer ins­ gesamt mit 8 bezeichneten Schraube übergreift.

Innerhalb der Spindel befindet sich eine Hohlachse 9, die durch eine Schraubkappe 10 des Gehäuses 1 aus diesem herausgeführt ist. Die Hohlachse 9 ist mit einem Keil­ wellenprofil 9a oder dergl. versehen, dem ein in dem Deckel 10 ausgebildetes, komplementäres Keilnutenprofil (ohne Bezugszeichen) entspricht. Auf diese Weise ist die Hohlachse 9 drehfest und gleichzeitig axial verschieb­ lich in dem Gehäuse 1 gehalten und geführt. Die Hohlach­ se 9 hat an ihrem unteren Ende ein Flansch 9b. Gegen diesen stützt sich das untere Ende einer vorgespannten Schraubendruckfeder 11 ab, deren oberes Ende gegen eine Innenschulter der Spindel 4 anliegt. Der Flansch 9b ist unterseitig mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung versehen. In dieser Ausnehmung sitzt, gehalten durch einen in dem Flansch 9b festgelegten Querstift 12, der ballige Kopf einer Hülse 13. Der Querstift 12 durch­ greift eine im Vergleich zu seinem Durchmesser wesent­ lich größere Querbohrung 13a in dem balligen Kopf der Hülse 13. Die Hülse 13 ist daher innerhalb eines gewis­ sen Winkelbereiches gegenüber der Längsachse der Spindel 4 bzw. des gesamten Drehschrauberkopfes allseitig ver­ kippbar.

Das untere Ende der Hülse 13 umschließt einen zylinder­ förmigen Permanentmagneten 14, in dessen Inneren ein elektroakustischer Schallwandler 15 angeordnet und fest­ gelegt ist. Die elektrischen Anschlußdrähte 15a und 15b des Ultraschallwandlers 15 sind durch die Hohlachse 9 aus dem Drehschrauberkopf herausgeführt. Über die untere Stirnfläche des Ultraschallwandlers 15 werden Ultra­ schallwellen gesendet und empfangen, die in Form ent­ sprechender elektrischer Signale über die Anschlüsse 15a und 15b zugeführt bzw. abgegeben werden. Die zugehörige Auswerteelektronik ist nicht dargestellt. Diese sowie geeignete Ultraschallwandler sind an sich bekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.

Die Schraubendruckfeder 11, eine weitere, schwächere Schraubendruckfeder 16, die im Inneren der Hülse 13 an­ geordnet ist und sich z. B. gegen den Querstift 12 ab­ stützt, sofern die Schraube 8 aus ferromagnetischem Material besteht, zusätzlich der Permanentmagnet 14, sor­ gen für einen möglichst engen Kontakt zwischen der un­ teren Stirnfläche des Wandlers 15 und der Stirnfläche 7a des Schraubenkopfes 7. Da der Wandler 15 auch bei sich drehender Spindel 4 stillsteht, ist zwischen ihm und der Stirnfläche 7a eine dünne Platte 17 aus einem ge­ eigneten Kunststoff vorgesehen, die über ein Radiallager 18 drehbar auf dem unteren Ende des Permanentmagneten 14 gelagert ist.

Der beschriebene Drehschrauberkopf arbeitet wie folgt: Beim Aufsetzen der Nuß am unteren Ende der Spindel 4 auf den Kopf 7 der Schraube 8 wird der Wandler 15 - in erster Linie gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 11 - unter gleichzeitiger entsprechender Verschiebung der Hohlachse 9 in die zeichnerisch dargestellte Lage zurückgeschoben. Während des Anziehens der Schraube 8 wird mittels des Wandlers 15 und der nicht dargestellten Auswerteelektronik fortlaufend die Länge der Schraube 8, genauer gesagt deren Längung infolge elastischer Ver­ formung gemessen. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes gibt die Auswerteelektronik ein entsprechen­ des Signal ab oder/und setzt den Antrieb des Schrauber­ werkzeuges still.

Während die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform mit stillstehendem Sensor 15 arbeitet, ist in Fig. 2 eine Ausführungsform wiedergegeben, bei der sich der Sensor mitdreht. Übereinstimmende Teile sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Nachfolgend werden daher lediglich die abweichenden Konstruktionsmerkmale beschrieben. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Hohlachse, die abweichend von der Hohlachse 9 in Fig. 1 aus zwei drehfest miteinander verbundenen, jedoch teles­ kopisch gegeneinander verschieblichen Abschnitten 21 und 22 besteht. Der obere Abschnitt 21 ist mittels eines Querbolzens 23 drehfest mit der Spindel 4 verbunden. Der untere Abschnitt 22 der Hohlachse ist in dem oberen Abschnitt 21 drehfest, jedoch längsverschieblich ge­ führt. Erreicht wird dies durch sich diametral gegen­ überliegende Längsschlitze 21a am unteren Ende des obe­ ren Abschnittes 21 und einen das obere Ende des unteren Abschnittes 22 durchquerenden Mitnehmerstift 24. Da sich somit der Wandler 15 mit der Hülse 4 und der Schraube 8 mitdreht, entfallen die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehenen Teile 17 und 18. Die zwischen dem unteren Ende des Wandlers 15 und dem Schraubenkopf 7 an­ gedeutete Platte 25 kann aus elastischem Material be­ stehen und unter anderem zur Erzielung eines weitgehend reflexionsarmen Überganges zwischen der unteren Stirn­ fläche des Wandlers 15 und der oberen Stirnfläche 7a des Schraubenkopfes 7 dienen, außerdem als mechanischer Schutz für die Sende- und Empfangsfläche des Wandlers 15.

Die Anschlüsse 15a und 15b des Wandlers 15 können bei diesem Ausführungsbeispiel nicht unmittelbar aus dem Ge­ häuse 1 herausgeführt werden. Im gezeichneten Ausfüh­ rungsbeispiel ist statt dessen eine berührungslose Sig­ nalübertragung vorgesehen, die - im Unterschied zu Fig. 1 - die Verwendung ausschließlich von Wechselspannungs- oder Hochfrequenzsignalen erforderlich macht. Die berüh­ rungslose Signalübertragung erfolgt mittels eines Sig­ nalwandlers 26, der in einem auf den Deckel 10 aufge­ setzten Kleingehäuse 27 angeordnet ist. Der Signalüber­ trager besteht aus einem drehfest mit dem oberen Ab­ schnitt 21 der Hohlachse verbundenen Teil 26a und einem ortsfest mit dem Kleingehäuse 27 verbundenen Teil 26b. Die beiden Teile des Signalübertragers 26 sind über Wicklungen 28a und 28b transformatorisch miteinander ge­ koppelt. Die Anschlüsse der Wicklung 28b führen zu der wiederum nicht dargestellten Auswerteelektronik. Statt des dargestellten Signalübertragers 26 kann auch eine Schleifring/Schleifbürsten-Anordnung verwendet werden, die an sich bekannt ist und daher keiner näheren Erläu­ terung bedarf.

Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ent­ spricht völlig derjenigen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.

Claims (7)

1. Drehschrauberkopf mit einer Antriebswelle, die über ein Getriebe (6, 5) eine Spindel (4) antreibt, mit der ein Schraubwerkzeug (4a) drehfest verbunden ist, und mit einem Sensor, der über eine Auswerteelektro­ nik das Erreichen eines vorgegebenen Parameters der Verschraubung anzeigt und/oder den Stillstand der Spindel (4) auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein elektroakustischer Ultraschallwandler (15) ist, daß der Wandler (15) innerhalb des Schraubwerk­ zeuges (4a) axial verschieblich angeordnet und in Richtung des Schraubenkopfes (7) federbelastet ist, und daß die Auswerteelektronik aus den Laufzeitunter­ schieden zwischen den von dem Wandler (15) gesendeten und den am Ende der Schraube (8) reflektierten und empfangenen Impulsen die Vorspannkraft der Schraube (8) errechnet und bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes ein Signal abgibt.

2. Drehmomentschrauberkopf nach Anspruch 1, für Schrau­ ben aus ferromagnetischem Werkstoff, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wandler (15) innerhalb eines ring­ förmigen Magneten (14) angeordnet ist, dessen Anzugs­ kraft den Wandler (15) gegen den Schraubenkopf (7) hält.

3. Drehschrauberkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) allseitig kipp­ bar oder schwimmend gelagert und durch eine Feder (16) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist.

4. Drehschrauberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (15) am un­ teren Ende einer innerhalb der Spindel (4) liegenden, axial verschieblichen, stillstehenden Hohlachse (9) angeordnet ist, und daß zwischen der Wandlerstirn­ fläche und dem Schraubenkopf (7) eine Gleitplatte (17) vorgesehen ist.

5. Drehschrauberkopf nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Gleitplatte (17) und dem Wandler ein Wälzlager (18) angeordnet ist.

6. Drehschrauberkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hohlachse (9) drehfest, jedoch axial verschieblich in dem Gehäuse (1) des Dreh­ schrauberkopfes geführt und durch eine Schraubenfeder (11) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist, und daß die elektrischen Anschlüsse (15a, 15b) des Wandlers (15) über die Hohlachse (9) aus dem Drehschrauberkopf herausgeführt sind.

7. Drehschrauberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler am unteren Ende einer Hohlachse angeordnet ist, die aus zwei drehfest verbundenen, jedoch teleskopisch gegenein­ ander verschieblichen Abschnitten (21, 22) besteht, von denen der den Wandler (15) tragende Abschnitt (22) durch eine Schraubenfeder (11) in Richtung des Schraubenkopfes (7) belastet ist, während der andere Abschnitt (21) drehfest mit der Spindel (4) verbunden ist und den einen Teil (26a) eines Signalübertragers (21) trägt, mit dem die Anschlüsse (15a, 15b) des Wandlers (15) verbunden sind, und daß der andere Teil (26b) des Signalübertragers (26) mit den zu der Aus­ werteelektronik führenden Anschlüssen stillstehend an dem Gehäuse des Drehschrauberkopfes montiert ist.