DE4307131A1

DE4307131A1 - Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: DE4307131A1
Application number: DE19934307131
Authority: DE
Inventors: Albert Kipfelsberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-06
Filing date: 1993-03-06
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2013-03-07
Also published as: DE4307131C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftschrauber mit elektroni scher Drehmomentbegrenzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schraubverbindungen, insbesondere schwere Schraubverbindun gen, müssen oftmals mit einem vorgegebenen Drehmoment ange zogen werden. Dazu sind eine Reihe von Vorrichtungen bekannt.

Allgemein bekannt ist ein von Hand zu betätigender Drehmoment schlüssel. Im Kopf des Drehmomentschlüssels ist üblicherweise eine federvorgespannte, einstellbare Ratsche enthalten, die nach dem Erreichen des eingestellten Drehmoments ausrastet. Die Drehmomentmessung und die Betätigung erfolgen somit über das gleiche Element. Drehmomentschlüssel haben normalerweise einen langen Hebel und können daher bei engen Verhältnissen nicht angewendet werden. Die Betätigungskräfte sind zum Teil sehr hoch, so daß der Einsatz für die Bedienperson sehr kraft aufwendig ist.

Es sind Kraftschrauber mit Hydraulikmotoren bekannt. Die Dreh momentbestimmung erfolgt dabei über eine Druck- oder/und Volu menmessung im Hydrauliksystem. Die Drehmomentfindung ist we gen des Schlupfs und Temperaturgangs des Hydraulikmotors unge nau. Zudem sind eine Reihe von Hilfsaggregaten, wie Hydraulik pumpen, etc., erforderlich, so daß eine solche Anordnung prak tisch nur für den stationären Betrieb geeignet ist.

Weiter sind Kraftschrauber mit pneumatischen Antrieben be kannt. Die Drehmomentmessung erfolgt hier ebenfalls über eine Druckmessung. Wegen der Kompressibilität und des Temperatur gangs des Druckmediums ist dabei die Drehmomentfindung rela tiv ungenau. Zudem muß die Luft für den Pneumatikantrieb in bekannter Weise aufbereitet werden.

Ein bekannter Kraftschrauber (EP-OS 0 042 548) verwendet zur Drehmomentermittlung ein separates, verformbares Bauelement, das koaxial die Ausgangswelle des Kraftschraubers umgibt. Die ses drehelastische Verbindungsstück wird während des Schraub vorgangs mit zunehmendem Schraubmoment zunehmend tordiert und betätigt einen elastischen Schalter, wenn eine bestimmte Ver formungsamplitude erreicht ist. Mit Hilfe dieses Schalters wird dann die Antriebseinrichtung abgeschaltet. Bei den nur geringen Torsionswegen ist eine mechanische Schalterbetäti gung mit großen Toleranzen behaftet und damit die Drehmoment bestimmung relativ ungenau. Als weitere Ausführungsform ist hier zur Messung des Drehmoments eine Dehnungsmeßstreifenan ordnung in Brückenschaltung beschrieben.

Derzeit zum Verkauf angebotene Kraftschrauber mit elektroni scher Drehmomentbegrenzung enthalten eine Antriebseinheit mit einem der Antriebseinheit nachgeschalteten Planetengetriebe. Dieses besteht aus einem äußeren Getriebegehäuse und einem darin gelagerten Planetenradträger, dessen Planetenräder in einen inneren Zahnkranz des Getriebegehäuses als Sonnenrad eingreifen. Das Getriebegehäuse ist über einen abstehenden Stützfuß zur Aufnahme der Reaktionskräfte extern abstützbar. Der Planetenradträger ist dabei einstückig als Wellenteil aus gebildet mit einem der Antriebseinheit zugewandten Käfigteil zur Aufnahme und Lagerung der Planetenräder und zum Anschluß der Antriebseinheit. Das Wellenteil besteht weiter aus einem am Getriebegehäuse gelagerten und aus diesem vorstehenden, endseitigen Ausgangswellenteil zum Aufstecken einer Schlüssel nuß. Zwischen dem Käfigteil und dem Ausgangswellenteil liegt ein Wellenmittelteil bestimmter Längserstreckung, das vom Ge triebegehäuse umgeben ist.

Ein solcher Kraftschrauber mit Planetengetriebe ist mit einer Dehnungsmeßstreifenanordnung zur Erfassung eines am Ausgangs wellenteil anliegenden Drehmoments mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik und mit einer nachgeschalteten Abschaltein richtung für die Antriebseinheit ausgerüstet.

Ein Problem bei einem solchen bekannten Kraftschrauber stellt die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen an einer möglichst für eine Messung geeigneten und geschützten Stelle dar.

Ein weiteres Problem liegt bei Schraubverbindungen mit einem sogenannten "weichen Schraubvorgang", bei dem elastische Zwi schenteile, wie beispielsweise Dichtungen, verwendet werden oder Bauteile über den Schraubvorgang zusammengezogen werden müssen. In diesen Fällen erfolgt die Drehmomentabschaltung je nach Anwendungsfall bereits zu früh. Es ist bekannt, daß in solchen Fällen ein gesteuerter Nachlauf nach dem Erreichen des eingestellten Drehmoments zu guten Schraubergebnissen führt. Eine bekannte Nachlaufsteuerung über eine Zeitsteue rung erfaßt aber nicht die Verhältnisse unmittelbar an der Ausgangswelle und ist daher relativ ungenau.

Ein Kraftschrauber ist in der Regel ein handbetätigbares Ge rät, das ergonomisch und gewichtsgünstig so gestaltet sein muß, daß es von einer Bedienperson bequem handhabbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Kraftschrauber so weiterzubilden, daß bei einfachem, kompak ten und kostengünstigen Aufbau an meßtechnisch gut geeigneten und geschützten Stellen sowohl eine Drehmomenterfassung als auch eine Drehstellungserfassung durchführbar ist, ohne daß dadurch den Aufbau vergrößernde, zusätzliche Bauteile erfor derlich werden.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des An spruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein gattungsgemäßer Kraftschrauber gekenn zeichnet durch eine Kombination einer Drehmomenterfassung und einer Drehstellungserfassung für eine Nachlaufsteuerung, wo bei die dazu erforderlichen Elemente wie folgt angeordnet sind:

Die Dehnungsmeßstreifen für die Drehmomenterfassung sind auf dem vom Getriebegehäuse umgebenen Wellenmittelteil in einer Brückenschaltung aufgebracht. Die Energieversorgung dieser Brückenschaltung und ggfs. von weiteren Elektronikbauteilen auf dem drehenden Wellenmittelteil erfolgt berührungslos vom stationären Getriebegehäuse her, dergestalt, daß Energie von einer am Getriebegehäuse angebrachten Statorspule auf eine am Wellenmittelteil angebrachten Rotorspule induktiv übertragen wird. Die Rotorspule ist je nach konkreter Ausführungsform mit der Brückenschaltung über eine Anpaßelektronik und ggfs. eine Gleichrichterschaltung verbunden.

Für die Drehstellungserfassung ist auf dem Wellenmittelteil eine am Umfang in bestimmten Abständen verteilte und sich mit dem Zwischenteil drehende Struktur angeordnet. Im Getriebege häuse und mit diesem verbunden ist im Bereich dieser Struktur eine stationäre, berührungslos arbeitende Abtasteinrichtung zur Erfassung der Drehstellung dieser Struktur als Winkel codierer angebracht. Der Abtasteinrichtung ist eine Verarbei tungselektronik nachgeschaltet, die im wesentlichen eine Zähl schaltung zur Zählung der an der Abtasteinrichtung vorbeidre henden Strukturelemente aufweist.

Die Abschalteinrichtung umfaßt eine einstellbare Vorgabeein richtung für ein bestimmtes, mit der Drehmomenterfassung er mitteltes Drehmoment. Zusätzlich ist eine einstellbare Vor gabeeinrichtung für einen bestimmten, mit der Drehstellungser fassung ermittelten Nachlaufweg vorgesehen. Eine Abschaltung der Antriebseinheit erfolgt entsprechend dieser-beiden Vor gaben dann, wenn nach der Ermittlung des eingestellten Dreh moments anschließend noch der eingestellte Nachlaufweg durch laufen wurde.

Durch die Möglichkeit, vom Kraftschrauber selbsttätig einen einstellbaren und genau erfaßbaren Nachlaufweg nach der Er mittlung eines bestimmten Drehmoments ausführen zu lassen, sind auch die sonst schwierig beherrschbaren "weichen Schraub fälle" mit guten und reproduzierbaren Schraubergebnissen aus führbar.

Die Anordnung für die Drehmomenterfassung und die Drehstel lungserfassung im Getriebegehäuse auf dem Wellenmittelteil ist einerseits meßtechnisch vorteilhaft, da die Messungen ohne Zwischenteile und toleranzbehaftete Anbauten direkt am Planetenradträger und damit am letzten Antriebsteil vor der Verschraubung vorgenommen werden. Andererseits ist diese An ordnung, bei der sowohl die Drehmomenterfassung als auch die Drehstellungserfassung an einem relativ kurzen Wellenmittel teil angebracht ist, sehr kompakt und führt damit weder zu einer merklichen Vergrößerung der Maschine noch zu einer un günstigen Gewichtserhöhung. Zudem sind die mechanisch relativ empfindlichen Bauteile für die Drehmomenterfassung und die Drehstellungserfassung geschützt im Getriebegehäuse ange bracht, so daß weitere Schutzmaßnahmen, wie zusätzliche Ab deckungen, Anbauteile, etc., entfallen können.

Der erfindungsgemäße Kraftschrauber ist nach Anspruch 2 für unterschiedliche Antriebseinheiten, beispielsweise für einen Elektromotor, einen Luftmotor oder einen Hydraulikmotor, ge eignet, da alle diese Motoren mit der erfindungsgemäßen Anord nung gesteuert werden können.

In einer bevorzugten, konkreten Anordnung nach Anspruch 3 sind die Statorspule und die Rotorspule koaxial angeordnet, wodurch sich eine platzsparende Konstruktion bei guter Ener gieübertragung ergibt.

Die Struktur auf dem Wellenmittelteil kann nach Anspruch 4 aus gleichmäßig am Umfang verteilten Rillen bestehen. Diese können als eine Art Zahnkranz bereits beim Gießen des Plane tenradträgers geformt sein oder nachträglich als Nuten einge fräst werden.

In einer alternativen Ausführungsform kann nach Anspruch 5 die abtastbare Struktur aus einer mit dem Wellenmittelteil drehfest verbundenen und koaxial angeordneten Lochscheibe oder Zahnscheibe, bevorzugt in der Art eines auf das Wellen mittelteil aufsteckbaren Scheibenrings, bestehen. Je nach der verwendeten Abtasteinrichtung kann ein Aufbau mit solchen Scheiben meßtechnisch günstiger, konstruktiv einfacher und kostengünstiger sein als angebrachte Rillen am Wellenmittel teil.

An der Struktur kann auch die absolute Drehstellung erfaßt werden, wenn beispielsweise als Anfangsmarke für jede volle Umdrehung ein Zahn einer Zahnscheibe weggelassen wird. Zudem kann die Drehstellungserfassung vorteilhaft auch zur Ermitt lung der aktuellen Drehzahl, z. B. als Ist-Drehzahl, in einer Drehzahlregelung verwendet werden. Durch die Zurverfügungstel lung eines einfach ermittelbaren Ist-Drehzahlwerts und damit der Möglichkeit einer einfach realisierbaren Drehzahlregelung kann diese gemäß Anspruch 6 für eine weitere Steuerung und Beeinflussung des Schraubvorgangs herangezogen werden.

Als berührungslos arbeitende Abtasteinrichtung wird nach An spruch 7 vorteilhaft ein an sich bekannter Induktivsensor und/oder optischer Sensor verwendet. Bei der Verwendung einer Lochscheibe oder Zahnscheibe werden vorteilhaft an sich be kannte, U-förmig ausgebildete Sensoren verwendet, die den Randbereich der Lochscheibe oder der Zahnscheibe übergreifen, wobei die Loch- oder Zahnstruktur innerhalb des U-Bereichs verläuft.

Oft sind Verschraubungen erforderlich, bei denen stets mehre re Schraubverbindungen in der gleichen geometrischen Anord nung vorliegen. Eine rationelle Verschraubung kann hier so durchgeführt werden, daß mehrere Kraftschrauber auf einem Trä ger zu einer Mehrfach-Schrauberanordnung zusammengefaßt sind, die dann gleichzeitig die Einzelverschraubungen anziehen. Ein Problem besteht hier darin, daß nach der Abschaltung die Kraftschrauber gegeneinander so verspannt sein können, daß sie nicht einfach mehr abgezogen werden können. Mit der erfin dungsgemäßen Anordnung kann auch dieses Problem durch einen geeigneten Einsatz der Nachlaufsteuerung in einer Mehrfach- Schraubersteuerung einfacher beherrscht werden.

Je nach Anwendungsfall besteht hier auch beim Einsatz die Mög lichkeit eines negativen Nachlaufs, d. h. einer genauen, ein stellbaren Rückdrehung über die Drehstellungserfassung.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung mit wei teren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen näher erläutert.

In der einzigen Fig. ist ein Querschnitt durch den Bereich eines Planetengetriebes 1 eines Kraftschraubers dargestellt. Das Planetengetriebe besteht aus einem äußeren Getriebegehäu se 2 und einem darin gelagerten Planetenradträger, der ein stückig als Wellenteil ausgebildet ist.

An dem der (nicht dargestellten) Antriebseinheit zugewandten Ende ist der Planetenradträger als Käfigteil 4 ausgeführt, wobei an vier Fenstern 5 jeweils Planetenräder so gelagert sind, daß deren Zahnkränze durch die Fenster 5 vorstehen und an einem inneren Zahnkranz 6 des Getriebegehäuses 2 als Son nenrad eingreifen.

Zur Aufnahme der Reaktionskräfte ist an einer Verzahnung 7 am Getriebegehäuse 2 ein (nicht dargestellter) radial abstehen der Stützfuß aufsteckbar.

Das andere Ende des Planetenradträgers 3 ist als Ausgangswel lenteil 8 ausgebildet und steht mit einem Vierkant 9 zum Auf stecken einer Schlüsselnuß aus dem Getriebegehäuse 2 vor. Im Bereich des Ausgangswellenteils 8 und des Käfigteils 4 ist der Planetenradträger 3 über Wellendichtringe und Kugellager 10, 11 drehbar im Getriebegehäuse 2 gelagert.

Zwischen dem Käfigteil 4 und dem Ausgangswellenteil 8 befin det sich ein Wellenmittelteil 12 des einstückigen Planetenrad trägers 3. Auf dem Wellenmittelteil 12 sind in einer Brücken schaltung Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt; ein Bereich 13 ist dafür schematisch angedeutet. Die Dehnungsmeßstreifen sind Bestandteil einer Drehmomenterfassung, die zusätzlich weitere elektrische und elektronische Bauteile 14, insbesondere eine Gleichrichterschaltung, auf dem drehenden Wellenmittelteil 12 aufweist.

Die Energieversorgung dafür erfolgt berührungslos über eine Anordnung aus einer an der Innenseite des Getriebegehäuses 2 stationär angebrachten Statorspule 15 und einer koaxial dazu mit dem Wellenmittelteil 12 verbundenen Rotorspule 16. Die Energieübertragung erfolgt induktiv über eine in die Stator spule 15 eingespeiste Wechselspannung. Zudem kann über diese Anordnung auch die Meßinformation in eine stationär im Getrie begehäuse 2 (nicht im einzelnen dargestellte) und im Bereich 17 angeordnete Auswerteelektronik ausgelesen werden.

Für eine Drehstellungserfassung ist auf dem Wellenmittelteil 12 weiter ein Zahnscheibenring 18 aufgesteckt und zwischen zwei Ringteilen 19 drehfest auf dem Wellenmittelteil 12 gehal ten. Der Zahnscheibenring 18 läuft mit seiner Randverzahnung durch eine berührungslos arbeitende Abtasteinrichtung in der Form eines U-förmigen, optischen Sensors 20, der stationär im Getriebegehäuse 2 gehalten und mit der Auswerteelektronik ver bunden ist.

Weiter ist mit der Auswerteelektronik eine nicht im einzelnen dargestellte Abschalteinrichtung für die Antriebseinheit ver bunden, die eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für ein be stimmtes Drehmoment und eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für einen bestimmten Nachlaufweg umfaßt.

Die dargestellte Anordnung hat folgende Funktion: Vor einem Schraubvorgang werden das erforderliche Drehmoment sowie ein ggfs. erforderlicher Nachlaufweg an den entsprechenden Ein stellelementen eingestellt. Dann wird der Kraftschrauber auf die Verschraubung aufgesteckt und der Stützfuß gegen eine feste Abstützung bewegt. Nach dem Start der Antriebseinheit wird der Schraubvorgang ausgeführt und die Verschraubung ange zogen, wodurch das Drehmoment ansteigt und der Planetenradträ ger tordiert wird. Diese Torsion stellt ein Maß für das anlie gende Drehmoment dar, das über die Brückenschaltung der Deh nungsmeßstreifen erfaßt wird. Die Energieeinspeisung und Datenauslesung wird dabei berührungslos, wie oben beschrie ben, durchgeführt.

Der meßtechnisch erfaßte Drehmomentwert wird mit dem durch die Einstellung vorgegebenen Drehmomentwert verglichen. Bei Übereinstimmung beider Werte, z. B. bei einem Wert von 100 Nm, erfolgt ein internes Umschaltsignal für die Nachlaufsteue rung. Ausgehend von der gerade aktuellen Drehstellung wird nun der Planetenradträger noch um den eingestellten Nachlauf weg, z. B. 60°, weitergedreht. Dieser Nachlaufweg wird durch den Vorbeigang der Randverzahnung des Zahnscheibenrings 18 am optischen Sensor 20 ermittelt. Dazu wird durch jeden Zahn bzw. Zahnzwischenraum ein Impuls erzeugt, der in Verbindung mit dem bekannten Zahnabstand zu einer Wegmessung bzw. Dreh winkelmessung herangezogen wird. Nach dem Durchlaufen des ein gestellten Nachlaufwegs wird über eine (nicht im einzelnen dargestellte) Abschaltrichtung ein Schaltsignal zum Ausschal ten der Antriebseinheit und damit zur Beendigung des Schraub vorgangs abgegeben.

Claims

1. Kraftschrauber mit elektronischer Drehmomentbegrenzung,
mit einer Antriebseinheit,
mit einem der Antriebseinheit nachgeschalteten Planetenge triebe (1), wobei
das Planetengetriebe (1) aus einem äußeren Getriebegehäuse (2) und einem darin gelagerten Planetenradträger (3) be steht, dessen Planetenräder in einen inneren Zahnkranz (3) des Getriebegehäuses (2) als Sonnenrad eingreifen und das Getriebegehäuse (2) über einen abstehenden Stützfuß extern abstützbar ist,
der Planetenradträger (3) einstückig als Wellenteil ausge bildet ist,
dieser Planetenradträger (3) aus einem der Antriebseinheit zugewandten Käfigteil (4) zur Aufnahme und Lagerung der Planetenräder besteht,
der Planetenradträger (3) aus einem am Getriebegehäuse (2) gelagerten und aus diesem vorstehenden, endseitigen Aus gangswellenteil (8, 9) zum Aufstecken einer Schlüsselnuß besteht,
zwischen dem Käfigteil (4) und dem Ausgangswellenteil (8, 9) ein vom Getriebegehäuse (2) umfaßtes Wellenmittelteil (12) bestimmter Längserstreckung liegt,
mit einer Dehnungsmeßstreifen-Anordnung (DMS-Anordnung) zur Erfassung eines am Ausgangswellenteil (8) anliegenden Drehmoments mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik und
mit einer nachgeschalteten Abschalteinrichtung für die An triebseinheit,
gekennzeichnet durch
eine Kombination einer Drehmomenterfassung und einer Dreh stellungserfassung für eine Nachlaufsteuerung, wobei die dazu erforderlichen Elemente so angeordnet sind,
daß für die Drehmomenterfassung auf dem vom Getriebegehäu se (2) umgebenen Wellenmittelteil (12) die Dehnungsmeß streifen (Bereich 13) in einer Brückenschaltung aufge bracht sind,
daß die Energieversorgung dieser Brückenschaltung und ggfs. von weiteren Elektronikbauteilen (14) auf dem drehen den Wellenmittelteil (12) vom stationären Getriebegehäuse (2) her berührungslos erfolgt, indem über eine am Getriebe gehäuse (2) angebrachte Statorspule (15) Energie auf eine am Wellenmittelteil (12) angebrachte Rotorspule (16) induk tiv übertragen wird und diese mit der Brückenschaltung ver bunden ist,
daß für die Drehstellungserfassung auf dem Wellenmittel teil (12) eine am Umfang in bestimmten Abständen verteilte und sich mit dem Wellenmittelteil drehende Struktur (18) angeordnet ist,
daß im Getriebegehäuse (2) im Bereich dieser Struktur (18) eine stationäre, berührungslos arbeitende Abtasteinrich tung (20) zur Erfassung der Drehstellung dieser Struktur (18) als Winkelcodierer angeordnet ist,
daß der Abtasteinrichtung (20) eine Verarbeitungselektro nik nachgeschaltet ist und
daß die Abschalteinrichtung eine einstellbare Vorgabeein richtung für ein bestimmtes, mit der Drehmomenterfassung ermitteltes, Drehmoment und zusätzlich eine einstellbare Vorgabeeinrichtung für einen bestimmten, mit der Drehstel lungserfassung ermittelten Nachlaufweg umfaßt und eine Ab schaltung der Antriebseinheit nach der Ermittlung des ein gestellten Drehmoments und einem anschließenden Weiterdre hen um den eingestellten Nachlaufweg erfolgt.

2. Kraftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Elektromotor oder ein Luft motor oder ein Hydraulikmotor ist.

3. Kraftschrauber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Statorspule (15) und die Rotorspule (16) ko axial angeordnet sind.

4. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur auf dem Wellenmittelteil aus gleichmäßig am Umfang verteilten Rillen besteht.

5. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur aus einer mit dem Wellen mittelteil (12) drehfest verbundenen und koaxial angeordne ten Lochscheibe oder Zahnscheibe, bevorzugt in der Art eines aufgesteckten Scheibenrings (18), besteht.

6. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichne, daß die Drehstellungserfassung in Verbin dung mit einer Zeitbasis für eine Ermittlung der aktuellen Drehzahl verwendet wird und ein Ist-Drehzahlwert für eine Drehzahlregelung zur Verfügung gestellt wird.

7. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung ein Induktivsen sor und/oder optischer Sensor (20) ist.

8. Kraftschrauber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (20) einen Teil der Lochscheibe oder der Zahnscheibe (18) U-förmig übergreift.

9. Kraftschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kraftschrauber zu einer Mehr fachschrauberanordnung zusammengefaßt sind und die einzel nen Abschalteinrichtungen in einer Mehrfachschraubersteue rung verbunden sind.