DE4343110A1 - Verfahren und eine Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. bzgl. der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4, wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 32 21 658 A1 als bekannt hervorgeht.

Die DE 32 21 658 A1 betrifft einen Drehmomentschlüssel mit zuge­ hörigem Steckeinsatz - im folgenden Nuß genannt - für eine zu verschraubende Schraubenmutter zur partiellen Überprüfung von Verschraubungen, bei dem durch Drehmomentmessungen das Erreichen der Streckgrenze einer Schraubverbindung festgestellt und ange­ zeigt wird. Der Drehmomentschlüssel weist einen Drehmomentmesser zur Messung des ausgeübten Drehmomentes, einen Winkelgeber zur Messung der Drehung des Drehmomentschlüssels gegenüber einem ortsfesten Bezugspunkt, und eine Auswerte- und Anzeigevorrich­ tung für die ermittelten Werte auf. Zur Messung des Drehwinkels ist um die Nuß konzentrisch umgebendes ein Umfassungsgehäuse ortsfest am Werkstück angelegt, welches schwenkbar um die paral­ lel zur Schrauberwelle des Drehmomentschlüssels ausgerichtete Schwenkachse des Drehmomentschlüssels angeordnet ist. Diese Festlegung dieses einen bzgl. des Drehwinkels einen festen Raum­ punkt vorgebende Umfassungsgehäuses erfolgt über eine Starrachse und eine an der Starrachse angeordnete Befestigungseinheit, bsp­ w. einen Magneten oder eine weitere an einer benachbarten Schraubenmutter festgelegte Nuß. Für Vorrichtungen, die zum Anzug einer Vielzahl unterschiedlich angeordneter Schrauben vorgesehen sind, ist diese Festlegung jedoch nicht geeignet, da die Ausbildung der Starrachse und die Befestigungseinheit für jede Art der Verschraubung abgestimmt sein muß. Des weiteren weist insbesondere die Starrachse eine räumliche Ausdehnung auf, die ein Hantieren mit einer derartigen Vorrichtung erschwert bzw. teilweise aus Platzgründen eine Anwendung unterbindet.

Aus der DE 31 27 753 A1 ist ein handgeführter Kraftschrauber oder Drehmomentschlüssel bekannt, wie er bspw. zur Montage von Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Der Kraftschrauber ist zur Auf­ nahme eines Drehmoment/Drehwinkel-Diagrammes mit einer Drehmo­ ment-Meßeinrichtung und mit einer Drehwinkel-Meßeinrichtung ver­ sehen, wobei das Drehmoment/Drehwinkel-Diagramm zur Überwachung einer durchgeführten Verschraubung dient. Die Drehmoment-Meßein­ richtung ist zur Messung des an die Schrauberwelle abgegebenen Drehmomentes vorgesehen. Die Drehwinkel-Meßeinrichtung ist zur Erfassung des von der Schrauberwelle zurückgelegten Drehwinkels vorgesehen, wobei als Referenz für den Drehwinkel der Schrauber­ welle das Gehäuse des Kraftschraubers verwandt wird. Bei handge­ führten Kraftschraubern, bei denen auf eine ihre Lage im Raum festlegende Abstützung verzichtet werden muß, reagiert der Be­ diener des Kraftschraubers variabel auf ein sich aufbauendes Drehmoment, wodurch sich dem Drehwinkel der Schrauberwelle diese Bewegung überlagert. Diese Tatsache ist insbesonders bei dem für die Bewertung der Verschraubung wichtigen Endanzug nachteilig, da hier des öfteren das Gehäuse in beträchtlichem Maße ausge­ lenkt wird bzw. ausschlägt, wodurch die in dieser Zeit ermittel­ ten Werte ausgesprochen unzuverlässig sind.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrunde ge­ legte Verfahren und die gattungsgemäß zugrundegelegte Vorrich­ tung dahingehend weiterzuentwickeln, daß unter Beibehaltung von deren Vorteilen und Möglichkeiten, nämlich einer genauen und absoluten Erfassung des Drehwinkels der anzuziehenden Schraube bzw. Mutter und eine Prozeßüberwachung für alle bekannten Schraubverfahren, darüberhinaus die folgenden Vorteile erreicht werden können:

• - einfache Bauweise,
• - bequeme und rasche Handhabbarkeit und
• - universelle Anwendbarkeit unabhängig von den örtlichen Gege­ benheiten in der Umgebung der Verschraubungsstelle.

Die Aufgabe wird bei dem zugrundegelegten Verfahren mit den kennzeichnenden Verfahrensschritten des Anspruchs 1, bzw. bzgl. der Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Durch die Ermittlung des absoluten Drehwinkels bzgl. der zur Einschraubachse der Verschraubung parallel ausgerich­ teten Schrauberwelle, unter Zuhilfenahme eines inertialen und dem Gehäuse und/oder der zur Schwenkachse parallelen Schrauber­ welle zugeordneten Drehratensensors, der den gattungsgemäßen festen Raumpunkt durch einen raumfesten virtuellen Festpunkt er­ setzet, wird bei dem drehwinkelüberwachten Einschraubwerkzeug, im folgenden Schrauber genannt, wie bspw. einem Drehmoment­ schlüssel oder einem Kraftschrauber, ein einfacher Aufbau, eine bequeme und rasche Handhabbarkeit und eine universelle Einsetz­ barkeit erreicht. Mit demselben Drehratensensor können für eine gute Drehwinkelermittlung bspw. auch ältere, von Antriebswellen angetriebene und von Inkrementgebern drehwinkelüberwachte Kraft­ schrauber in einfacher Weise nachgerüstet werden. Dies kann dadurch erfolgen, daß mit dem Drehratensensor eine Auslenkung des Gehäuses um die Schrauberwelle und damit um die Einschraub­ achse der Verschraubung ermittelt und vorzeichenrichtig von dem mittels des Inkrementgebers ermittelten Rotationszahl der Antriebs- und/oder Schrauberwelle addiert wird, wodurch ein bei einer Auslenkung des Gehäuses um die Schrauberwelle fehlerhaft ermittelter Drehwinkel korrigiert werden kann.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar und werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles im folgenden erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Schraubers in der Bauart eines handgeführten Winkelschraubers,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Schrauber nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Schraubers nach Fig. 1 mit im Gehäuse des Schraubers angeordnetem mechanischen Kreisel zur Erfassung des Auslenkwinkels des Gehäuses,

Fig. 4 eine Aufsicht auf den Schrauber nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Schraubers nach Fig. 1 mit im Gehäuse des Schraubers angeordnetem optischen Kreisel zur Erfassung der Drehfrequenz des Gehäuses,

Fig. 6 eine Aufsicht auf den Schrauber nach Fig. 5 und

Fig. 7 eine Aufsicht auf einen Schrauber nach Fig. 1 mit im Gehäuse des Schraubers angeordnetem Beschleunigungssen­ sor zur Erfassung der Drehbeschleunigung des Gehäuses,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines in der Art eines Drehmoment­ schlüssels ausgebildeten Schraubers,

Fig. 9 eine Draufsicht auf den Drehmomentschlüssel nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Seitenansicht eines weiteren Drehmomentschlüssels mit einem mechanischen Kreisel als Drehratensensor,

Fig. 11 den Drehmomentschlüssel nach Fig. 10 in Draufsicht,

Fig. 12 einen Drehmomentschlüssel mit einem optischen Kreisel als Drehratensensor in Draufsicht und

Fig. 13 einen Drehmomentschlüssel mit einem Beschleunigungs­ sensor als Drehratensensor.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Seitenansicht und eine Aufsicht eines Schraubers 1 dargestellt, der in der Art eines handgeführ­ ten kraftangetriebenen Winkelschraubers ausgeführt ist. In dem hauptsächlich als Handstück ausgebildeten Gehäuse 2 des Schraubers 1 ist eine Drehmoment-Meßeinrichtung 8 und eine Dreh­ winkel-Meßeinrichtung 13, 23, 33 angeordnet. Unter einer Drehmo­ ment-Meßeinrichtung 8 und einer Drehwinkel-Meßeinrichtung 13, 23, 33 sind auch solche Systeme zu verstehen, die Schraubverläufe über Motorstrom - mittelbare Drehmomentmessung - und Rotorlage - mittelbare Drehwinkelmessung - steuern bzw. auswerten. Mit der Drehmoment-Meßeinrichtung 8 wird das an die Schrauberwelle 3 ab­ gegebene Drehmoment erfaßt. Als Schrauberwelle 3 wird derjenige Teil der die für die Verschraubung benötigte Anziehkraft lie­ fernden Antriebswelle des Schraubers 1 bezeichnet, der mit der Rotationsachse der Verschraubung, die gleichzeitig auch die Sym­ metrieachse des Steckeinsatzes (Nuß) ist, zusammenfällt. Der Drehwinkel, den die im Schraubkopf 9 des Schraubers 1 angeordne­ te Schrauberwelle 3 gegenüber dem als Referenz dienenden Gehäuse 2 des Schraubers 1 zurücklegt, wird von einer Winkel-Meßein­ richtung 5 herkömmlicher Bauweise, bspw. einem Inkrementgeber, erfaßt.

Bei einer Auslenkung des Gehäuses 2 des Schraubers 1 um die Schrauberwelle 3 überlagert sich ein dadurch hervorgerufener Auslenkwinkel 6 des Gehäuses 2 dem bislang ermittelten Drehwin­ kel der Schrauberwelle 3 gegenüber dem Gehäuse 2 des Schraubers 1. Damit der absolute Drehwinkel der Schrauberwelle 3 gegenüber einem virtuellen Festpunkt 4, der sinnvollerweise u. a. durch die Winkellage der Schrauberwelle 3 bei einem vorgebbaren Drehmoment festgelegt wird, ermittelbar ist, weist der Schrauber 1 eine Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7 auf, die den Auslenkwinkel 6 des Gehäuses 2 des Schraubers 1 um den virtuellen Festpunkt 4 erfaßt. Der virtuelle Festpunkt 4 ist hierbei werkstückseitig durch die Rotationsachse der Verschraubung, die mit der Schrau­ berwelle 3 zusammenfällt, festgelegt. Auf spezielle Ausbildungen der Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7, die bei diesem Aus­ führungsbeispiel mit separater Ermittlung des Relativdrehwinkels der Schrauberwelle 3 und des Auslenkwinkels 6 des Gehäuses 2 den Auslenkwinkel 6 prinzipiell direkt, oder indirekt über die Drehfrequenz, oder indirekt über die Drehbeschleunigung der Aus­ lenkbewegung als Meßgröße erfassen kann, wird anhand der Be­ schreibung der Fig. 2 bis 7 eingegangen.

Zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels der Schrauberwelle 3 gegenüber dem virtuellen Festpunkt 4 werden die von der Winkel- Meßeinrichtung 5 und der Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7 erfaßten und gegebenenfalls aufbereiteten Daten einer ebenfalls der Drehwinkel-Meßeinrichtung 13, 23, 33 zugeordneten Sübtrakti­ onseinrichtung 40 übergeben. In der Subtraktionseinrichtung 40 wird der von der Winkel-Meßeinrichtung 5 erfaßte Relativdrehwin­ kel der Schrauberwelle 3 gegenüber dem Gehäuse 2 und die von der Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7 erfaßte und zum Auslenk­ winkel 6 des Gehäuses 2 aufbereitete Meßgröße vorzeichenrichtig miteinander verknüpft.

Zum Schutz der Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7, ist es sinnvoll, die Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7 innerhalb des Gehäuses 2 des Schraubers 1 anzuordnen. Allerdings kann es andererseits auch von Vorteil sein, die Gehäuseauslenkwinkel- Meßeinrichtung 7 außenseitig an dem Gehäuse 2 des Schraubers l anzuordnen, da dadurch auch ältere Schrauber in einfacher Weise nachgerüstet werden können.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Seitenansicht und eine Aufsicht eines Schraubers 1 dargestellt, dessen Gehäuseauslenkwinkel-Meß­ einrichtung 7 als mechanischer Kreisel 10 ausgebildet ist. Der Kreisel 10 ist kompaßartig ausgebildet und schwimmend gelagert. Die Kreiselachse 11 des mechanischen Kreisels 10 ist quer zur Schrauberwelle 3 angeordnet. Im Gehäuse 2 des Schraubers 1 ist der mechanische Kreisel 10 durch eine Schwenklagerung 14 um eine parallel zur Schrauberwelle 3 ausgerichtete Schwenkachse 15 schwenkbar, wodurch er bei einer Auslenkung des Gehäuses 2 ruhig im Raum stehen bleibt. Der Auslenkwinkel 6 des Gehäuses 2 ergibt sich dann direkt aus dem Winkel zwischen der Kreiselachse 11 und der ausgelenkten Lage des Gehäuses 2 im Raum. In diesem Fall wird als Meßgröße der Auslenkwinkel 6 direkt gemessen und der Subtraktionseinheit 40 der diesem mechanischen Kreisel 10 zuge­ hörigen Drehwinkel-Meßeinrichtung 13 übergeben und der absolute Drehwinkel der Schrauberwelle 3 gegenüber dem werkstückseitigen virtuellen Festpunkt 4 bestimmt.

In den Fig. 5 und 6 ist eine Seitenansicht und eine Aufsicht eines Schraubers 1 dargestellt, dessen Gehäuseauslenkwinkel-Meß­ einrichtung 7 als optischer Kreisel 20 ausgebildet ist. Der op­ tische Kreisel 20 weist eine in einer Ebene um eine Symmetrie­ achse gewickelte Glasfaser 21 auf, wobei die Glasfaser 21 den Lichtweg des optischen Kreisels 20 bildet. Zur Messung der Dreh­ frequenz Ω einer Auslenkung des Gehäuses 2 ist die durch den Lichtweg des optischen Kreisels 20 festgelegte Ebene dieses Kreisels 20 senkrecht zu der Schrauberwelle 3, um die die Aus­ lenkung des Schraubers 1 erfolgt, ausgerichtet; d. h. die Symme­ trieachse der Wicklungen der den Lichtweg bildenden Glasfaser(n) 21 ist parallel, im vorliegenden Fall gleichachsig zu der Schrauberwelle 3 ausgerichtet. Die Drehfrequenz Ω der Auslenkung des Gehäuses 2 ist proportional zu einem bei einer Auslenkbewe­ gung stattfindenden Laufzeitunterschied einer geteilten und ge­ gensinnig durch die Glasfaser(n) 21 des optischen Kreisels 20 geleiteten Lichtwelle. Die aus dem Laufzeitunterschied gewonnene Drehfrequenz Ω wird integriert und der rechnerisch ermittelte Auslenkwinkel 6 an eine Subtraktionseinrichtung 40 der zu dem optischen Kreisel 20 gehörigen Drehwinkel-Meßeinrichtung 23 übergeben und der absolute Drehwinkel der Schrauberwelle 3 ge­ genüber dem werkstückseitigen virtuellen Festpunkt 4 bestimmt.

Anstelle des in den Fig. 5 und 6 beschriebenen optischen Kreisels 20 kann auch ein preisgünstigerer und den vorliegenden Notwendigkeiten vollkommen genügender piezoelektrischer Kreisel eingesetzt werden, wie er aus der Firmenschrift der Firma MURATA MFG.CO.,LTD, Titel "GYROSTAR^TM breaks the precision barrier - a hundred times the precision for a tenth of the conventionals", Drucknummer 1991.3.3KTD 558 bekannt ist.

In Fig. 7 ist eine Aufsicht auf einen Schrauber 1 dargestellt, dessen Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung 7 als Beschleuni­ gungssensor 30 ausgebildet ist. Der in definiertem Abstand zu der durch den virtuellen Festpunkt 4 führenden Schrauberwelle 3 montierte Beschleunigungssensor 30 erfaßt die Winkelbeschleuni­ gung dieser Auslenkung. Die derart erfaßte Meßgröße wird zur Ermittlung des Auslenkwinkels 6 zweifach integriert. Der rechne­ risch ermittelte Auslenkwinkel 6 wird an die Subtraktionsein­ richtung 40 der zu dem Beschleunigungssensor 30 gehörigen Dreh­ winkel-Meßeinrichtung 33 übergeben und der absolute Drehwinkel der Schrauberwelle 3 gegenüber dem werkstückseitigen virtuellen Festpunkt 4 bestimmt.

Bei neu herzustellenden Kraftschraubern ist es sinnvoll, den Drehratensensor direkt der Schrauberwelle 3 zuzuordnende, da da­ durch über die Schrauberwelle 3 der absolute Drehwinkel ermit­ telbar ist, wobei der bauteilseitige Aufwand wesentlich geringer ist. Eine solche Zusammenfassung der Schrauberwelle 3 und des Drehratensensors wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbei­ spiele von Drehmomentschlüsseln beschrieben, wobei die Prinzi­ pien auch auf Kraftschrauber mit angetrieben Schrauberwellen 3 übertragen werden können.

In Fig. 8 und 9 ist eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf einen Schrauber 100 in der Art eines Drehmomentschlüssels darge­ stellt, der mit einer Drehmoment-Meßeinrichtung 108 und mit ei­ ner Drehwinkel-Meßeinrichtung 113 versehen ist. Die starr dem als Handhebel ausgebildeten Gehäuse 2 des Schraubers 1 zugeord­ nete Drehwinkel-Meßeinrichtung 113 weist einen Drehratensensor 105 auf, der zur Erfassung des absoluten Drehwinkels der Schrau­ berwelle 103 gegenüber einem virtuellen Festpunkt 104 vorgesehen ist. Der Drehwinkel entspricht bei geringer bis vernachlässigba­ rer Torsion der Schrauberwelle 103 etwa dem Auslenkwinkel 106 des Gehäuses 2 bzw. des Handhebels des Schraubers 100 um den virtuellen Festpunkt 104. Der virtuelle Festpunkt 104 ist werk­ stückseitig durch die mit der Schwenkachse 107 des Schraubers 100 gleichachsige Rotationsachse der Verschraubung festgelegt, wobei diese beiden Achsen ebenfalls gleichachsig zur Schrauber­ welle 103 sind. Die zum Festpunkt 104 gehörige Nullwinkellage ergibt sich günstigerweise aus der zu einem vorgebbaren Drehmo­ ment gehörigen Winkellage der Schrauberwelle 103 und/oder des Gehäuses 102. Bei einer Erfassung des Auslenkwinkels 106 des Ge­ häuses 102 zur Ermittlung des Drehwinkels der Schrauberwelle 103 ist es bei vorhandener Torsion der Schrauberwelle 103 sinnvoll, die Drehwinkel-Meßeinrichtung 113 mit einer Subtraktionseinheit 140 zu versehen, in der der Torsionswinkel der Schrauberwelle 103 von dem erfaßten Auslenkwinkel 106 des Gehäuses 102 abgezogen wird.

Vorteilhafterweise weist die Subtraktionseinheit 140 dazu einen elektronischen Datenspeicher 141 auf, der den Torsionswinkel bei dem gegebenen und zu der Nullwinkellage gehörigen Drehmoment be­ inhaltet bzw. den Torsionswinkel als Funktion des auf die Schrauberwelle 103 abgegebenen Drehmomentes beinhaltet. Auf spe­ zielle Ausbildungen des Drehratensensors 105, der den Drehwinkel der Schrauberwelle 103 oder den Auslenkwinkel 106 des Handhebels 102 prinzipiell direkt oder indirekt über die Drehgeschwindig­ keit oder indirekt über die Drehbeschleunigung der Dreh- oder Auslenkbewegung als Meßgröße erfassen kann, wird anhand der Be­ schreibung der Fig. 10 bis 13 eingegangen.

Zum Schutz des Drehratensensors 105 ist es sinnvoll, den Drehra­ tensensor 105 innerhalb des Gehäuses 102 des als Drehmoment­ schlüssel ausgebildeten Schraubers 100 anzuordnen. Um eine ein­ fach Nachrüstung älterer Drehmomentschlüssel zu ermöglichen, kann es allerdings auch günstig sein, den Drehratensensor 105 außenseitig an dem Gehäuse 102 des Schraubers 100 anzuordnen.

Um Meßfehler des Drehwinkels zu verringern, die beim Anziehen bzw. Lösen einer Verschraubung durch eine Torsion der Schrauber­ welle 103 eingehen können, ist es sinnvoll, den Drehratensensor 105 direkt der Schrauberwelle 103 zuzuordnen.

In den Fig. 10 und 11 ist eine Seitenansicht und eine Drauf­ sicht auf einen zu den Fig. 8 und 9 weitgehend baugleichen Schrauber 100 dargestellt, dessen Drehratensensor 105 als mecha­ nischer Kreisel 110 ausgebildet ist. Der Kreisel 110 ist kompaß­ artig ausgebildet und schwimmend gelagert. Die Kreiselachse 111 des mechanischen Kreisels 110 ist quer zur Schrauberwelle 103 angeordnet. Im Gehäuse 102 des Schraubers 100 ist der mechani­ sche Kreisel 110 durch eine Kreiselschwenklagerung 114 um eine parallel zur Schrauberwelle 103 ausgerichtete Kreiselschwenkach­ se 115 schwenkbar, wodurch der mechanische Kreisel 110, bedingt durch die Drehimpulserhaltung, bei einer Auslenkung des Gehäuses 102 ruhig im Raum stehen bleiben kann. Der Auslenkwinkel 106 des Gehäuses 102 ergibt sich dann direkt aus dem Winkel zwischen der der Nullage entsprechenden Winkellage der Kreiselachse 111 und der ausgelenkten Lage des Gehäuses 102 im Raum, wobei bei voll­ ständiger Schwenkung um die Schwenkachse 107 360° dazu addiert werden. Im Falle eines mechanischen, im oder am Gehäuse 102 des Schraubers 100 angeordneten mechanischen Kreisels 110 wird als Meßgröße der Auslenkwinkel 106 direkt gemessen. Je nach Torsi­ onswinkel der Schrauberwelle 103 kann der Auslenkwinkel 106 dann als absoluter Drehwinkel der Schrauberwelle 103 gegenüber dem werkstückseitigen virtuellen Festpunkt 104 angesehen werden oder muß, wie anhand der Fig. 8 und 9 bereits beschrieben, mit dem entsprechenden Torsionswinkel korrigiert werden.

Auch hier kann es zur Vermeidung von durch die Torsion bedingten Fehlern sinnvoll sein, entweder die Schrauberwelle 103 bei den auftretenden Kräften weitgehend torsionsfrei auszubilden und/oder den mechanisch Kreisel 110 direkt der Schrauberwelle 103 zuzuordnen.

In Fig. 12 ist ein ebenfalls mit dem als Drehmomentschlüssel ausgebildeten Schrauber 100 nach Fig. 8 weitgehend baugleicher Drehmomentschlüssel dargestellt. Der rotationsempfindliche Drehratensensor 105 dieses Schraubers 100 ist als optischer Kreisel 120 ausgebildet, der die Drehgeschwindigkeit detektiert. Der optische Kreisel 120 weist eine gewickelte Glasfaser 121 auf, die den Lichtweg des optischen Kreisels 120 bildet. Es ist auch denkbar, daß ein beispielsweise spiralig gewundener opti­ scher Wellenleiter in eine kleine Glasplatte in integriert-opti­ scher Technik eingelassen ist. Die Winkelauflösung der Meßsy­ steme braucht nicht besonders hoch zu sein. Zur Messung der Drehgeschwindigkeit bei der Auslenkung des Gehäuses 102 bzw. des Handhebels ist die durch den Lichtweg des optischen Kreisels 120 festgelegte Ebene dieses optischen Kreisels 120 senkrecht zu der Schrauberwelle 103 bzw. Schwenkachse 107 ausgerichtet, um welche Schwenkachse 107 die Auslenkung des Schraubers 100 erfolgt. Die mit dem optischen Kreisel 120 ermittelbare Drehfrequenz aufgrund der Auslenkung des Gehäuses 102 ist proportional zu einem bei einer Auslenkbewegung stattfindenden Laufzeitunterschied einer geteilten und nach der Teilung gegensinnig durch die Glasfa­ ser(n) 121 des optischen Kreisels 120 geleiteten Lichtwelle. Die aus dem Laufzeitunterschied gewonnene Drehgeschwindigkeit wird integriert und der rechnerisch ermittelte Auslenkwinkel 106 an eine Subtraktionseinrichtung 140 der zu dem optischen Kreisel 120 gehörigen Drehwinkel-Meßeinrichtung 113 übergeben. In der gleichzeitig als Auswerteeinheit fungierenden Subtraktionsein­ heit 140 wird durch Korrektur des vorliegenden Torsionswinkels der Schrauberwelle 103 der absolute Drehwinkel der Schrauberwel­ le 103 gegenüber dem raumfesten virtuellen Festpunkt 104 be­ stimmt.

Anstelle des in der Fig. 12 beschriebenen optischen Kreisels 120 kann insbesondere auch ein den vorliegenden Notwendigkeiten genügender piezoelektrischer Kreisel (nicht eingezeichnet) ein­ gesetzt werden, der gegenüber dem optischen Kreisel 120 wesent­ lich preisgünstiger ist. Ein möglicher piezoelektrischer Kreisel ist beispielsweise aus der Firmenschrift der Firma MURATA MFG.CO., LTD, Titel "GYROSTAR^TM breaks the precision barrier - a hundred times the precision for a tenth of the conventionals", Drucknummer 1991.3.3KTD 558 bekannt.

In Fig. 13 ist ein Drehmomentschlüssel dargestellt, dessen Drehratensensor 105 als Beschleunigungssensor 130 ausgebildet ist. Der in definiertem Abstand zu der durch den virtuellen Festpunkt 104 führenden Schwenkachse 107 montierte Beschleuni­ gungssensor 130 erfaßt die Winkelbeschleunigung dieser Auslen­ kung. Die derart erfaßte Meßgröße wird zur Ermittlung des Aus­ lenkwinkels 106 zweifach integriert. Der rechnerisch ermittelte Auslenkwinkel 106 wird an die Subtraktionseinrichtung 140 der zu dem Beschleunigungssensor 130 gehörigen Drehwinkel-Meßeinrich­ tung 113 übergeben und in der zuvor erläuterten Weise der abso­ lute Drehwinkel der Schrauberwelle 103 gegenüber dem werkstück­ seitigen virtuellen Festpunkt 104 bestimmt.

Zu beachten ist, daß sich beim Einsatz eines üblichen Beschleu­ nigungssensors durch den Einfluß der Erdbeschleunigung unter­ schiedlich große Meßfehler ergeben, je nach dem, ob der Vektor der zu ermittelnden Beschleunigung gerade quer zur Schwerkraft­ richtung oder positiv oder negativ parallel zu ihr oder geneigt zu ihr liegt. Es sollte zur Eliminierung eines solchen Fehlers zunächst die aus Drehbeschleunigung und Erdbeschleunigung sum­ mierte Gesamtbeschleunigung mittels eines dreidimensional sensi­ blen Beschleunigungssensors ermittelt und daraus vektoriell der in soweit konstante Vektor der Erdbeschleunigung abgezogen wer­ den, was jedoch bei der heutigentags verfügbaren Datenverarbei­ tungstechnik keine Probleme darstellt.

Bei allen Ausführungsbeispielen der Kraftschrauber und der Drehmomentschlüssel erfolgt die Ermittlung des Drehwinkels sinnvollerweise erst ab einem bestimmten, vorgebbaren Start- Drehmoment. Als Nullwinkellage wird dabei diejenige Winkellage der Schwenkachse 103 bzw. des Gehäuses 102 verwandt, bei der das betreffende Start-Drehmoment erreicht ist. Die vom Drehratensen­ sor stammenden und dem Drehwinkel zugehörigen Meßdaten werden an eine im Gehäuse 2, 102 integrierte und der Drehmoment-Meßvor­ richtung 8, 108 und/oder der Drehwinkel-Meßvorrichtung 13, 23, 33, 113 zugeordnete Auswerteeinheit übergeben, in ihr ausgewer­ tet und das entsprechend ermittelte Drehmoment bzw. der zugehö­ rige Drehwinkel insbesondere an einem Display angezeigt.

Im Zusammenhang mit den auf dem Prinzip der Beschleunigungsmes­ sung beruhenden Drehratensensoren sei der Vollständigkeit halber auf die an sich bekannten Silizium-Beschleunigungssensoren ver­ wiesen, bei denen eine als Masse/Feder-System dienende kleine Zunge aus einem Siliziumplättchen, welches einen integrierten Schaltkreis trägt, freigeätzt ist. Im Wurzelbereich der freige­ ätzten Zunge ist ein Gitter integriert, welches je nach Ausmaß und Richtung der beschleunigungsbedingten Auslenkung der Zunge unterschiedlich stark deformiert wird; diese Deformation wird in dem integrierten Schaltkreis entsprechend detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches in einem kleinen - ebenfalls in dem Siliziumplättchen integrierten - Vorverstärker verstärkt und nach außen weitergeleitet werden kann.

Vorteilhafterweise kann die Drehwinkel-Meßeinrichtung 13, 23, 33, 113 und/oder die Drehmoment-Meßeinrichtung 8, 108 auch einen weiteren elektronischen, eventuell temporären Datenspeicher 141 mit integrierter Energieversorgung aufweisen, so daß die Daten zumindest einer einzigen vorausgegangenen Verschraubung gespei­ chert werden können.

Ferner kann die Anzeigevorrichtung zusätzlich eine vorzugsweise kabellose Übermittlungseinheit, bspw. einen Infrarotsender, auf­ weisen, über die die ermittelten Daten der Verschraubungen einer externen Datenverarbeitung und -speicherung zugeführt werden können.

Bei einem mit Rätsche bzw. Knarre versehenen Drehmomentschlüssel werden zur Bestimmung des kummulierten Drehwinkels mehrerer suk­ zessiver Anzugsbewegungen die vom Drehratensensor 105 stammende Signale nur der gewünschten Drehrichtung, im allgemeinen der An­ zugsrichtung, erfaßt und diese einzelnen Daten aufaddiert. Es kann auch sinnvoll sein, nur diejenigen Drehwinkel zu berück­ sichtigen und aufzuaddieren, die nach Überschreiten des zuletzt wirksamen höchsten Anzugsdrehmomentes zurückgelegt werden.

Des weiteren hat es sich als günstig erwiesen, die Drehmoment­ schlüssel mit einer Ausrasteinheit zu versehen, die bei Errei­ chen eines vorgebbaren Drehmomentes, eines vorgebbaren Drehwin­ kels, der Streckgrenze oder einer anderen vorgebbaren Abschalt­ grenze ein zusätzliches manuelles Weiterdrehen der Schraubver­ bindung unterbindet oder dem Werker das Erreichen des Abschalt­ wertes durch ein "Knicken" deutlich macht. Beispiele weiterer vorgebbarer Abschaltgrenzen wären eine bestimmten Steigung der Drehmoment/Drehwinkel-Kennlinie des Anziehvorganges, oder Kombi­ nationen verschiedener Überwachungsgößen, die innerhalb ein und desselben Anzugvorganges nacheinander herangezogen werden; in diesem Zusammenhang sei auch das Fügegradientenverfahren er­ wähnt.

Claims (11)

1. Verfahren zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen mittels eines Einschraubwerkzeuges, im folgenden Schrauber genannt, bei welchem Verfahren der beim Schrauben bzgl. eines Festpunktes überstrichene absolute Drehwinkel um eine zur Rotationsachse der Verschraubung parallele Schwenkachse gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsbasis für den Winkelgeber durch eine Verwendung zumindest eines absolut messenden Drehratensensors (105) festgelegt wird, wobei der Drehratensensor (105) wahlweise

• - einen mit dem absoluten Drehwinkel um die Schwenkachse (107) korrelierten Winkel, oder
• - eine einfach integrierbare, als Integral mit dem absoluten Drehwinkel um die Schwenkachse (107) korrelierte Ro­ tationsgeschwindigkeit oder
• - eine zweifach integrierbare und als zweifaches Integral mit dem absoluten Drehwinkel um die Schwenkachse (107) korrelierte Winkelbeschleunigung mißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel direkt an der beim Schrauben formschlüssig mit der Schraube bzw. der Mutter der Verschraubung verbundenen und zur Schwenkachse (107) zumindest bereichsweise parallelen Schrauberwelle (103) des Schraubers (100) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Relativdrehwinkel der beim Schrauben formschlüssig mit der Schraube bzw. der Mutter der Verschraubung verbundenen und zur Schwenkachse (107) zumindest bereichsweise parallelen Schrauberwelle (3) des Schraubers (1) gegenüber dem Gehäuse (2) des Schraubers (1) gemessen wird, daß von dem Drehratensensor der absolute Auslenkwinkel (6) des Gehäuses (2) des Schraubers (1) um eine parallele Achse ermittelt wird, und daß zur Ermitt­ lung des absoluten Drehwinkels der Schrauberwelle (3) der Rela­ tivdrehwinkel und der Auslenkwinkel (6) des Gehäuse (2) vorzei­ chenrichtig addiert werden.

4. Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen, im folgenden Schrauber genannt, mit einer Dreh­ winkel-Meßeinrichtung zur Erfassung eines um eine zur Rotations­ achse der Schraube bzw. der Mutter parallelen Schwenkachse gegenüber einem Festpunkt zurückgelegten absoluten Drehwinkels, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den absoluten Drehwinkel zumindest mittelbar erfassende Drehwinkel-Meßeinrichtung (23, 113) einen Drehratensensor (105) aufweist, der wahlweise

• - als ein kompaßartig wirkender, schwimmend gelagerter mechani­ scher Kreisel (10, 110) ausgebildet ist, dessen Kreiselachse (11, 111) quer zu der zur Schwenkachse (107) zumindest bereichsweise parallelen Schrauberwelle (3, 103) angeordnet ist und der um eine parallel zur Schrauberwelle (3, 103) ausgerich­ tete Kreiselschwenkachse (15, 115) schwenkbar ist, oder
• - als ein Rotationssensor ausgebildet ist, dessen bei einer Ro­ tation der Schrauberwelle (3, 103) um die Schwenkachse (107) erfaßbares und der Drehfrequenz der Schrauberwelle (3, 103) zuordenbares Signal einfach integrierbar ist, oder
• - als ein Beschleunigungssensor (30, 130) ausgebildet ist, des­ sen der Drehbeschleunigung der Schrauberwelle (3, 103) zuorden­ bares Beschleunigungssignal zweifach integrierbar ist.

5. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrauber (1) ein handgeführter Kraftschrauber ist, daß der Drehratensensor eine Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung (7) ist, die zur Erfassung der absoluten Drehbewegung des Gehäuses (2) des Schraubers (1) um die Schrauberwelle (3) gegenüber einem virtuellen Festpunkt (4) vorgesehen ist und daß die Drehwinkel- Meßeinrichtung (13) zur Ermittlung des absoluten Drehwinkels der Schrauberwelle (3) gegenüber dem virtuellen Festpunkt (4) eine konventionelle, ein Relativdrehwinkel-Signal der Schrauberwelle (3) gegenüber dem Gehäuse (2) des Schraubers (1) liefernde Winkelmeßeinrichtung (5) und eine den mittels der Gehäuseaus­ lenkwinkel-Meßeinrichtung (7) ermittelten Auslenkwinkel (6) des Gehäuses (2) vorzeichenrichtig von dem relativen Drehwinkelsi­ gnal berücksichtigende Subtraktionseinrichtung (40) aufweist.

6. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrauber (100) ein handgeführter Drehmomentschüssel ist, der einen quer zur Schrauberwelle (103) des Drehmoment­ schlüssels angeordneten, radial abragenden und insbesondere he­ belartig ausgebildeten, mit der Schrauberwelle (103) zumindest unterhalb eines einstellbaren Drehmomentes starr gekoppelten Handhebel als Gehäuse (102) aufweist, wobei der Drehratensensor (105) starr zur Schrauberwelle (103) angeordnet ist.

7. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationssensor ein optischer Kreisel (10, 110) ist, dessen Ebene seines Lichtweges, die durch zumindest eine gewic­ kelte Glasfaser (21, 121) gebildet ist, quer, insbesondere senk­ recht zur Schrauberwelle (3, 103) angeordnet ist und dessen bei einer Auslenkung des Gehäuses (2, 102) erfaßbarer und der Dreh­ frequenz (Ω) des Gehäuses (2, 102) des Schraubers (1, 100) zuor­ denbarer Laufzeitunterschied einfach integrierbar ist.

8. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationssensor ein piezoelektrischer Kreisel ist.

9. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehratensensor (105) direkt der Schrauberwelle (3, 103) zugeordnet ist.

10. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrauber (1, 100) einen elektronischen Datenspeicher (141) aufweist, dessen Inhalt die Funktion des Torsionswinkels der Schrauberwelle (3, 103) in Abhängigkeit von dem an die Schrauberwelle (3, 103) abgegebenen Drehmoment aufweist.

11. Schrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrauber (1, 100) eine Subtraktionseinheit (40, 140) aufweist, mittels der ein bei einem bekannten Drehmoment vorlie­ gender Torsionswinkel der Schrauberwelle (3, 103) mit einem mit­ tels des Drehratensensors (105) erfaßten Auslenkwinkels (6, 106) des Gehäuses (2, 102) des Schraubers (1, 100) vorzeichenrichtig verknüpfbar ist.