DE4343110C2 - Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen - Google Patents
Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen von VerschraubungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drehwinkelüberwach
ten Anziehen oder Lösen von Verschraubungen gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1, wie sie aus der gattungsbildend zugrunde
gelegten DE 38 32 080 A1 als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 38 32 080 A1 ist ein Drehmomentschlüssel bekannt, der
eine Drehwinkel-Meßeinrichtung aufweist, die zur Messung des ab
soluten Drehwinkels einer Schraube gegenüber einem Festpunkt ge
eignet ist. Die Meßeinrichtung weist u. a. einen kardanisch auf
gehängten und bezüglich seiner Rotation mit gleichmäßiger Dreh
geschwindigkeit angetriebenen mechanischen Kreisel auf. Bei ei
nem Anziehen bzw. einem Lösen der Verschraubung wird dieser
Kreisel ausgelenkt. Die Auslenkung wird ermittelt und als Dreh
winkel verwandt. Hierbei ist es allerdings problematisch, daß
sich das Gewicht des Schraubers außer durch das Eigengewicht des
mechanischen Kreisels zusätzlich auch noch durch die zum Antrieb
und zur Überwachung der Drehgeschwindigkeit des Kreisels benö
tigten Komponenten ebenso wie durch die zusätzlich noch zur Er
mittlung des Drehwinkels benötigten Komponenten in ungünstiger
Weise erhöht. Des weiteren ist die automatische Ermittlung des
gemessenen Drehwinkels, wenn sie ungleich einem ganzzahligen
Vielfachen von 360° ist, kompliziert. Ferner ist der Drehmoment
schlüssel bzgl. seiner Außenabmessungen recht groß, da neben dem
mechanischen Kreisel auch die zusätzlich benötigten Komponenten
einen verhältnismäßig großen Bauraum benötigen. Auch ergeben
sich durch Stöße an dem Drehmomentschlüssel ungenaue Drehwinkel
messungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundege
legte Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß die ge
nannten Nachteile beseitigt sind.
Die Aufgabe wird bei einer zugrundegelegten Vorrichtung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Trotz der nun
mehr für die Ermittlung des Drehwinkel benötigten integrierenden
Bauteile ist der Bauraum kleiner, der Drehmomentschlüssel leich
ter und die Meßgenauigkeit größer und einfacher zu realisieren.
Insbesondere ist die Störunanfälligkeit überraschend.
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 erreichte. 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
im wesentlichen bekannten
Schraubers in der Bauart eines
handgeführten Winkelschraubers,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Schrauber nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines
im wesentlichen bekannten
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
erfindungsgemäßen 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
weiteren erfindungsgemäßen
Schrauber nach Fig. 1 mit im
Gehäuse des Schraubers angeordnetem Beschleunigungssen
sor zur Erfassung der Drehbeschleunigung des Gehäuses,
Fig. 8 eine Seitenansicht eines
im wesentlichen bekannten,
in der Art eines Drehmoment
schlüssels ausgebildeten Schraubers,
Fig. 9 eine Draufsicht auf den Drehmomentschlüssel nach Fig.
8,
Fig. 10 eine Seitenansicht eines weiteren,
im wesentlichen bekannten Drehmomentschlüssels
mit einem mechanischen Kreisel als Drehratensensor,
Fig. 11 den Drehmomentschlüssel nach Fig. 10 in Draufsicht,
Fig. 12 einen erfindungsgemäßen Drehmomentschlüssel mit einem optischen Kreisel
als Drehratensensor in Draufsicht und
Fig. 13 einen erfindungsgemäßen 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 Subtrakti
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 1
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 erfindungsgemäßen 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 "GYROSTARTM breaks the precision barrier - a
hundred times the precision for a tenth of the conventionals",
Drucknummer 1991.3.3 KTD 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 "GYROSTARTM 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.
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 kumulierten 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 auf zuaddieren, 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 Überwachungsgrößen, die innerhalb ein und
desselben Anzugvorganges nacheinander herangezogen werden; in
diesem Zusammenhang sei auch das Fügegradientenverfahren er
wähnt.
Claims (6)
1. Vorrichtung zum drehwinkelüberwachten Anziehen oder Lösen
von Verschraubungen, im folgenden Schrauber genannt, mit einer
Drehwinkel-Meßeinrichtung zur Erfassung eines um eine zur Rota
tionsachse der Schraube bzw. der Mutter parallelen Schwenkachse
gegenüber einem Festpunkt zurückgelegten absoluten Drehwinkels,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den absoluten Drehwinkel zumindest mittelbar erfassende
Drehwinkel-Meßeinrichtung (23, 33, 113) entweder
- - als ein optischer Kreisel (20, 120) ausgebildet ist, dessen Ebene seines Lichtweges, die durch zumindest eine gewickelte Glasfaser (21, 121) gebildet ist, quer, insbesondere senkrecht 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) zuordenbarer Laufzeitunterschied einfach integrierbar ist, oder
- - als ein piezoelektrischer Kreisel ausgebildet ist, dessen bei einer Auslenkung des Gehäuses (2, 102) erfaßbares und der Drehbeschleunigung um die Schrauberwelle (3, 103) zuordenbares Beschleunigungssignal zweifach integrierbar ist.
2. Schrauber nach Anspruch 1,
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) ge
genüber einem virtuellen Festpunkt (4) vorgesehen ist und daß
die Drehwinkel-Meßeinrichtung (23, 33, 113) 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
Gehäuseauslenkwinkel-Meßeinrichtung (7) ermittelten Auslenkwin
kel (6) des Gehäuses (2) vorzeichenrichtig von dem relativen
Drehwinkelsignal berücksichtigende Subtraktionseinrichtung (40)
aufweist.
3. Schrauber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrauber (100) ein handgeführter Drehmomentschlüssel
ist, der einen quer zur Schrauberwelle (103) des Drehmomentschlüssels
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 ein Drehratensensor
(105) starr zur Schrauberwelle (103) angeordnet ist.
4. Schrauber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Drehratensensor (105) direkt der Schrauberwelle (3,
103) zugeordnet ist.
5. Schrauber nach Anspruch 1,
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.
6. Schrauber nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrauber (1, 100) eine Subtraktionseinheit (40, 140)
aufweist, mittels der ein bei einem bekannten Drehmoment vor
liegender Torsionswinkel der Schrauberwelle (3, 103) mit einem
mittels des Drehratensensors (105) erfaßten Auslenkwinkels (6,
106) des Gehäuses (2, 102) des Schraubers (1, 100)
vorzeichenrichtig verknüpfbar ist.
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